嵌入式LWIP網絡客戶端設計

摘要：嵌入式網絡客戶端需要移植性高、占用資源小的協議棧，設計了基于輕量級協議棧LWIP的網絡客戶端。采用STM32處理器作為主控芯片，通過以太網控制器EN28J60和RJ45接口連接互聯網，移植了操作系統(tǒng)uC/OS-II和輕量級協議棧LWIP，最后對客戶端與主機進行聯機測試。結果表明：通過主機ping 32字節(jié)的數據，4個包所用的時間最長為5ms，最短為3ms，而TTL值均為255;數據收發(fā)正確，錯誤率為0%。說明輕量級協議棧LWIP不僅占用資源小，而且滿足嵌入式系統(tǒng)應用的可靠性要求。

引言

　　嵌入式技術的興起使得傳統(tǒng)的基于PC機的互聯網技術優(yōu)勢不再，嵌入式網絡客戶端與服務端技術成為熱點，而該技術需要移植性高、占用資源小的協議棧，輕量級TCP/IP協議棧LWIP (light weight Internet protocol)比較適合嵌入式設備中存儲容量有限的情況，而且能實現TCP/IP協議棧的基木功能，不影響設備的網絡互聯與傳輸服務^[1]。輕量級網絡協議LWIP依附的硬件操作系統(tǒng)有RT_Thread^[2-3]和uC/OS-II^[4-5]，鑒于uC/OS-II是一款應用較為廣泛、技術較成熟的操作系統(tǒng)，本文采用uC/OS-II操作系統(tǒng)設計網絡客戶端。實驗結果表明：ping 32字節(jié)的數據，其收發(fā)正確，錯誤率為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，通過以太網控制器EN28J60和RJ45接口連接互聯網，而且為了進行功能擴展和試驗驗證，主控芯片也可以由串口與計算機進行數據互傳。

　　STM32F107是主控芯片，它不僅具有USB OTG 和CAN2.0B接口，而且片上集成了以太網10/100 MAC模塊。該模塊支持MII和RMII兩種模式，所以，主控制器只需外接一個物理層PHY芯片就可以實現一個完整的以太網收發(fā)器;在時鐘信號方面，只需用一個25MHz的晶振就可以給整個主控制器提供時鐘，而主控制器還能輸出一個25MHz或50MHz的時鐘，交外部物理層PHY層芯片使用，這樣可以為系統(tǒng)節(jié)省一個附加晶振^[6]。

　　以太網控制器是ENC28J60，它符合IEEE802. 3協議的全部規(guī)范，可以利用健全的包過濾機制對輸入的數據包進行限制。集成了DMA模塊，支持數據的高速吞吐率，并結合硬件實現IP地址校驗和計算。它和主控器的通信依賴于兩個中斷管腳和SPI總線實現，數據傳輸速率高達10 MB/s，為了觀察數據傳輸的活動狀態(tài)，可以在兩個專用的引腳接上發(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容是^[4-5][8]：修改并整合與處理器相關的源文件，包含os_cpu_c.c,os_cpu_a.s，os_cpu.h三個文件。其中os_cpu.h文件負責定義與編譯器相關的數據類型、堆棧類型，另外還有幾個宏定義和函數聲明，在進行移植工作時，由于對一個相同的數據類型，不同的編譯器所支持的數據長度卻不相同，所以需要修改原來的數據類型。os_cpu_a.s文件主要負責定義與處理器相關的任務切換函數，實現任務上下文的切換以滿足任務調度時的需要，另外還定義了時鐘中斷處理函數和進退臨界區(qū)宏指令。os_cpu_c.c文件主要負責定義堆棧的初始化函數，以利于操作系統(tǒng)在進行任務切換或中斷時對相關操作數據進行堆棧保護，另外還定義了相關的HOOK函數。

　　首先修改os_cpu_a.asm文件，將原來的RSEG CODE: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代表默認情況：只讀。由于當ALIGN=n，則字節(jié)數為2^n，故此處ALIGN=2表示對齊4字節(jié)。)

　　THUMB ;Thumb指令集

　　REQUIRE8 ;說明當前文件是八字節(jié)對齊堆棧需求

　　PRESERVE8 ;說明當前文件屬于八字節(jié)對齊堆棧

　　修改os_cpu.h文件，注釋掉下面的這三個函數：Void OS_CPU_SysTickHandler(void);Void OS_CPU_SysTickInit(void);UINT32 OS_CPU_SysTickClkFreq(void);

