基于uC/OS-II的LwIP網絡協議移植

楊輝

中北大學電子與計算機科學技術學院多核實驗室 太原 030051

基于uC/OS-II的LwIP網絡協議移植

楊輝

中北大學電子與計算機科學技術學院多核實驗室 太原 030051

LwIP是一款優秀的開源TCP/IP協議棧，應用各個嵌入式應用，用于簡化接入互聯網設備的網絡協議棧應用開發。uC/OS-II是一款優秀的開源嵌入式實時操作系統。本文深入講解了LwIP移植到uC/OS-II的方法，并進行相應測試。

LwIP移值;uC/OS-II;AT91SAM7

引言

隨著互聯網的普及度越來越高，能夠接入互聯網的設備越來越多，互聯網已經成為人們工作生活中不可或缺的通信渠道之一。在嵌入式操作系統中加入網絡協議棧是一項重要的研究內容。uC/OS-II是一款優秀的、開源的嵌入式實時操作系統內核，實現了實時任務調度、任務間通信及其管理系統內存，但是缺少文件系統，圖形界面，以及網絡協議的支持。本文介紹了uC/OS-II嵌入式實時操作系統中加入LwIP網絡協議棧的方法，從而使得嵌入式系統能夠接入互聯網。

1 uC/OS-II嵌入式實時操作系統概述

uC/OS II 是Labrosse設計的一款完整的、開源的搶占式實時多任務嵌入式操作系統內核。代碼絕大部分采用標準C語言編寫，小部分底層硬件代碼采用匯編語言編寫，因此具有良好的移植性及裁剪性，從8位到64位處理器，已經成功移植到超過40種不同構架的微處理上。uC/OS II已經廣泛應用在諸多領域，如手機、工控設備、醫療設備，甚至是飛行器等要求極高的應用。

uC/OS II是第一個支持ARM Cortex內核的嵌入式操作系統，其大部分代碼是用標準C語言編寫，這樣對于移植工作很方便。在移植時，只需要用匯編語言及C語言編寫一些與處理器相關的代碼即可。uC/OS II代碼設計的結構清晰，層次分明，代碼總體來說分為三個層次：處理器無關代碼層，處理器相關代碼層，以及應用程序相關代碼層。

2 開源TCP/IP網絡協議LwIP簡介

LwIP是由瑞士計算機科學院Adam Dunkels等人開發的專門用于嵌入式系統的開源TCP/IP協議棧[1]。LwIP可以移植到操作系統上，也可以在無操作系統的情況下獨立運行。LwIP是一種輕型的TCP/IP協議棧，在實現TCP/IP基本功能的基礎上，減少自身代碼容量，并且在運行時，減少對RAM的占用。LwIP需要20KB的RAM空間和40KB左右的ROM空間即可運行，這樣使得 LwIP協議棧適合在低端嵌入式系統中使用。

LwIP協議棧的特性如下：

支持多網絡接口下的 IP轉發；

支持 ICMP協議；

包括實驗性擴展的 UDP（用戶數據報協議）；

包括阻塞控制、RTT估算、快速恢復和快速轉發的 TCP（傳輸控制協議）；

提供專門的內部回調接口（Raw API），用于提高應用程序性能；

可選擇的 Berkeley 接口 API（多線程情況下）。

3 LwIP在uC/OS下的移植

本文所用到的嵌入式操作系統uC/OS-II版本為V2.5.4.，本文在移植時所用到的開發環境為RVMDK4.0。首先我們獲取LwIP代碼，只需到LwIP的官方網站下載。將代碼文件添加至所建立的工程中即可。LwIP協議棧在最初設計時就考慮到移植問題，將硬件接口代碼、OS接口代碼、編譯器相關代碼獨立分開出來，放在/src/arch目錄下面。在LwIP移植到uC/OS-II中時，只需修改這個目錄下的文件即可移植后的功能框圖如圖1所示。下面是具體的移植過程。

圖1 系統示意圖

3.1 移植CPU及編譯器相關頭文件

在/src/arch/include/arch目錄下面，是關于CPU及編譯器相關的頭文件。這些文件里面定義了數據長度，字高低位順序等，這些應該與用戶實現uC/OS-II時定義的數據長度一致。我們這里主要涉及cc.h，cpu.h，perf.h這三個文件。下面定義為：

#define BYTE_ORDER LITTLE_ENDIAN //小端存儲類型

typedef unsigned char u8_t; //關于數據類型長度的定義，下同

typedef signed char s8_t;

typedef unsigned short u16_t;

typedef signed short s16_t;

