實時操作系統(tǒng)uC/0S II下TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)

時間：2012-08-19 02:15:43

關鍵字：實時操作系統(tǒng) TCP/IP協(xié)議棧 STRUCT RC

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[導讀]實時操作系統(tǒng)uC/0S II下TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)

摘要：結合ez80和ARM7兩種系統(tǒng)上的具體實現(xiàn)，說明了如何在嵌入式實時操作系統(tǒng)uC/0SII上移植實現(xiàn)LwIP這套TCP/IP協(xié)議棧，使uC/0S II成為支持網(wǎng)絡的RTOS。

1 引言

隨著嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡的日益結合，在嵌入式實時操作系統(tǒng)中引入TCP/IP協(xié)議棧，以支持嵌入式設備接入網(wǎng)絡，成為嵌入式領域重要的研究方向。uC/0S II是近年來發(fā)展迅速的一個開放源碼實時操作系統(tǒng)，但它只是一個實時的任務調度及通信內核，缺少對外圍設備和接口的支持，如沒有文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡協(xié)議、圖形界面。筆者在多個嵌入式項目的開發(fā)過程中，以開源TCP/IP協(xié)議棧LwIP為基礎，給uC/0S II加上了網(wǎng)絡支持。下面就以uC/0S II +LwIP分別在8位MCU ez80和32位MCU ARM7TDMI上的實現(xiàn)為例進行說明。

需要說明的是，筆者使用的ez80系統(tǒng)是Zilog公司的ez80190開發(fā)板，自帶網(wǎng)絡芯片。而ARM7系統(tǒng)是使用筆者參與開發(fā)的Skyeye，一個基于GDB的ARM7TDMI指令級軟件仿真器。Skyeye小組最近為Skyeye加上了軟件模擬的Ne2k兼容網(wǎng)絡芯片，可以運行帶網(wǎng)絡支持的μcLinux和uC/0S II。以下的全部相關程序和代碼都可以在Skyeye網(wǎng)站(hpclab.cs.tsinghua.edu.cn/~skyeye/)下載。

2 基于uC/0S II的網(wǎng)絡平臺概述

嵌入式操作系統(tǒng)uC/0S II是一個公開源代碼的占先式多任務的微內核RTOS，其性能和安全性可以與商業(yè)產(chǎn)品競爭。uC/0S II的特點可以概括為以下幾個方面：公開源代碼，代碼結構清晰、明了，注釋詳盡，組織有條理，可移植性好。可裁剪，可固化。內核屬于搶占式，最多可以管理60個任務。uC/0S II自1992年的第一版(uC/0S)以來已經(jīng)有好幾百個應用，是一個經(jīng)實踐證明好用且穩(wěn)定可靠的內核。目前國內對uC/0S II的研究和應用都很多。

TCP/IP是Internet的基本協(xié)議，以其實用性、高效性已經(jīng)成為事實上的工業(yè)標準。嵌入式設備要與Internet網(wǎng)絡直接交換信息，就必須支持TCP/IP協(xié)議。目前嵌入式設備上TCP/IP方案有很多種，但面向低端應用的開源嵌入式網(wǎng)絡平臺還很少見。

uC/0S II是一個富有開放色彩的RTOS，只要買一本書就可獲得源代碼，對學校和教育的使用完全免費，商業(yè)應用的費用相對也很低。但是它目前的一些第三方TCP/IP支持都是完全商業(yè)化的，用戶需要付費才能獲得，很少給出源代碼，這影響了uC/0S II的研究和推廣。通過把開放源代碼的TCP/IP協(xié)議棧LwIP移植到uC/0S II上來，就獲得了一套可免費研究、學習的嵌入式網(wǎng)絡軟件平臺。

3 開源TCP/IP協(xié)議棧LwIP簡介

LwIP是瑞士計算機科學院(Swedish InSTitute of Computer Science)的Adam Dunkels等開發(fā)的一套用于嵌入式系統(tǒng)的開放源代碼TCP/IP協(xié)議棧。LwIP的含義是Light Weight(輕型)IP協(xié)議。LwIP可以移植到操作系統(tǒng)上，也可以在無操作系統(tǒng)的情況下獨立運行。LwIP TCP/IP實現(xiàn)的重點是在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎上減少對RAM的占用，一般它只需要幾十K的RAM和40K左右的ROM就可以運行，這使LwIP協(xié)議棧適合在低端嵌入式系統(tǒng)中使用。