　　修改os_cpu_c.c文件，注釋掉以下定義和函數：

　　#define OS_CPU_CM3_NVIC_ST_CTRL (*((volatile INT32U *)0xE000E010))

　　#define OS_CPU_CM3_NVIC_ST_RELOAD (*((volatile INT32U *)0xE000E014))

　　#define OS_CPU_CM3_NVIC_ST_CURRENT (*((volatile INT32U *)0xE000E018))

　　#define OS_CPU_CM3_NVIC_ST_CAL (*((volatile INT32U *)0xE000E01C))

　　#define OS_CPU_CM3_NVIC_PRIO_ST (*((volatile INT8U *)0xE000ED23))

　　#define OS_CPU_CM3_NVIC_ST_CTRL_COUNT 0x00010000

　　#define OS_CPU_CM3_NVIC_ST_CTRL_CLK_SRC 0x00000004

　　#define OS_CPU_CM3_NVIC_ST_CTRL_INTEN 0x00000002

　　#define OS_CPU_CM3_NVIC_ST_CTRL_ENABLE 0x00000001

　　#define OS_CPU_CM3_NVIC_PRIO_MIN 0xFF

　　void OS_CPU_SysTickHandler (void)函數

　　void OS_CPU_SysTickInit (void) 函數

3 輕量級協議棧LWIP的移植

　　LWIP是輕量級的TCP/IP協議棧，協議棧中涉及的函數與數據結構和操作系統(tǒng)及硬件不相關，如果需要使用uC/OS-II操作系統(tǒng)的函數，必須通過操作系統(tǒng)模擬層進行調用。所以移植LWIP協議棧，實際上就是移植到uC/OS-II操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)模擬層為定時器、同步處理、消息傳送機制等服務提供一組外留的接口函數，為LwIP提供兩種進程間通信方式：信號量和郵箱。創(chuàng)建任務函數、臨界保護函數以及信號量和郵箱操作函數均由uC/OS-II提供，進行針對LwIP的移植任務時，就是修改相關接口函數(包括信號量操作函數、郵箱操作函數、臨界保護函數、sys_thread_new( )函數、sys_arch_timeouts( )函數)，從而實現LwIP操作系統(tǒng)模擬層的函數利用[4~5]。

　　LWIP的數據包包頭是14個字節(jié)，基于LWIP的以太網接收的數據包格式以一個數據結構來描述：PACK_STRUCT_BEGIN

　　struct eth_hdr {

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

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

　　PACK_STRUCT_FIELD(u16_t type); //類型

　　} PACK_STRUCT_STRUCT;

　　PACK_STRUCT_END

　　其中幾個PACK_STRUCT_xxx 的宏定義與編譯器字對齊相關，上面的目標dest、源src和類型type三個字段分別對應目標的媒質接入控制層地址、源的媒質接入控制層地址、數據類型。

4 結論

　　測試前需要把計算機與嵌入式網口模塊的IP地址配置在同一網段，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，運行CMD命令行，執(zhí)行ipconfig/all命令。配置完以后，接著ping嵌入式網口的IP地址，結果如圖2所示。

　　從圖2可以看出：主機ping 32字節(jié)的數據，4個包所用的時間最長為5ms，最短為3ms;而4個包的TTL值均為255， 這是由于最優(yōu)路徑選擇算法定下來以后，經過一段時間穩(wěn)定后，網絡拓撲結構也穩(wěn)定了，數據包的路由路徑也會相應穩(wěn)定在一個最優(yōu)路徑上。整個過程的數據收發(fā)正確，錯誤率為0%。

參考文獻：

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　　[5]趙國鋒,馬文武. 基于LWIP的嵌入式網絡系統(tǒng)設計與實現[J]. 微計算機信息, 2008,24(8-2):59-61

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　　[7]高吉星,趙強,佟為明.基于ENC28J60的TMS320F2812以太網通信接口設計[J]. 計算機測量與控制,2013,21 (3):709-711

　　[8]啊左不是蝸牛, UC/OS-II學習筆記--STM32移植[EB/OL][2012-12-29]. http://bbs.ednchina.com/

　　BLOG_ARTICLE_3010147.HTM;http://bbs.ednchina.com/BLOG_ARTICLE_3010148.HTM

本文來源于中國科技期刊《電子產品世界》2016年第1期第39頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。