基于LWIP的嵌入式网络系统设计与实现

(Advanced RISC Machines)是目前在嵌入式领域里应用最广泛的 RISC 微处理器 结构，以低成本、低功耗、高性能的特点占据了嵌入式系统应用领域的领先地位，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、系统、无线系统等各类产品市场。S3C2410 芯 片是由韩国 SAMSUNG 公司推出的基于 ARM920T 核的通用处理器，是为应用于小型掌上设备嵌入式系统应用而提供的微控制解决方案。SMDK2410 开发板是 SAMSUNG 公司推出 的基于此芯片的示例板，其网络部分使用的是 CS8900A 芯片。

鉴于 ARM 处理器多方面的优势，现在已有多款操作系统实现了对其的支持，包括 Linux、 VxWork、WinCE、µC/OS-II 等。其中 µC/OS-II 以其源码公开、代码精简（全部仅 6000 余 行），高效稳定，移植性好，可裁剪等特点，正在不断扩大影响力。但是，µC/OS-II 只提供 了基本的操作系统功能，例如进程调度、同步、进程通信等，却不提供一般操作系统都提供的如文件系统、网络等功能，一定程度上限制了其使用。

LWIP是开放源代码的独立TCP/协议栈，由瑞士科学院的  Adam unkels  等开 发，其目的是在支持比较完整的TCP/IP协议的基础上减少代码尺寸,同时减少对存储器的使 用量，并且其移植接口简洁清晰，便于添加入其它操作系统中。

本文以SMDK2410开发板为硬件平台，构建了一个以µC/OS-II和LWIP为基础的软件系 统，并给出了一个在该系统上的网络服务应用程序，从而实现了一个完整的嵌入式网络系统。

1  整体介绍 本嵌入式系统体系结构如图1所示，在最终运行于SMDK2410开发板上的软件实际上包含五部分，分别是：硬件初始化程序、用户应用程序、µC/OS-II操作系统、LWIP 栈、CS8900A驱动程序：

由于各部分相对的独立性，为了能使其协同工作，要实现各个模块之间的接口，这需要做五部分的工作

•   编写SMDK2410开发板初始化代码，在系统启动后初始化硬件，为软件提供运行 环境。

•  移植µC/OS-II到SMDK2410开发板，即为µC/OS-II添加硬件相关代码。

•  移植LWIP到µC/OS-II，即为LWIP实现与操作系统相关的接口函数。

• 编写CS8900A网卡驱动支持LWIP，即为LWIP实现底层硬件数据接收功能。

• 基于LWIP和µC/OS-II提供的系统函数，编写用户网络应用程序。

２    软件系统各部分介绍

2.1  初始化硬件平台 初始化代码的目的是使系统硬件环境处于一个合适的状态，从而为执行操作系统做好准备，它是整个软件系统最开始运行的程序。主要包括以下工作，由汇编文件 init.S 实现：

• 中断向量表的建立：ARM要求中断向量表必须放置在从0X0地址开始，连续4byte 的空间内。每当一个中断发生以后，ARM处理器便强制把PC指针置为向量表中对 应中断类型的地址值。中断向量表的建立是通过一系列的跳转指令b来完成的，一 般如下：

……
•  内部寄存器的设置：主要完成对 S3C2410 芯片中的时钟管理、电源管理（包括掉电与重启处理）、内存管理等。这部分工作在  ResetHandler  处理函数中完成，以 下两部分工作也是在此函数中实现的。

•  堆栈的初始化：因为 ARM 有 7 种执行状态，每一种状态的堆栈指针寄存器（） 都是独立的。因此，对程序中需要用到的每一种模式都要给 SP 定义一个堆栈地址。 方法是改变状态寄存器内的状态位，使处理器切换到不同的状态，然后给 SP 赋值。 注意：不要切换到 User 模式进行 User 模式的堆栈设置，因为进入 User 模式后就 不能再操作 CPSR 回到别的模式了，可能会对接下去的程序执行造成影响。

• 代码的搬移：全部可执行代码最初被烧写在了硬件电路板中的只读 NorFlash  中， 虽然 CPU  可以直接从中执行，但是速度较慢，所以，要将可执行的代码搬移到系统 RAM 中，以提高运行速度。

