嵌入式LWIP網(wǎng)絡(luò )客戶(hù)端設計
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摘要：嵌入式網(wǎng)絡(luò )客戶(hù)端需要移植性高、占用資源小的協(xié)議棧，設計了基于輕量級協(xié)議棧LWIP的網(wǎng)絡(luò )客戶(hù)端。采用STM32處理器作為主控芯片，通過(guò)以太網(wǎng)控制器EN28J60和RJ45接口連接互聯(lián)網(wǎng)，移植了操作系統uC/OS-II和輕量級協(xié)議棧LWIP，最后對客戶(hù)端與主機進(jìn)行聯(lián)機測試。結果表明：通過(guò)主機ping 32字節的數據，4個(gè)包所用的時(shí)間最長(cháng)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(shuō)明輕量級協(xié)議棧LWIP不僅占用資源小，而且滿(mǎn)足嵌入式系統應用的可靠性要求。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/284989.htm引言
嵌入式技術(shù)的興起使得傳統的基于PC機的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢不再，嵌入式網(wǎng)絡(luò )客戶(hù)端與服務(wù)端技術(shù)成為熱點(diǎn)，而該技術(shù)需要移植性高、占用資源小的協(xié)議棧，輕量級TCP/IP協(xié)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(shí)現TCP/IP協(xié)議棧的基木功能，不影響設備的網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)與傳輸服務(wù)[1]。輕量級網(wǎng)絡(luò )協(xié)議LWIP依附的硬件操作系統有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(shù)較成熟的操作系統，本文采用uC/OS-II操作系統設計網(wǎng)絡(luò )客戶(hù)端。實(shí)驗結果表明：ping 32字節的數據，其收發(fā)正確，錯誤率為0%。
1 系統硬件
如圖1所示：硬件采用STM32處理器作為主控芯片，通過(guò)以太網(wǎng)控制器EN28J60和RJ45接口連接互聯(lián)網(wǎng)，而且為了進(jìn)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(jìn)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(wǎng)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(gè)物理層PHY芯片就可以實(shí)現一個(gè)完整的以太網(wǎng)收發(fā)器;在時(shí)鐘信號方面，只需用一個(gè)25MHz的晶振就可以給整個(gè)主控制器提供時(shí)鐘，而主控制器還能輸出一個(gè)25MHz或50MHz的時(shí)鐘，交外部物理層PHY層芯片使用，這樣可以為系統節省一個(gè)附加晶振[6]。
以太網(wǎng)控制器是ENC28J60，它符合IEEE802. 3協(xié)議的全部規范，可以利用健全的包過(guò)濾機制對輸入的數據包進(jìn)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(shí)現IP地址校驗和計算。它和主控器的通信依賴(lài)于兩個(gè)中斷管腳和SPI總線(xiàn)實(shí)現，數據傳輸速率高達10 MB/s，為了觀(guān)察數據傳輸的活動(dòng)狀態(tài)，可以在兩個(gè)專(zhuān)用的引腳接上發(fā)光二極管[7]。
2 操作系統移植
操作系統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(guān)的源文件，包含os_cpu_c.c,os_cpu_a.s，os_cpu.h三個(gè)文件。其中os_cpu.h文件負責定義與編譯器相關(guān)的數據類(lèi)型、堆棧類(lèi)型，另外還有幾個(gè)宏定義和函數聲明，在進(jìn)行移植工作時(shí)，由于對一個(gè)相同的數據類(lèi)型，不同的編譯器所支持的數據長(cháng)度卻不相同，所以需要修改原來(lái)的數據類(lèi)型。os_cpu_a.s文件主要負責定義與處理器相關(guān)的任務(wù)切換函數，實(shí)現任務(wù)上下文的切換以滿(mǎn)足任務(wù)調度時(shí)的需要，另外還定義了時(shí)鐘中斷處理函數和進(jìn)退臨界區宏指令。os_cpu_c.c文件主要負責定義堆棧的初始化函數，以利于操作系統在進(jìn)行任務(wù)切換或中斷時(shí)對相關(guān)操作數據進(jìn)行堆棧保護，另外還定義了相關(guān)的HOOK函數。
首先修改os_cpu_a.asm文件，將原來(lái)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，則字節數為2^n，故此處ALIGN=2表示對齊4字節。)
