基于 LWIP 的嵌入式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)
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ARM（Advanced RISC Machines）是目前在嵌入式領(lǐng)域里應(yīng)用最廣泛的 RISC 微處理器 結(jié)構(gòu)，以低成本、低功耗、高性能的特點(diǎn)占據(jù)了嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，已遍及工業(yè)控制、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場。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(yīng)用于小型掌上設(shè)備嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用而提供的微控制解決方案。SMDK2410 開發(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(xiàn)在已有多款操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)其的支持，包括 Linux、 VxWork、WinCE、C/OS-II 等。其中 C/OS-II 以其源碼公開、代碼精簡（全部僅 6000 余 行），高效穩(wěn)定，移植性好，可裁剪等特點(diǎn)，正在不斷擴(kuò)大影響力。但是，？C/OS-II 只提供 了基本的操作系統(tǒng)功能，例如進(jìn)程調(diào)度、同步、進(jìn)程通信等，卻不提供一般操作系統(tǒng)都提供的如文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)等功能，一定程度上限制了其使用。
LWIP是開放源代碼的獨(dú)立TCP/IP協(xié)議棧，由瑞士計(jì)算機(jī)科學(xué)院的 Adam unkels 等開 發(fā)，其目的是在支持比較完整的TCP/IP協(xié)議的基礎(chǔ)上減少代碼尺寸，同時(shí)減少對(duì)存儲(chǔ)器的使 用量，并且其移植接口簡潔清晰，便于添加入其它操作系統(tǒng)中。
本文以SMDK2410開發(fā)板為硬件平臺(tái)，構(gòu)建了一個(gè)以C/OS-II和LWIP為基礎(chǔ)的軟件系 統(tǒng)，并給出了一個(gè)在該系統(tǒng)上的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)應(yīng)用程序，從而實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整的嵌入式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
1 整體介紹 本嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，在最終運(yùn)行于SMDK2410開發(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、用戶應(yīng)用程序、C/OS-II操作系統(tǒng)、LWIP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 棧、CS8900A網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序：
由于各部分相對(duì)的獨(dú)立性，為了能使其協(xié)同工作，要實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊之間的接口，這需要做五部分的工作
編寫SMDK2410開發(fā)板初始化代碼，在系統(tǒng)啟動(dòng)后初始化硬件，為軟件提供運(yùn)行 環(huán)境。
移植C/OS-II到SMDK2410開發(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LWIP實(shí)現(xiàn)與操作系統(tǒng)相關(guān)的接口函數(shù)。
編寫CS8900A網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)支持LWIP，即為LWIP實(shí)現(xiàn)底層硬件數(shù)據(jù)接收功能。
基于LWIP和C/OS-II提供的系統(tǒng)函數(shù)，編寫用戶網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。
２ 軟件系統(tǒng)各部分介紹
2.1 初始化硬件平臺(tái) 初始化代碼的目的是使系統(tǒng)硬件環(huán)境處于一個(gè)合適的狀態(tài)，從而為執(zhí)行操作系統(tǒng)做好準(zhǔn)備，它是整個(gè)軟件系統(tǒng)最開始運(yùn)行的程序。主要包括以下工作，由匯編文件 init.S 實(shí)現(xiàn)：
中斷向量表的建立：ARM要求中斷向量表必須放置在從0X0地址開始，連續(xù)4byte 的空間內(nèi)。每當(dāng)一個(gè)中斷發(fā)生以后，ARM處理器便強(qiáng)制把PC指針置為向量表中對(duì) 應(yīng)中斷類型的地址值。中斷向量表的建立是通過一系列的跳轉(zhuǎn)指令b來完成的，一 般如下：
b
ResetHandler
//加電和復(fù)位處理函數(shù)的地址
b
HandlerIRQ
//通用中斷服務(wù)函數(shù)的地址
b
HandlerFIQ
//快速中斷處理函數(shù)的地址
……
內(nèi)部寄存器的設(shè)置：主要完成對(duì) S3C2410 芯片中的時(shí)鐘管理、電源管理（包括掉電與重啟處理）、內(nèi)存管理等。這部分工作在 ResetHandler 處理函數(shù)中完成，以 下兩部分工作也是在此函數(shù)中實(shí)現(xiàn)的。
堆棧的初始化：因?yàn)?ARM 有 7 種執(zhí)行狀態(tài)，每一種狀態(tài)的堆棧指針寄存器（SP） 都是獨(dú)立的。因此，對(duì)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(nèi)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(shè)置，因?yàn)檫M(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(duì)接下去的程序執(zhí)行造成影響。
