嵌入式LWIP網(wǎng)絡(luò)客戶(hù)端設(shè)計(jì)

胡曉玲 余世欣

摘要：嵌入式網(wǎng)絡(luò)客戶(hù)端需要移植性高、占用資源小的協(xié)議棧，設(shè)計(jì)了基于輕量級(jí)協(xié)議棧LWIP的網(wǎng)絡(luò)客戶(hù)端。采用STM32處理器作為主控芯片，通過(guò)以太網(wǎng)控制器EN28J60和RJ45接口連接互聯(lián)網(wǎng)，移植了操作系統(tǒng)uC/OS-II和輕量級(jí)協(xié)議棧LWIP，最后對(duì)客戶(hù)端與主機(jī)進(jìn)行聯(lián)機(jī)測(cè)試。結(jié)果表明：通過(guò)主機(jī)ping32字節(jié)的數(shù)據(jù)，4個(gè)包所用的時(shí)間最長(zhǎng)為5ms，最短為3ms，而TTL值均為255；數(shù)據(jù)收發(fā)正確，錯(cuò)誤率為0%。說(shuō)明輕量級(jí)協(xié)議棧LWIP不僅占用資源小，而且滿(mǎn)足嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性要求。

關(guān)鍵詞：嵌入式；輕量級(jí)協(xié)議棧；STM32；移植；操作系統(tǒng)

DOI：10.3969/i.issn.1005-5517.2016.1.010

引言

嵌入式技術(shù)的興起使得傳統(tǒng)的基于PC機(jī)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)不再，嵌入式網(wǎng)絡(luò)客戶(hù)端與服務(wù)端技術(shù)成為熱點(diǎn)，而該技術(shù)需要移植性高、占用資源小的協(xié)議棧，輕量級(jí)TCP/IP協(xié)議棧LWIP（light weight Internet protocol）比較適合嵌入式設(shè)備中存儲(chǔ)容量有限的情況，而且能實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧的基木功能，不影響設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)與傳輸服務(wù)^[1]。輕量級(jí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議LWIP依附的硬件操作系統(tǒng)有RT_Thread^[2-3]和uC/OS-11^[4-5]，鑒于uC/OS-II是一款應(yīng)用較為廣泛、技術(shù)較成熟的操作系統(tǒng)，本文采用uC/OS-II操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)客戶(hù)端。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：ping 32字節(jié)的數(shù)據(jù)，其收發(fā)正確，錯(cuò)誤率為0%。

1 系統(tǒng)硬件

如圖1所示：硬件采用STM32處理器作為主控芯片，通過(guò)以太網(wǎng)控制器EN28J60和RJ45接口連接互聯(lián)網(wǎng)，而且為了進(jìn)行功能擴(kuò)展和試驗(yàn)驗(yàn)證，主控芯片也可以由串口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)互傳。

STM32F107是主控芯片，它不僅具有USB OTG和CAN2.OB接口，而且片上集成了以太網(wǎng)10/100 MAC模塊。該模塊支持Mll和RMII兩種模式，所以，主控制器只需外接一個(gè)物理層PHY芯片就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的以太網(wǎng)收發(fā)器；在時(shí)鐘信號(hào)方面，只需用一個(gè)25MHz的晶振就可以給整個(gè)主控制器提供時(shí)鐘、而主控制器還能輸出一個(gè)25MHz或50MHz的時(shí)鐘，交外部物理層PHY層芯片使用，這樣可以為系統(tǒng)節(jié)省一個(gè)附加晶振^[6]。

以太網(wǎng)控制器是ENC28J60，它符合IEEE802.3協(xié)議的全部規(guī)范、可以利用健全的包過(guò)濾機(jī)制對(duì)輸入的數(shù)據(jù)包進(jìn)行限制。集成了DMA模塊，支持?jǐn)?shù)據(jù)的高速吞吐率，并結(jié)合硬件實(shí)現(xiàn)IP地址校驗(yàn)和計(jì)算。它和主控器的通信依賴(lài)于兩個(gè)中斷管腳和SPI總線實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)10MB/s，為了觀察數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕顒?dòng)狀態(tài)，可以在兩個(gè)專(zhuān)用的引腳接上發(fā)光二極管^[7]。

2 操作系統(tǒng)移植

操作系統(tǒng)uC/OS-II移植涉及到的主要內(nèi)容是^[4-5][8]：修改并整合與處理器相關(guān)的源文件，包含os_cpu_c.c，os_cpu_a.s，os_cpu.h三個(gè)文件。其中os_cpu.h文件負(fù)責(zé)定義與編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類(lèi)型、堆棧類(lèi)型，另外還有幾個(gè)宏定義和函數(shù)聲明，在進(jìn)行移植工作時(shí)，由于對(duì)一個(gè)相同的數(shù)據(jù)類(lèi)型，不同的編譯器所支持的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度卻不相同，所以需要修改原來(lái)的數(shù)據(jù)類(lèi)型。os_cpu_a.s文件主要負(fù)責(zé)定義與處理器相關(guān)的任務(wù)切換函數(shù)，實(shí)現(xiàn)任務(wù)上下文的切換以滿(mǎn)足任務(wù)調(diào)度時(shí)的需要，另外還定義了時(shí)鐘中斷處理函數(shù)和進(jìn)退臨界區(qū)宏指令。os_cpu_c.c文件主要負(fù)責(zé)定義堆棧的初始化函數(shù)，以利于操作系統(tǒng)在進(jìn)行任務(wù)切換或中斷時(shí)對(duì)相關(guān)操作數(shù)據(jù)進(jìn)行堆棧保護(hù)，另外還定義了相關(guān)的HOOK函數(shù)。