LwIP的特性如下：

(1) 支持多網(wǎng)絡接口下的IP轉發(fā)

(2) 支持ICMP協(xié)議

(3) 包括實驗性擴展的的UDP(用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)

(4) 包括阻塞控制，RTT估算和快速恢復和快速轉發(fā)的TCP(傳輸控制協(xié)議)

(5) 提供專門的內部回調接口(Raw API)用于提高應用程序性能

(6) 可選擇的Berkeley接口API(多線程情況下)

我們目前使用的是LwIP的最新穩(wěn)定版V0.5.3。有關LwIP的詳細內容，可以參考其代碼和網(wǎng)站上的文檔。

4 LwIP在uC/0S II下的實現(xiàn)

4.1 概述

LwIP協(xié)議棧在設計時就考慮到了將來的移植問題，因此把所有與硬件、OS、編譯器相關的部份獨立出來，放在/src/arch目錄下。因此LwIP在uC/0S II上的實現(xiàn)就是修改這個目錄下的文件，其它的文件一般不應該修改。下面分幾部份分別說明相應文件的實現(xiàn)原理和過程。具體的代碼限于篇幅沒有給出，Skyeye網(wǎng)站上有完整的代碼和說明。

4.2 與CPU或編譯器相關的include文件

/src/arch/include/arch目錄下cc.h、CPU.h、perf.h中有一些與CPU或編譯器相關的定義，如數(shù)據(jù)長度，字的高低位順序等。這應該與用戶實現(xiàn)uC/0S II時定義的數(shù)據(jù)長度等參數(shù)是一致的。

#define BYTE_ORDER LITTLE_ENDIAN //ARM7默認為小端存儲系統(tǒng)

//數(shù)據(jù)類型長度的定義

typedef unsigned char u8_t;

typedef signed char s8_t;

typedef unsigned short u16_t;

typedef signed short s16_t;

typedef unsigned int u32_t;

typedef signed int s32_t;

此外還有一點：一般情況下C語言的結構體struct是4字節(jié)對齊的，但是在處理數(shù)據(jù)包的時候，LwIP使用的是通過結構體中不同數(shù)據(jù)的長度來讀取相應的數(shù)據(jù)的，所以，一定要在定義struct的時候使用_packed關鍵字，讓編譯器放棄struct的字節(jié)對齊。LwIP也考慮到了這個問題，所以，在它的結構體定義中有幾個PACKED_FIELD_xxx宏，默認的時候這幾個宏都是空的，可以在移植的時候添加不同的編譯器所對應的_packed關鍵字。比如在Skyeye(ARM7)上對應gcc編譯器的定義：

#define PACK_STRUCT_FIELD(x) x __attribute__((packed))

#define PACK_STRUCT_STRUCT __attribute__((packed))

#define PACK_STRUCT_BEGIN

#define PACK_STRUCT_END

4.3 sys_arch操作系統(tǒng)相關部份

sys_arch.[ch]中的內容是與OS相關的一些結構和函數(shù)，主要可以分為四個部份：

(1) sys_sem_t 信號量

LwIP中需要使用信號量通信，所以在sys_arch中應實現(xiàn)信號量結構體和處理函數(shù)：

struct sys_sem_t

sys_sem_new() //創(chuàng)建一個信號量結構

sys_ sem _free() //釋放一個信號量結構

sys_ sem _signal() //發(fā)送信號量

sys_ arch_sem _wait() //請求信號量

由于uC/0SII已經(jīng)實現(xiàn)了信號量OS_EVENT的各種操作，并且功能和LwIP上面幾個函數(shù)的目的功能是完全一樣的，所以只要把uC/0SII的函數(shù)重新包裝成上面的函數(shù)，就可以直接使用了。

