基于 LWIP 的嵌入式網(wǎng)絡(luò )系統設計和實(shí)現

ARM（Advanced RISC Machines）是目前在嵌入式領(lǐng)域里應用最廣泛的 RISC 微處理器 結構，以低成本、低功耗、高性能的特點(diǎn)占據了嵌入式系統應用領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，已遍及工業(yè)控制、消費類(lèi)電子產(chǎn)品、通信系統、網(wǎng)絡(luò )系統、無(wú)線(xiàn)系統等各類(lèi)產(chǎn)品市場(chǎng)。S3C2410 芯 片是由韓國 SAMSUNG 公司推出的基于 ARM920T 核的通用處理器，是為應用于小型掌上設備嵌入式系統應用而提供的微控制解決方案。SMDK2410 開(kāi)發(fā)板是 SAMSUNG 公司推出 的基于此芯片的示例板，其網(wǎng)絡(luò )部分使用的是 CS8900A 芯片。

鑒于 ARM 處理器多方面的優(yōu)勢，現在已有多款操作系統實(shí)現了對其的支持，包括 Linux、 VxWork、WinCE、C/OS-II 等。其中 C/OS-II 以其源碼公開(kāi)、代碼精簡(jiǎn)（全部?jì)H 6000 余 行），高效穩定，移植性好，可裁剪等特點(diǎn)，正在不斷擴大影響力。但是，？C/OS-II 只提供 了基本的操作系統功能，例如進(jìn)程調度、同步、進(jìn)程通信等，卻不提供一般操作系統都提供的如文件系統、網(wǎng)絡(luò )等功能，一定程度上限制了其使用。

LWIP是開(kāi)放源代碼的獨立TCP/IP協(xié)議棧，由瑞士計算機科學(xué)院的 Adam unkels 等開(kāi) 發(fā)，其目的是在支持比較完整的TCP/IP協(xié)議的基礎上減少代碼尺寸，同時(shí)減少對存儲器的使 用量，并且其移植接口簡(jiǎn)潔清晰，便于添加入其它操作系統中。

本文以SMDK2410開(kāi)發(fā)板為硬件平臺，構建了一個(gè)以C/OS-II和LWIP為基礎的軟件系 統，并給出了一個(gè)在該系統上的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)應用程序，從而實(shí)現了一個(gè)完整的嵌入式網(wǎng)絡(luò )系統。

1 整體介紹 本嵌入式系統體系結構如圖1所示，在最終運行于SMDK2410開(kāi)發(fā)板上的軟件實(shí)際上包含五部分，分別是：硬件初始化程序、用戶(hù)應用程序、C/OS-II操作系統、LWIP網(wǎng)絡(luò )協(xié)議 棧、CS8900A網(wǎng)卡驅動(dòng)程序：

由于各部分相對的獨立性，為了能使其協(xié)同工作，要實(shí)現各個(gè)模塊之間的接口，這需要做五部分的工作

編寫(xiě)SMDK2410開(kāi)發(fā)板初始化代碼，在系統啟動(dòng)后初始化硬件，為軟件提供運行 環(huán)境。

移植C/OS-II到SMDK2410開(kāi)發(fā)板，即為C/OS-II添加硬件相關(guān)代碼。

移植LWIP到C/OS-II，即為L(cháng)WIP實(shí)現與操作系統相關(guān)的接口函數。

編寫(xiě)CS8900A網(wǎng)卡驅動(dòng)支持LWIP，即為L(cháng)WIP實(shí)現底層硬件數據接收功能。

基于LWIP和C/OS-II提供的系統函數，編寫(xiě)用戶(hù)網(wǎng)絡(luò )應用程序。

２ 軟件系統各部分介紹

2.1 初始化硬件平臺 初始化代碼的目的是使系統硬件環(huán)境處于一個(gè)合適的狀態(tài)，從而為執行操作系統做好準備，它是整個(gè)軟件系統最開(kāi)始運行的程序。主要包括以下工作，由匯編文件 init.S 實(shí)現：

中斷向量表的建立：ARM要求中斷向量表必須放置在從0X0地址開(kāi)始，連續4byte 的空間內。每當一個(gè)中斷發(fā)生以后，ARM處理器便強制把PC指針置為向量表中對 應中斷類(lèi)型的地址值。中斷向量表的建立是通過(guò)一系列的跳轉指令b來(lái)完成的，一 般如下：

b

ResetHandler

//加電和復位處理函數的地址

b

HandlerIRQ

//通用中斷服務(wù)函數的地址

b

HandlerFIQ

//快速中斷處理函數的地址

……

內部寄存器的設置：主要完成對 S3C2410 芯片中的時(shí)鐘管理、電源管理（包括掉電與重啟處理）、內存管理等。這部分工作在 ResetHandler 處理函數中完成，以 下兩部分工作也是在此函數中實(shí)現的。