首先修改。s_cp _u_a.asm文件，將原來(lái)的RSEGCODE：CODE：NOROOT（2）改成：

AREA|.text|， CODE， READONLY， ALIGN=2；（其中AREA|.text|代表選擇段|.text|，CODE指明代碼段，READONLY代表默認(rèn)情況：只讀。由于當(dāng)ALIGN=n，則字節(jié)數(shù)為2^n，故此處ALIGN=2表示對(duì)齊4字節(jié)。）

THUMB；Thumb指令集

REQUIRE8：說(shuō)明當(dāng)前文件是八字節(jié)對(duì)齊堆棧需求

PRESERVE8：說(shuō)明當(dāng)前文件屬于八字節(jié)對(duì)齊堆棧

修改。s_cpu.h文件，注釋掉下面的這三個(gè)函數(shù)：Void OS_CPU_SysTickHandler（void）； Void OS_CPU_SysTicklnit（void）； UINT32 0S_CPU_SysTickClkFreq（void）；

修改os_cp u_c.c又件，注釋掉以下定義和函數(shù)：

#define OS_CPU_CM3_NVIC_ST_CTRL （*（（volatileINT32U*）OxEOOOE010））

#define OS_CPU_CM3_NVIC_ST_RELOAD （*（（volatile INT32U*）OxEOOOE014））

#define OS_CPU_CM3_NVIC_ST_CURRENT（*（（volatileINT32U*）OxEOOOE018））

#define OS_CPU_CM3_NVIC_ST_CAL

（*（（volatileINT32U*）OxEOOOE01C》

#define OS_CPU_CM3_NVIC_PRIO_ST （*（（volatileINT8U*）OxEOOOED23））

#define OS_CPU_CM3_NVIC_ST_CTRL_COUNTOx00010000

#define OS_CPU_CM3_NVIC_ST_CTRL_CLK_SRCOx00000004

#define OS_CPU_CM3_NVIC_ST_CTRL_INTENOx00000002

#define OS_CPU_CM3_NVIC_ST_CTRL_ENABLEOx00000001

#define OS_CPU_CM3_NVIC_PRIO_MINOxFF

void OS_CPU_SysTickHandler（void）函數(shù)

void OS_CPU_SysTicklnit （void）函數(shù)

3 輕量級(jí)協(xié)議棧LWIP的移植

LWIP是輕量級(jí)的TCP/IP協(xié)議棧，協(xié)議棧中涉及的函數(shù)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和操作系統(tǒng)及硬件不相關(guān)，如果需要使用uC/OS-II操作系統(tǒng)的函數(shù)，必須通過(guò)操作系統(tǒng)模擬層進(jìn)行調(diào)用。所以移植LWIP協(xié)議棧，實(shí)際上就是移植到uC/OS-II操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)模擬層為定時(shí)器、同步處理、消息傳送機(jī)制等服務(wù)提供一組外留的接口函數(shù)，為L(zhǎng)wIP提供兩種進(jìn)程間通信方式：信號(hào)量和郵箱。創(chuàng)建任務(wù)函數(shù)、臨界保護(hù)函數(shù)以及信號(hào)量和郵箱操作函數(shù)均由uC/OS-II提供，進(jìn)行針對(duì)LwIP的移植任務(wù)時(shí)，就是修改相關(guān)接口函數(shù)（包括信號(hào)量操作函數(shù)、郵箱操作函數(shù)、臨界保護(hù)函數(shù)、sys_thread_new（）函數(shù)、sys_arch_timeouts（）函數(shù)），從而實(shí)現(xiàn)LwIP操作系統(tǒng)模擬層的函數(shù)利用^[4-5]。

LWIP的數(shù)據(jù)包包頭是14個(gè)字節(jié)，基于LWIP的以太網(wǎng)接收的數(shù)據(jù)包格式以一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)描述：PACK_STRUCT_BEGIN

struct eth—hdr{

PACK_STRUCT_FIELD（struct eth_addr dest）；//目標(biāo)的媒質(zhì)接入控制層地址

PACK_STRUCT_FIELD（struct eth_addr src）；//源的媒質(zhì)接入控制層地址

PACK_STRUCT_FIELD（u16_t type）；//類(lèi)型

） PACK_STRUCT_STRUCT；

PACK_STRUCT_END

其中幾個(gè)PACK_STRUCT_xxx的宏定義與編譯器字對(duì)齊相關(guān)，上面的目標(biāo)dest、源src和類(lèi)型type三個(gè)字段分別對(duì)應(yīng)目標(biāo)的媒質(zhì)接入控制層地址、源的媒質(zhì)接入控制層地址、數(shù)據(jù)類(lèi)型。

4結(jié)論

測(cè)試前需要把計(jì)算機(jī)與嵌入式網(wǎng)口模塊的IP地址配置在同一網(wǎng)段，IP地址分別為192.168.1.100，192.168.1.102。如果想查看IP地址配置情況，運(yùn)行CMD命令行，執(zhí)行ipco nfig/all命令。配置完以后，接著ping嵌入式網(wǎng)口的IP地址，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出：主機(jī)ping 32字節(jié)的數(shù)據(jù)，4個(gè)包所用的時(shí)間最長(zhǎng)為5ms，最短為3ms；而4個(gè)包的TTL值均為255，這是由于最優(yōu)路徑選擇算法定下來(lái)以后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間穩(wěn)定后，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也穩(wěn)定了，數(shù)據(jù)包的路由路徑也會(huì)相應(yīng)穩(wěn)定在一個(gè)最優(yōu)路徑上。整個(gè)過(guò)程的數(shù)據(jù)收發(fā)正確，錯(cuò)誤率為0%。

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