(2) sys_mbox_t 消息

LwIP使用消息隊列來緩沖、傳遞數(shù)據(jù)報文，因此要在sys_arch中實現(xiàn)消息隊列結構sys_mbox_t，以及相應的操作函數(shù)：[!--empirenews.page--]

sys_mbox_new() //創(chuàng)建一個消息隊列

sys_mbox_free() //釋放一個消息隊列

sys_mbox_post() //向消息隊列發(fā)送消息

sys_arch_mbox_fetch() //從消息隊列中獲取消息

uC/0SII同樣實現(xiàn)了消息隊列結構OSQ及其操作，但是uC/0SII沒有對消息隊列中的消息進行管理，因此不能直接使用，必須在uC/0SII的基礎上重新實現(xiàn)。為了實現(xiàn)對消息的管理，我們定義了以下結構：

typedef struct {

OS_EVENT* pQ;

void* pvQEntries[MAX_QUEUE_ENTRIES];

} sys_mbox_t;

在以上結構中，包括OS_EVENT類型的隊列指針(pQ)和隊列內的消息(pvQEntries)兩部分，對隊列本身的管理利用uC/0SII自己的OSQ操作完成，然后使用uC/0SII中的內存管理模塊實現(xiàn)對消息的創(chuàng)建、使用、刪除回收，兩部分綜合起來形成了LwIP的消息隊列功能。

(3) sys_arch_timeout 函數(shù)

LwIP中每個與外界網(wǎng)絡連接的線程都有自己的timeout屬性，即等待超時時間。這個屬性表現(xiàn)為每個線程都對應一個sys_timeout結構體隊列，包括這個線程的timeout時間長度，以及超時后應調用的timeout函數(shù)，該函數(shù)會做一些釋放連接，回收資源的工作。如果一個線程對應的sys_timeout為空(NULL)，說明該線程對連接做永久的等待。

timeout結構體已經(jīng)由LwIP自己在sys.h中定義好了，而且對結構體隊列的數(shù)據(jù)操作也由LwIP負責，我們所要實現(xiàn)的是如下函數(shù)：

struct sys_timeouts * sys_arch_timeouts(void)

這個函數(shù)的功能是返回目前正處于運行態(tài)的線程所對應的timeout隊列指針。timeout隊列屬于線程的屬性，因此是OS相關的函數(shù)，只能由用戶實現(xiàn)。

(4) sys_thread_new 創(chuàng)建新線程

LwIP可以是單線程運行，即只有一個tcpip線程(tcpip_thread)，負責處理所有的tcp/ucp連接，各種網(wǎng)絡程序都通過tcpip線程與網(wǎng)絡交互。但LwIP也可以多線程運行，以提高效率，降低編程復雜度。這時就需要用戶實現(xiàn)創(chuàng)建新線程的函數(shù)：

void sys_thread_new(void (* thread)(void *arg), void *arg);

在uC/0S II中，沒有線程(thread)的概念，只有任務(Task)。它已經(jīng)提供了創(chuàng)建新任務的系統(tǒng)API調用OSTaskCreate，因此只要把OSTaskCreate封裝一下，就可以實現(xiàn)sys_thread_new。需要注意的是LwIP中的thread并沒有uC/0S II中優(yōu)先級的概念，實現(xiàn)時要由用戶事先為LwIP中創(chuàng)建的線程分配好優(yōu)先級。

4.4 lib_arch中庫函數(shù)的實現(xiàn)

LwIP協(xié)議棧中用到了8個外部函數(shù)，這些函數(shù)通常與用戶使用的系統(tǒng)或編譯器有關，因此留給用戶自己實現(xiàn)。如下：

u16_t htONs(u16_t n); //16位數(shù)據(jù)高低字節(jié)交換

u16_t ntohs(u16_t n);

u32_t htonl(u32_t n); //32位數(shù)據(jù)大小頭對調

u32_t ntohl(u32_t n);

int strlen(const char *str); //返回字符串長度

int strncmp(const char *str1, const char *str2, int len); //字符串比較

void bcopy(const void *src, void *dest, int len); //內存數(shù)據(jù)塊之間的互相拷貝

void bzero(void *data, int n); //內存中指定長度的數(shù)據(jù)塊清零

前四個函數(shù)通常由用戶自己實現(xiàn)。Skyeye(ARM7)中，由于使用了gcc編譯器，gcc的lib庫里已經(jīng)有了后四個函數(shù)。而ez80的編譯器函數(shù)庫中缺少bcopy和bzero兩個，需要自己編寫。用戶在其它CPU上實現(xiàn)時應根據(jù)自己的編譯器來決定。