堆棧的初始化：因為 ARM 有 7 種執行狀態(tài)，每一種狀態(tài)的堆棧指針寄存器（SP） 都是獨立的。因此，對程序中需要用到的每一種模式都要給 SP 定義一個(gè)堆棧地址。 方法是改變狀態(tài)寄存器內的狀態(tài)位，使處理器切換到不同的狀態(tài)，然后給 SP 賦值。 注意：不要切換到 User 模式進(jìn)行 User 模式的堆棧設置，因為進(jìn)入 User 模式后就 不能再操作 CPSR 回到別的模式了，可能會(huì )對接下去的程序執行造成影響。

代碼的搬移：全部可執行代碼最初被燒寫(xiě)在了硬件電路板中的只讀 NorFlash 中， 雖然 CPU 可以直接從中執行，但是速度較慢，所以，要將可執行的代碼搬移到系統 RAM 中，以提高運行速度。

程序跳轉：在初始化代碼的最后，會(huì )通過(guò)跳轉指令啟動(dòng)軟件系統的 main（）函數。

2.2 C/OS-II 在 S3C2410 芯片上的移植

C/OS-II 實(shí)際上可以看作是一個(gè)多任務(wù)的調度器，并提供了和多任務(wù)調度相關(guān)的一些 系統服務(wù)，如信號量、郵箱等，大部分代碼由 C 語(yǔ)言編寫(xiě)，硬件獨立。相對于移植工作而言，除一些類(lèi)型定義等工作外，主要集中在多任務(wù)切換的實(shí)現上，這需要依據特定處理器結 構使用匯編語(yǔ)言實(shí)現處理器現場(chǎng)的保護和恢復。全部工作包括在對三個(gè)與體系結構相關(guān)文件[1]的修改上，具體如下：

OS_CPU.H 文件：這個(gè)文件中包括了用＃define 語(yǔ)句定義的、與處理器相關(guān)的常 數、宏以及數據類(lèi)型。我們要根據具體的處理器和編譯器重寫(xiě)，主要包括數據類(lèi)型 的重新定義、堆棧單位和增長(cháng)方向的設定，以及開(kāi)關(guān)中斷的宏定義和任務(wù)切換的宏 定義。

OS_CPU_C.C 文件 ：當 C/OS-II 進(jìn)行任務(wù)切換或中斷時(shí)要保護 CPU 的寄存器 到任務(wù)堆棧，在這個(gè)文件中定義了該堆棧的初始化函數，即設定了要保護的每一個(gè) 寄存器在堆棧中，使堆棧如同中斷剛發(fā)生過(guò)一樣。此外還有一些 HOOK 函數，必須 聲明。

OS_CPU_A.S 文件：C/OS-II 是多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統，在進(jìn)行任務(wù)調度時(shí)需要切換任務(wù)上下文，這些和處理器相關(guān)的任務(wù)切換函數在這個(gè)文件中定義，此外還有時(shí) 鐘中斷處理函數和進(jìn)退臨界區宏指令也需要在此文件中實(shí)現。

2.3 LWIP 在 C/OS-II 上的移植

LWIP是獨立的TCP/IP協(xié)議棧，代碼中沒(méi)有使用和操作系統及硬件相關(guān)的函數與數據結構，而是當需要這樣的函數時(shí)，通過(guò)操作系統模擬層加以使用。操作系統模擬層向諸如定時(shí) 器、處理同步、消息傳送機制等的操作系統服務(wù)提供一套統一的接口。原則上，移植LWIP 到其他操作系統時(shí)，僅僅需要實(shí)現適合該操作系統的操作系統模擬層，它包括以下這些函數[2]：

sys_init（） //初始化接口函數

sys_arch_timeouts（） //定時(shí)器接口函數

sys_sem_new（） //創(chuàng )建信號量接口函數

sys_sem_signal（） //發(fā)送信號量接口函數

sys_arch_sem_wait（） //等待信號量接口函數

sys_sem_free（） //釋放信號量接口函數

sys_mbox_t sys_mbox_new（） //創(chuàng )建消息郵箱接口函數

sys_mbox_post（） //發(fā)送消息接口函數

sys_arch_mbox_fetch（） //取得消息接口函數

sys_mbox_free（） //釋放消息郵箱接口函數

sys_thread_new（） //創(chuàng )建線(xiàn)程接口函數

這些函數的實(shí)現，基本上是根據 ?C/OS-II 操作系統的相關(guān)數據結構，重定義這些函數 中的數據結構如 sys_sem_t、sys_mbox_t 等，再封裝 ?C/OS-II 操作系統相應的系統調用函 數來(lái)完成的。以接口函數 sys_sem_new（）為例，其實(shí)現如下：

sys_sem_t sys_sem_new（u8_t count）

{

sys_sem_t pSem;

pSem = OSSemCreate（（u16_t）count ）；

return pSem;

}

在 LWIP 中使用的這個(gè)信號量創(chuàng )建函數，可以看到是通過(guò)封裝 ?C/OS-II 操作系統的信號 量創(chuàng )建函數 OSSemCreate（）來(lái)完成的，其中使用的數據結構 sys_sem_t 也被重定義如下：

typedef OS_EVENT* sys_sem_t;

