LwIP協議在μC/OS操作系統中的實現

圖1　系統示意圖

與M.CORE 2107 接口的實現

基于X86平臺的PC機是小端字節順序，而M.CORE 2107默認為大端存儲系統。因而為了保證數據的正確傳輸，對int、uint16、uint32等多于1 字節類型的數據變換其存儲順序。字節順序是指占內存多于一個字節類型的數據在內存中的存放順序，通常有小端、大端兩種字節順序。小端字節序是指低字節數據存放在內存低地址處，高字節數據存放在內存高地址處；大端字節序是指高字節數據存放在低地址處，低字節數據存放在高地址處。

C編譯器修改

在LwIP中各個報頭的定義使用struct結構，默認情況下C編譯器為結構的每個成員按其自然對界條件分配空間，但是LwIP使用的是通過結構體中不同數據的長度來讀取相應的數據的，所以必須對編譯器進行修改，讓它放棄字節對齊。

與μC/OS操作系統接口的實現

與操作系統相關的結構和函數主要可以分為信號量、消息隊列、定時器函數和創建新線程函數，下面從4個部分對移植的過程進行詳細地論述。

(1) 信號量

LwIP 中需要使用信號量進行通信，所以在sys_arch中應實現相應的信號量結構體struct sys_semt和處理函數sys_sem_new() 、sys_sem_free() 、sys_sem_signal ( ) 和sys_arch_sem_wait ( ) 。由于μC/OS已經實現了信號量OSEVENT的各種操作，并且功能和LwIP上面幾個函數的目的功能是完全一樣的，所以只要把μC/OS的函數重新包裝成上面的函數，就可直接使用。

(2) 消息隊列

LwIP 使用消息隊列來緩沖、傳遞數據報文，因此要實現消息隊列結構sys_mbox_t ，以及相應的操作函數：sys_mbox_new() 、sys_mbox_free () 、sys_mbox _post () 和sys_arch_mbox_fetch() 。μC/OS實現了消息隊列結構OSQ 及其操作，但是μC/OS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μC/OS的基礎上重新實現。具體實現時，對隊列本身的管理利用μC /OS自己的OSQ操作完成，然后使用μC/OS中的內存管理模塊實現對消息的創建、使用、刪除和回收，兩部分綜合起來形成了LwIP的消息隊列功能。

(3) 定時器函數

LwIP 中每個和TCP/IP相關的任務的一系列定時事件組成一個單向鏈表，每個鏈表的起始指針存在lwip_timeouts 的對應表項中，如圖2所示。移植時需要實現struct sys_timeouts* sys_arch_timeouts (void) 函數，該函數返回目前正處于運行態的線程所對應的timeout 隊列指針。

圖2　定時事件鏈表

(4) 創建新線程函數

在 μC/OS 中，沒有線程(thread) 的概念，只有任務(Task) 。它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μC/OS 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。

網絡設備驅動程序的移植

本系統中選擇的以太網控制芯片是RTL8019AS ，它是8/16 位ISA總線的網卡，遵循IEEE802. 3 協議。

RTL8019AS 內部按鏈路數的不同，可以劃分為遠程DMA通道和本地DMA 兩個部分。當主處理器要向網上發送數據時，先將一幀數據通過遠程DMA 通道送到RTL8019AS中的發送緩沖區，然后發送傳送命令。RTL8019AS在完成上一幀的發送后，再進行此幀的發送。RTL8019AS接收到的數據通過MAC比較、CRC 校驗后，由FIFO存到接收緩沖區，收滿一幀后，以中斷或寄存器標志的方式通知主處理器，主處理器再通過遠程DMA 通道讀取這一幀數據。

在LwIP中有多個網絡接口，每個網絡接口都對應了一個struct netif，這個netif包含了相應網絡接口的屬性、收發函數。LwIP 調用netif 的方法netif->input() 及netif->output() 進行以太網packet的收、發等操作。LwIP的網絡驅動有一定的模型，/src/netif/ethernetif.c 文件即為驅動的模板，用戶為自己的網絡設備實現驅動時應參照此模板。

LwIP 協議的測試

為了進行應用程序的測試，首先在μC/OS中初始化LwIP，創建相應的任務，值得注意的是LwIP的初始化必須在μC/OS完全啟動之后，也就是在任務中進行，因為它的初始化用到了信號量等與操作系統相關的操作。

本系統使用EVB2107(Evaluation Board2107) 評估板進行應用程序的調試，該評估板是輔助用戶開發調試M.CORE系列中的MMC2107 微控制器的一種電路板，外擴2MB FLASH和1MB SRAM存儲器，利用EVB 2107用戶可以開發應用程序的代碼。測試時，可以把網卡的IP地址設置為任意值，在CodeWarrior IDE 的控制臺窗口中運行ping IP地址-l2000-t，不間斷用長度為2000的數據報進行ping測試，同時使用tftp 客戶端軟件給該IP 地址下載一個幾兆的程序，發現一切工作正常，說明ARP、ICMP、IP、TCP 協議都已正確運行。

總結

本設計方案兼顧了小容量和通用性的要求，可以在多種硬件平臺上實現，并且便于移植。