基于 LWIP 的嵌入式网络系统设计与实现

      0 引言

　　ARM(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、网络系统、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/IP协议栈，由瑞士计算机科学院的 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网络协议栈、CS8900A网卡驱动程序：

　　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（SP）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 和网络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 IP 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( )。

　　?　　 数据发送函数：linkoutput( )

　　这是真正的网卡数据发送函数，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 服务器应 用程序，将主机与 SMDK 开发板连入局域网环境下，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。