代碼的搬移：全部可執(zhí)行代碼最初被燒寫在了硬件電路板中的只讀 NorFlash 中， 雖然 CPU 可以直接從中執(zhí)行，但是速度較慢，所以，要將可執(zhí)行的代碼搬移到系統(tǒng) RAM 中，以提高運(yùn)行速度。
程序跳轉(zhuǎn)：在初始化代碼的最后，會(huì)通過跳轉(zhuǎn)指令啟動(dòng)軟件系統(tǒng)的 main（）函數(shù)。
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(diào)度器，并提供了和多任務(wù)調(diào)度相關(guān)的一些 系統(tǒng)服務(wù)，如信號(hào)量、郵箱等，大部分代碼由 C 語言編寫，硬件獨(dú)立。相對(duì)于移植工作而言，除一些類型定義等工作外，主要集中在多任務(wù)切換的實(shí)現(xiàn)上，這需要依據(jù)特定處理器結(jié) 構(gòu)使用匯編語言實(shí)現(xiàn)處理器現(xiàn)場的保護(hù)和恢復(fù)。全部工作包括在對(duì)三個(gè)與體系結(jié)構(gòu)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 語句定義的、與處理器相關(guān)的常 數(shù)、宏以及數(shù)據(jù)類型。我們要根據(jù)具體的處理器和編譯器重寫，主要包括數(shù)據(jù)類型 的重新定義、堆棧單位和增長方向的設(shè)定，以及開關(guān)中斷的宏定義和任務(wù)切換的宏 定義。
OS_CPU_C.C 文件 ：當(dāng) C/OS-II 進(jìn)行任務(wù)切換或中斷時(shí)要保護(hù) 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(shù)，即設(shè)定了要保護(hù)的每一個(gè) 寄存器在堆棧中，使堆棧如同中斷剛發(fā)生過一樣。此外還有一些 HOOK 函數(shù)，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(tǒng)，在進(jìn)行任務(wù)調(diào)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(shù)在這個(gè)文件中定義，此外還有時(shí) 鐘中斷處理函數(shù)和進(jìn)退臨界區(qū)宏指令也需要在此文件中實(shí)現(xiàn)。
2.3 LWIP 在 C/OS-II 上的移植
LWIP是獨(dú)立的TCP/IP協(xié)議棧，代碼中沒有使用和操作系統(tǒng)及硬件相關(guān)的函數(shù)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而是當(dāng)需要這樣的函數(shù)時(shí)，通過操作系統(tǒng)模擬層加以使用。操作系統(tǒng)模擬層向諸如定時(shí) 器、處理同步、消息傳送機(jī)制等的操作系統(tǒng)服務(wù)提供一套統(tǒng)一的接口。原則上，移植LWIP 到其他操作系統(tǒng)時(shí)，僅僅需要實(shí)現(xiàn)適合該操作系統(tǒng)的操作系統(tǒng)模擬層，它包括以下這些函數(shù)[2]：
sys_init（） //初始化接口函數(shù)
sys_arch_timeouts（） //定時(shí)器接口函數(shù)
sys_sem_new（） //創(chuàng)建信號(hào)量接口函數(shù)
sys_sem_signal（） //發(fā)送信號(hào)量接口函數(shù)
sys_arch_sem_wait（） //等待信號(hào)量接口函數(shù)
sys_sem_free（） //釋放信號(hào)量接口函數(shù)
sys_mbox_t sys_mbox_new（） //創(chuàng)建消息郵箱接口函數(shù)
sys_mbox_post（） //發(fā)送消息接口函數(shù)
sys_arch_mbox_fetch（） //取得消息接口函數(shù)
sys_mbox_free（） //釋放消息郵箱接口函數(shù)
sys_thread_new（） //創(chuàng)建線程接口函數(shù)
這些函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，基本上是根據(jù) ?C/OS-II 操作系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，重定義這些函數(shù) 中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如 sys_sem_t、sys_mbox_t 等，再封裝 ?C/OS-II 操作系統(tǒng)相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用函 數(shù)來完成的。以接口函數(shù) sys_sem_new（）為例，其實(shí)現(xiàn)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(hào)量創(chuàng)建函數(shù)，可以看到是通過封裝 ?C/OS-II 操作系統(tǒng)的信號(hào) 量創(chuàng)建函數(shù) OSSemCreate（）來完成的，其中使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) sys_sem_t 也被重定義如下：
typedef OS_EVENT* sys_sem_t;
其中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) OS_EVENT 同樣為 C/OS-II 操作系統(tǒng)所有，其它函數(shù)的實(shí)現(xiàn)與此類似，不再重復(fù)。
此外，為支持操作系統(tǒng)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(shù)據(jù)長度、字的高低位順序等，這些應(yīng)該與實(shí)現(xiàn) C/OS-II 時(shí)相一致。