注意，C語言的結構體是4字節對齊的，但是在處理數據包時，則是根據結構體中不同數據長度來讀取相應數據的，所以在定義struct的時候要加上_packed關鍵字。在LwIP代碼中，結構體中定義了幾個PACKED_FIELED_xxx宏，缺省的情況下是空的，可以在移植的時候添加不同的編譯器所對應的_packed關鍵字。下面是對應的宏定義代碼：

#define PACK_STRUCT_FIELD(x)x __attribute__((packed))

#define PACK_STRUCT_STRUCT__attribute__((packed))

3.2 與操作系統相關文件移植

sys_arch.[ch]文件中的內容是與移植的操作系統相關的一些結構和函數，下面是相應的移植內容。

3.2.1 sys_sem_t信號量

LwIP在操作系統中需要使用相應的信號量進行通信，所以在sys_arch中，應實現相關的信號量結構體和處理函數：

sys_ sem _send signal（） //發送信號量

sys_ arch_sem _req（） //請求信號量

在uC/OS-II中已經實現了OS_EVENT信號量的各種操作，在功能上同LwIP上的幾個函數的目標功能是完全一樣的，因此，只要把uC/OS-II的函數進行重新封裝成上面的函數即可。

3.2.2 sys_thread_new 創建新線程LwIP可以是單線程運行，即只有一個tcpip線程（tcpip_thread），負責處理所有的 tcp/ucp連接，各種網絡程序都通過tcpip線程與網絡交互。但LwIP也可以多線程運行，以提高效率，降低編程復雜度。這時需要用戶實現創建新線程的函數：

void sys_thread_new(void (* thread)(void *arg),void *arg);

在uC/OS-II中，沒有線程的概念，只有任務。它已經提供了創建新任務的系統API調用OSTaskCreate，因此，只要把OSTaskCreate封裝一下，就可以實現sys_thread_new。需要注意的是，LwIP中的thread并沒有uC/OS-II中優先級的概念，實現時，要由用戶事先為 LwIP中創建的線程分配好優先級。

3.2.3 sys_mbox_t 消息

LwIP要使用消息隊列來進行緩沖、傳遞數據報文，因此，要在sys_arch中實現消息隊列結構sys_mbox_t及其相應的發送和獲取操作函數：

sys_mbox_post（） //向隊列發送消息

sys_arch_mbox_fetch（） //從隊列中獲取消息

uC/OS-II同樣實現了消息隊列結構OSQ及其操作，但是，uC/OS-II 沒有對消息隊列中的消息進行管理，因此不能直接使用，必須在uC/OS-II的基礎上進行重新實現。為了實現對消息的管理，我們定義一個結構體積。

包括OS_EVENT類型的指針（pQ）和隊列內的消息兩部分。對隊列本身的管理利用uC/OS-II自己的 OSQ操作完成，然后使用uC/OS-II中的內存管理模塊實現對消息的創建、使用、刪除回收，兩部分綜合起來形成了 LwIP的消息隊列功能。

3.3 網絡設備驅動程序

LwIP可以有多個相應的網絡接口，每個網絡接口都有一個對應的 struct netif結構， 此netif包含了其屬性、收發函數等。LwIP中的代碼通過調用netif的函數netif->input()及netif->output()進行以太網的包收發操作。我們在驅動程序中主要做的移植工作是實現對應網絡接口的初始化、接收、發送及對應中斷處理函數。網絡驅動程序工作在IP協議模型的網絡接口層

3.4 lib_arch中庫函數實現

LwIP協議棧需要實現8個外部函數，這些函數都是與CPU和用戶編譯器相關的，需要用戶去實現。

4 移植功能測試

在完成上面的移植工作后，就可以對移植代碼進行應用程序測試。測試工作主要為初始化LwIP協議棧，并創建TCP或者UDP等任務進行測試。

正確編譯運行后，用ping ip地址命令可以得到ICMP reply 響應。用 telnet ip地址 7（登錄 7號端口）命令可以看到echo server 的回顯效果。說明 ARP、ICMP、IP、TCP協議都已正確運行，說明網絡協議已經成功移植。總之，LwIP作為的開源TCP/IP協議棧，在帶網絡嵌入式設備開發中可以比較廣泛的的使用。

[1] 張翠, 鄧志良.LwIP協議棧在uC/OS-Ⅱ上的移植和應用.微計算機信息.2010,23(2)：43-45

[2] 胡俐蕊.基于LwIP的uC/OS-Ⅱ網絡應用程序設計方法.計算機應用與軟件.2010,19(1)：145-148

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.07.054