• 程序跳转：在初始化代码的最后，会通过跳转指令启动软件系统的 main()函数。

2.2  µC/OS-II  在 S3C2410  芯片上的移植
µC/OS-II  实际上可以看作是一个多任务的调度器，并提供了和多任务调度相关的一些 系统服务，如信号量、邮箱等，大部分代码由  C 语言编写，硬件独立。相对于移植工作而言，除一些类型定义等工作外，主要集中在多任务切换的实现上，这需要依据特定处理器结 构使用汇编语言实现处理器现场的保护和恢复。全部工作包括在对三个与体系结构相关文件[1]的修改上，具体如下：

•   OS_CPU.H  文件：这个文件中包括了用＃define 语句定义的、与处理器相关的常 数、宏以及数据类型。我们要根据具体的处理器和编译器重写，主要包括数据类型 的重新定义、堆栈单位和增长方向的设定，以及开关中断的宏定义和任务切换的宏 定义。

• OS_CPU_C.C  文件  ：当 µC/OS-II 进行任务切换或
中断时要保护 CPU 的寄存器 到任务堆栈，在这个文件中定义了该堆栈的初始化函数，即设定了要保护的每一个 寄存器在堆栈中，使堆栈如同中断刚发生过一样。此外还有一些 HOOK 函数，必须 声明。

• OS_CPU_A.S  文件：µC/OS-II 是多任务实时操作系统，在进行任务调度时需要切换任务上下文，这些和处理器相关的任务切换函数在这个文件中定义，此外还有时 钟中断处理函数和进退临界区宏指令也需要在此文件中实现。

2.3  LWIP  在 µC/OS-II  上的移植

LWIP是独立的TCP/IP协议栈，代码中没有使用和操作系统及硬件相关的函数与数据结构，而是当需要这样的函数时，通过操作系统模拟层加以使用。操作系统模拟层向诸如定时 器、处理同步、消息传送机制等的操作系统服务提供一套统一的接口。原则上，移植LWIP 到其他操作系统时，仅仅需要实现适合该操作系统的操作系统模拟层，它包括以下这些函数[2]：
sys_init()                                                        //初始化接口函数
sys_arch_timeouts()       //定时器接口函数
sys_sem_new()                      //创建信号量接口函数
sys_sem_signal()    //发送信号量接口函数
sys_arch_sem_wait()      //等待信号量接口函数
sys_sem_free()     //释放信号量接口函数
sys_mbox_t sys_mbox_new()   //创建消息邮箱接口函数
sys_mbox_post()  //发送消息接口函数
sys_arch_mbox_fetch()       //取得消息接口函数
sys_mbox_free()  //释放消息邮箱接口函数
sys_thread_new() //创建线程接口函数

这些函数的实现，基本上是根据 µC/OS-II 操作系统的相关数据结构，重定义这些函数 中的数据结构如 sys_sem_t、sys_mbox_t 等，再封装 µC/OS-II 操作系统相应的系统调用函 数来完成的。以接口函数 sys_sem_new()为例，其实现如下：
sys_sem_t sys_sem_new(u8_t count)
{
sys_sem_t pSem;
pSem = OSSemCreate((u16_t)count );
return pSem;
}

在 LWIP 中使用的这个信号量创建函数，可以看到是通过封装 µC/OS-II 操作系统的信号 量创建函数 OSSemCreate()来完成的，其中使用的数据结构 sys_sem_t  也被重定义如下：
typedef OS_EVENT* sys_sem_t;
其中数据结构 OS_EVENT 同样为 µC/OS-II 操作系统所有，其它函数的实现与此类似，不再重复。

此外，为支持操作系统模拟层，还需要建立 cc.h  、perf.h 文件，完成与 CPU 或编译器 相关的定义，如数据长度、字的高低位顺序等，这些应该与实现 µC/OS-II 时相一致。