2.4 CS8900A 芯片驅(qū)動(dòng)程序?qū)?LWIP 的支持對(duì)于 LWIP 來說，它同樣為網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)提供了一個(gè)移植接口，它使用 netif 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)代表 網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)層，此數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(qū)動(dòng)程序會(huì)共用一個(gè)這樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了兩者的聯(lián)系。其中
output（ ）函數(shù)提供給 LWIP 的 IP 模塊，linkoutput（ ）函數(shù)提供給 LWIP 的 ARP 模塊。LWIP 的
驅(qū)動(dòng)編寫 示例 [3] 指出， output（ ） 函封裝 了 LWIP 中 ARP 模塊的數(shù)據(jù) 發(fā)送函 數(shù) etharp_output（ ），此函數(shù)最終會(huì)調(diào)用到 linkoutput（ ）函數(shù)，即 linkoutput（ ）函數(shù)是實(shí)際的數(shù) 據(jù)發(fā)送函數(shù)（這個(gè)函數(shù)由網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)）。另一方面，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)的中斷處理函數(shù)接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包后，也會(huì)調(diào)用此結(jié)構(gòu)中的 input（ ）函數(shù)（這個(gè)函數(shù)由 LWIP 實(shí)現(xiàn)），將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)交給 LWIP。接口結(jié)構(gòu)[4]如圖 2 所示：
具體在為 LWIP 編寫網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序時(shí)我們要實(shí)現(xiàn)以下函數(shù)：
初始化函數(shù)：init（ ）
在這個(gè)函數(shù)里，主要的任務(wù)就是初始化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) netif，包擴(kuò)硬件地址、最大傳輸 單元 mtu 和 state（指向設(shè)備驅(qū)動(dòng)中網(wǎng)絡(luò)接口的特定狀態(tài)）以及 output（ ）函數(shù)、linkoutput（ ）函數(shù)和 input（ ）函數(shù)等。
數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)：output（ ）
此函數(shù)只是簡單的封裝了 LWIP 中 ARP 模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù) etharp_output（ ）。
數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)：linkoutput（ ）
這是真正的網(wǎng)卡數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)，output（ ）函數(shù)最終會(huì)調(diào)用到此函數(shù)。它將上層傳遞 來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到 CS8900A 網(wǎng)卡芯片上，使網(wǎng)卡將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。
中斷函數(shù)：net_isr（ ）
CS8900A 芯片將其要求的所有中斷事件放在中斷狀態(tài)隊(duì)列寄存器 ISQ 中，所以當(dāng) 其產(chǎn)生中斷要求 CPU 處理時(shí)，中斷處理函數(shù)要循環(huán)處理 CS8900A 芯片的 ISQ，判斷 中斷事件類型，然后做相應(yīng)處理。例如，如果是數(shù)據(jù)接收事件，則將數(shù)據(jù)從網(wǎng)卡中轉(zhuǎn)移到內(nèi)存，在必要處理后，調(diào)用 netif 中的 input（ ）函數(shù)將數(shù)據(jù)遞交給 LWIP 層。 整體驅(qū)動(dòng)程序由 CS8900A.c 實(shí)現(xiàn)，簡要流程圖[5]如圖 3 所示：
3 應(yīng)用
在完成上述工作后，一個(gè)嵌入式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的軟件平臺(tái)基本完成。在這樣的一個(gè)軟件平臺(tái) 上，通過調(diào)用 LWIP 提供的函數(shù)，即可以開發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。本文編寫了一個(gè) web 服務(wù)器應(yīng) 用程序，將主機(jī)與 SMDK 開發(fā)板連入局域網(wǎng)環(huán)境下，從主機(jī) IE 瀏覽器敲入 SMDK2410 開發(fā)板 IP 地址后，可瀏覽 SMDK2410 開發(fā)板提供的 http 網(wǎng)頁，如圖 4 所示。
4 結(jié)束語
目前，基于 S3C2410 芯片的 SMDK2410 開發(fā)板在國內(nèi)嵌入式教育領(lǐng)域正得到越來越 廣泛的使用，本文給出了基于此硬件平臺(tái)的 ?C/OS-II&LWIP 完整移植方案，構(gòu)建了一個(gè)嵌 入式網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并強(qiáng)調(diào)了硬件平臺(tái)初始化和網(wǎng)卡芯片驅(qū)動(dòng)程序的移植和實(shí)現(xiàn)，使得最終的軟件系統(tǒng)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 不同類型的開發(fā)板中運(yùn)行，為基于 ?C/OS-II 和 LWIP 的網(wǎng)絡(luò)研究和應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。
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