其中數據結構 OS_EVENT 同樣為 C/OS-II 操作系統所有，其它函數的實(shí)現與此類(lèi)似，不再重復。

此外，為支持操作系統模擬層，還需要建立 cc.h 、perf.h 文件，完成與 CPU 或編譯器 相關(guān)的定義，如數據長(cháng)度、字的高低位順序等，這些應該與實(shí)現 C/OS-II 時(shí)相一致。

2.4 CS8900A 芯片驅動(dòng)程序對 LWIP 的支持對于 LWIP 來(lái)說(shuō)，它同樣為網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)提供了一個(gè)移植接口，它使用 netif 數據結構代表 網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)層，此數據結構部分如下：

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 和網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序會(huì )共用一個(gè)這樣的數據結構，從而實(shí)現了兩者的聯(lián)系。其中

output（ ）函數提供給 LWIP 的 IP 模塊，linkoutput（ ）函數提供給 LWIP 的 ARP 模塊。LWIP 的

驅動(dòng)編寫(xiě) 示例 [3] 指出， output（ ） 函封裝 了 LWIP 中 ARP 模塊的數據 發(fā)送函 數 etharp_output（ ），此函數最終會(huì )調用到 linkoutput（ ）函數，即 linkoutput（ ）函數是實(shí)際的數 據發(fā)送函數（這個(gè)函數由網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序實(shí)現）。另一方面，當網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)的中斷處理函數接收到一個(gè)數據包后，也會(huì )調用此結構中的 input（ ）函數（這個(gè)函數由 LWIP 實(shí)現），將數據轉交給 LWIP。接口結構[4]如圖 2 所示：

具體在為 LWIP 編寫(xiě)網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序時(shí)我們要實(shí)現以下函數：

初始化函數：init（ ）

在這個(gè)函數里，主要的任務(wù)就是初始化數據結構 netif，包擴硬件地址、最大傳輸 單元 mtu 和 state（指向設備驅動(dòng)中網(wǎng)絡(luò )接口的特定狀態(tài)）以及 output（ ）函數、linkoutput（ ）函數和 input（ ）函數等。

數據發(fā)送函數：output（ ）

此函數只是簡(jiǎn)單的封裝了 LWIP 中 ARP 模塊的數據發(fā)送函數 etharp_output（ ）。

數據發(fā)送函數：linkoutput（ ）

這是真正的網(wǎng)卡數據發(fā)送函數，output（ ）函數最終會(huì )調用到此函數。它將上層傳遞 來(lái)的數據轉移到 CS8900A 網(wǎng)卡芯片上，使網(wǎng)卡將數據發(fā)送到網(wǎng)絡(luò )上。

中斷函數：net_isr（ ）

CS8900A 芯片將其要求的所有中斷事件放在中斷狀態(tài)隊列寄存器 ISQ 中，所以當 其產(chǎn)生中斷要求 CPU 處理時(shí)，中斷處理函數要循環(huán)處理 CS8900A 芯片的 ISQ，判斷 中斷事件類(lèi)型，然后做相應處理。例如，如果是數據接收事件，則將數據從網(wǎng)卡中轉移到內存，在必要處理后，調用 netif 中的 input（ ）函數將數據遞交給 LWIP 層。 整體驅動(dòng)程序由 CS8900A.c 實(shí)現，簡(jiǎn)要流程圖[5]如圖 3 所示：

3 應用

在完成上述工作后，一個(gè)嵌入式網(wǎng)絡(luò )系統的軟件平臺基本完成。在這樣的一個(gè)軟件平臺 上，通過(guò)調用 LWIP 提供的函數，即可以開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò )應用程序。本文編寫(xiě)了一個(gè) web 服務(wù)器應 用程序，將主機與 SMDK 開(kāi)發(fā)板連入局域網(wǎng)環(huán)境下，從主機 IE 瀏覽器敲入 SMDK2410 開(kāi)發(fā)板 IP 地址后，可瀏覽 SMDK2410 開(kāi)發(fā)板提供的 http 網(wǎng)頁(yè)，如圖 4 所示。

4 結束語(yǔ)

目前，基于 S3C2410 芯片的 SMDK2410 開(kāi)發(fā)板在國內嵌入式教育領(lǐng)域正得到越來(lái)越 廣泛的使用，本文給出了基于此硬件平臺的 ?C/OS-IILWIP 完整移植方案，構建了一個(gè)嵌 入式網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗系統，并強調了硬件平臺初始化和網(wǎng)卡芯片驅動(dòng)程序的移植和實(shí)現，使得最終的軟件系統可實(shí)際工作。同時(shí)，由于移植的相似性，可以較容易的修改代碼將其移植到其它 不同類(lèi)型的開(kāi)發(fā)板中運行，為基于 ?C/OS-II 和 LWIP 的網(wǎng)絡(luò )研究和應用提供了基礎。