THUMB ;Thumb指令集
REQUIRE8 ;說(shuō)明當前文件是八字節對齊堆棧需求
PRESERVE8 ;說(shuō)明當前文件屬于八字節對齊堆棧
修改os_cpu.h文件，注釋掉下面的這三個(gè)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(xié)議棧LWIP的移植
LWIP是輕量級的TCP/IP協(xié)議棧，協(xié)議棧中涉及的函數與數據結構和操作系統及硬件不相關(guān)，如果需要使用uC/OS-II操作系統的函數，必須通過(guò)操作系統模擬層進(jìn)行調用。所以移植LWIP協(xié)議棧，實(shí)際上就是移植到uC/OS-II操作系統。操作系統模擬層為定時(shí)器、同步處理、消息傳送機制等服務(wù)提供一組外留的接口函數，為L(cháng)wIP提供兩種進(jìn)程間通信方式：信號量和郵箱。創(chuàng )建任務(wù)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(jìn)行針對LwIP的移植任務(wù)時(shí)，就是修改相關(guān)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(shí)現LwIP操作系統模擬層的函數利用[4~5]。
LWIP的數據包包頭是14個(gè)字節，基于LWIP的以太網(wǎng)接收的數據包格式以一個(gè)數據結構來(lái)描述：PACK_STRUCT_BEGIN
struct eth_hdr {
PACK_STRUCT_FIELD(struct eth_addr dest); //目標的媒質(zhì)接入控制層地址
PACK_STRUCT_FIELD(struct eth_addr src); //源的媒質(zhì)接入控制層地址
PACK_STRUCT_FIELD(u16_t type); //類(lèi)型
} PACK_STRUCT_STRUCT;
PACK_STRUCT_END
其中幾個(gè)PACK_STRUCT_xxx 的宏定義與編譯器字對齊相關(guān)，上面的目標dest、源src和類(lèi)型type三個(gè)字段分別對應目標的媒質(zhì)接入控制層地址、源的媒質(zhì)接入控制層地址、數據類(lèi)型。
4 結論
測試前需要把計算機與嵌入式網(wǎng)口模塊的IP地址配置在同一網(wǎng)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，執行ipconfig/all命令。配置完以后，接著(zhù)ping嵌入式網(wǎng)口的IP地址，結果如圖2所示。
從圖2可以看出：主機ping 32字節的數據，4個(gè)包所用的時(shí)間最長(cháng)為5ms，最短為3ms;而4個(gè)包的TTL值均為255， 這是由于最優(yōu)路徑選擇算法定下來(lái)以后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間穩定后，網(wǎng)絡(luò )拓撲結構也穩定了，數據包的路由路徑也會(huì )相應穩定在一個(gè)最優(yōu)路徑上。整個(gè)過(guò)程的數據收發(fā)正確，錯誤率為0%。
參考文獻：
[1]張齊,勞熾元. 輕量級協(xié)議棧LWIP的分析與改進(jìn)[J]. 計算機工程與設計，2010,31(10): 2169-2256
[2]方瓊瓊，李正平. 基于Rt-thread的嵌入式串口服務(wù)器的設計與實(shí)現[J]. 電腦知識與技術(shù)，2012,8(10):2425-2428
[3]陳希超,王健. 基于RT-Thread的嵌入式網(wǎng)絡(luò )通信[J]. 電聲技術(shù),2012,36 (12):49-56
[4]楊俊,呂建平,徐峰柳. 基于uC/OS-II和LwIP的嵌入式Web服務(wù)器實(shí)現[J]. 電氣自動(dòng)化,2011,33(3):62-64
[5]趙國鋒,馬文武. 基于LWIP的嵌入式網(wǎng)絡(luò )系統設計與實(shí)現[J]. 微計算機信息, 2008,24(8-2):59-61
[6]songhexin8, STM32F107中國版用戶(hù)手冊[EB/OL][2012-12-06]. http://wenku.baidu.com/link?url=EFDU6p5iPaoci3mzJ2tuIZeBX2av1kMKc41_nYDXF4Ow4F0tOlf6QtxaweJ94hHYa5fEVL0wo67NMMs7bySVm_coWhCitXFfKRlCjfH-NZa
[7]高吉星,趙強,佟為明.基于ENC28J60的TMS320F2812以太網(wǎng)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(xué)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(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第1期第39頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。
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