LwIP在微控制系統中的移植與應用

2017-04-01 21:59:12薛建彬郭燕波許洋畢玉王斌

數字技術與應用 2016年10期

薛建彬++郭燕波++許洋++畢玉++王斌

摘要：隨著物聯網技術及IOT的發展，傳感器節點有接入互聯網的需求，本文設計了一種基于嵌入式TCP/IP協議棧LwIP的輕量級實現方案。詳細分析了嵌入式TCP/IP協議棧LwIP的架構和原理，結合實際應用的特點實現了LwIP協議棧在STM32微處理器上的移植和適配。實驗結果表明，基于LwIP協議棧的傳感系統滿足了網絡化交互需求。

關鍵詞：TCP/IP LwIP 微控制器

中圖分類號：TP316.81 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0002-01

隨著計算機互聯技術與物聯網技術的發展，一些像傳感器一類的輕便設備可以接入互聯網，以便隨時監控；這些輕便設備的特點是體積小，內部運算及存儲資源有限，因此就必須在資源受限的情況下實現及處理Internet協議。基于這種趨勢，各種用于嵌入式系統的小型協議棧應運而生，如uC/IP、uIP、LwIP和TinyTCP等，這幾種協議棧均源自BSD TCP/IP。其中，LwIP[1]（輕量級TCP/IP協議棧，Lightweight TCP/IP protocol stack）是由瑞士計算機科學院Adam Dunkels等人開發的一套用于嵌入式系統的開源TCP/IP協議棧。LwIP最小限度的使用系統資源，通過共享內存的方式實現應用層與底層協議之間的通訊。應用層通過了解底層協議使用的緩沖處理機制將使應用層可以更加有效的重復使用緩沖區，同時，應用與網絡代碼可以使用相同的內存區，應用層可以直接讀寫內部緩沖區，從而避免了內存復制產生的性能損失，一般只需幾十K的RAM和40K左右的ROM就可以運行。

與其他的TCP/IP實現一樣，LwIP也是以分層的協議為參照設計的，它除了實現IP/ICMP/UDP/TCP等模塊還包括許多相關支持模塊，如操作系統模擬層、緩沖與內存管理子系統、網絡接口函數及API概要說明。

1 硬件設計

本項目的需求是將微控制系統接入互聯網以便服務器發起對前端設備的控制，采用的STM32F107[2-3]微控制器是意法半導體公司生產的基于ARM Cortex-M3內核的STM系列的32位互連型微處理器。處理器內置嵌套向量中斷控制器（NVIC），并且使用尾聯技術，使得中斷的響應只要6個時鐘周期，從而大大提高了中斷事件的處理速度，并且STM32F107系列芯片內部集成了一個10/100 Mbps以太網媒體控制器（MAC）。支持MII和RMII兩種接口規范。本文設計中采用RMII模式。系統硬件可分為電源模塊、MCU模塊、繼電器控制模塊、網絡數據收發模塊。其中電源模塊負責整個系統的供電；MCU模塊負責系統內的運算及控制邏輯；視頻模塊負責將攝像頭視頻傳輸到服務器的任務；繼電器控制模塊主要負責前端執行器的開合狀態等；網絡數據收發模塊負責與服務器進行網絡數據的交互；系統結構框圖如圖1所示。

2 LwIP協議棧的移植

移植LwIP需要在STM32F107系統上修改模擬層的實現，包括定時器、進程同步及消息傳遞機制等系統服務的實現。

2.1 消息傳遞機制的移植

ethernetif_input（）函數用于從底層物理網卡讀取報文，并將該報文向上傳遞給LwIP協議棧函數ethernet_input（）進行處理。

low_level_input（）函數用于從內存中申請一個新的pbuf，并把接收到數據報文內容拷貝至該pbuf中。

low_level_output（）函數將pbuf中的數據幀通過底層發送函數發送出去。

至此，消息傳遞機制的移植工作就完成了，用戶修改LwIP協議棧提供的系統模擬層函數即可。

2.2 定時器及IO的移植

STM32F107的以太網模塊實現了局域網CSMA/CD的子層，支持10/100Mbps的數據傳輸速率，支持全雙工和半雙工兩種操作模式。以太網模塊底層驅動的實現主要由初始化函數ETH_BSP_Config（）完成，通過設置定時器及IO配置，完成底層通信的移植。

3 結語

基于STM32F107微控制器的網絡協議棧的移植，可以使得物聯網系統內的前端節點在無操作系統支持的環境下接入網絡，從而完成網絡通信控制。

參考文獻