2.4  CS8900A  芯片驱动程序对 LWIP 的支持对于 LWIP 来说，它同样为网络驱动提供了一个移植接口，它使用 netif 数据结构代表 网络驱动层，此数据结构部分如下：

struct netif {
struct netif *next;
err_t (* input)(struct pbuf *p, struct netif *inp);
err_t (* output)(struct netif *netif, struct pbuf *p, struct ip_addr *ipaddr);
err_t (* linkoutput)(struct netif *netif, struct pbuf *p);
……
};

LWIP  和驱动程序会共用一个这样的数据结构，从而实现了两者的联系。其中output( )函数提供给 LWIP 的 模块，linkoutput( )函数提供给 LWIP 的 ARP 模块。LWIP 的驱动编写 示例 [3] 指出， output(  ) 函封装 了  LWIP  中  ARP  模块的数据 发送函 数 etharp_output(  )，此函数最终会调用到 linkoutput(  )函数，即 linkoutput(  )函数是实际的数 据发送函数（这个函数由网络驱动程序实现）。另一方面，当网络驱动的中断处理函数接收到一个数据包后，也会调用此结构中的 input( )函数（这个函数由 LWIP 实现），将数据转交给 LWIP。接口结构[4]如图 2 所示：

 

具体在为 LWIP 编写网络驱动程序时我们要实现以下函数：

•  初始化函数：init( )
   
在这个函数里，主要的任务就是初始化数据结构  netif，包扩硬件地址、最大传输 单元 mtu 和 state（指向设备驱动中网络接口的特定状态）以及 output( )函数、linkoutput( )函数和 input( )函数等。

•  数据发送函数：output( )

此函数只是简单的封装了 LWIP 中 ARP 模块的数据发送函数 etharp_output( )。

¾     数据发送函数：linkoutput( )

这是真正的数据发送函数，output( )函数最终会调用到此函数。它将上层传递 来的数据转移到 CS8900A 网卡芯片上，使网卡将数据发送到网络上。

•  中断函数：net_isr( )
   
　　CS8900A 芯片将其要求的所有中断事件放在中断状态队列寄存器 ISQ 中，所以当 其产生中断要求 CPU 处理时，中断处理函数要循环处理 CS8900A 芯片的 ISQ，判断 中断事件类型，然后做相应处理。例如，如果是数据接收事件，则将数据从网卡中转移到内存，在必要处理后，调用 netif 中的 input( )函数将数据递交给 LWIP 层。 整体驱动程序由 CS8900A.c 实现，简要流程图[5]如图 3 所示：

3  应用

在完成上述工作后，一个嵌入式网络系统的软件平台基本完成。在这样的一个软件平台 上，通过调用 LWIP 提供的函数，即可以开发网络应用程序。本文编写了一个 web 应 用程序，将主机与 SMDK 开发板连入环境下，从主机 IE 浏览器敲入 SMDK2410 开发板 IP 地址后，可浏览 SMDK2410 开发板提供的 http 网页，如图 4 所示。

4  结束语

目前，基于 S3C2410 芯片的 SMDK2410 开发板在国内嵌入式教育领域正得到越来越 广泛的使用，本文给出了基于此硬件平台的 µC/OS-II&LWIP 完整移植方案，构建了一个嵌 入式网络实验系统，并强调了硬件平台初始化和网卡芯片驱动程序的移植和实现，使得最终的软件系统可实际工作。同时，由于移植的相似性，可以较容易的修改代码将其移植到其它 不同类型的开发板中运行，为基于 µC/OS-II 和 LWIP 的网络研究和应用提供了基础。

参考文献：

[1] Jean J. Labrosse  邵贝贝  译.  嵌入式实时操作系统 µC/OS-II（第二版）.  北京航空航 天大学出版社

[2]  罗军宏，谢余强，舒辉，张有为．LWIP 在 µC/OS-II 操作系统中的实现［Ｊ］，微计算 机信息，2005，7-2：46-47

[3]  Adam Dunkels Ethernetif.c in LWIP source code

[4]  Adam  Dunkels  果农  译.  Lwip 协议栈的设计与实现  (中文版).  Swedish  Institute  of Computer Science

[5]  Cirrus Logic,Inc.．CS8900A Product Data Sheet