4.5 網(wǎng)絡設備驅動程序

ez80開發(fā)板自帶的網(wǎng)絡芯片為RealTek的8019as芯片，這是ISA 10BASE-T的以太網(wǎng)芯片，與Ne2k兼容。而我們在AT91模擬器Skyeye中所仿真的網(wǎng)絡芯片也是Ne2k，所以目前實現(xiàn)的網(wǎng)絡設備驅動是針對Ne2k的，其它類型的網(wǎng)絡芯片驅動可以在LwIP的網(wǎng)站上找到。LwIP的網(wǎng)絡驅動有一定的模型，/src/netif/ethernetif.c 文件即為驅動的模板，用戶為自己的網(wǎng)絡設備實現(xiàn)驅動時應參照此模板。

在LwIP中可以有多個網(wǎng)絡接口，每個網(wǎng)絡接口都對應了一個struct netif，這個netif包含了相應網(wǎng)絡接口的屬性、收發(fā)函數(shù)。LwIP調用netif的方法netif->input()及netif->output()進行以太網(wǎng)packet的收、發(fā)等操作。在驅動中主要做的，就是實現(xiàn)網(wǎng)絡接口的收、發(fā)、初始化以及中斷處理函數(shù)。驅動程序工作在IP協(xié)議模型的網(wǎng)絡接口層，它提供給上層(IP層)的接口函數(shù)如下：

//網(wǎng)卡初始化函數(shù)

void ethernetif_init(struct netif *netif)

//網(wǎng)卡接收函數(shù)，從網(wǎng)絡接口接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包并把其中的IP報文向IP層發(fā)送

//在中斷方式下由網(wǎng)卡ISR調用

void ethernetif_input(struct netif *netif)

//網(wǎng)卡發(fā)送函數(shù)，給IP層傳過來的IP報文加上以太網(wǎng)包頭并通過網(wǎng)絡接口發(fā)送

err_t ethernetif_output(struct netif *netif, struct pbuf *p, struct ip_addr *ipaddr)

//網(wǎng)卡中斷處理函數(shù)ISR

void ethernetif_isr(void);

以上的函數(shù)都可以分為協(xié)議棧本身的處理和對網(wǎng)絡接口硬件的操作兩部份，但硬件操作是對上層屏蔽的，具體參見RTL8019as、DM9008等Ne2k網(wǎng)絡芯片的數(shù)據(jù)手冊。驅動程序可以到Skyeye或LwIP的網(wǎng)站下載。

5 應用實例的建立和測試

做完上面的移植修改工作以后，就可以在uC/0SII中初始化LwIP，并創(chuàng)建TCP或UDP任務進行測試了。這部份完全是C語言的實現(xiàn)，因此這部份在ez80和ARM7上基本都是一樣的。值得注意的是LwIP的初始化必須在uC/0SII完全啟動之后也就是在任務中進行，因為它的初始化用到了信號量等OS相關的操作。關鍵部份的代碼和說明如下：

main(){

OSInit();

OSTaskCreate(lwip_init_task, &LineNo11, &lwip_init_stk[TASK_STK_SIZE-1], 0);

OSTaskCreate(usr_task,&LineNo12,&usr_stk[TASK_STK_SIZE-1],1);

OSStart();

}

主程序中創(chuàng)建了lwip_init_task初始化LwIP任務(優(yōu)先級0)和usr_task用戶任務(優(yōu)先級1)。lwip_init_task任務中除了初始化硬件時鐘和LwIP之外，還創(chuàng)建了tcpip_thread(優(yōu)先級5)和tcpecho_thread(優(yōu)先級6)。實際上tcpip_thread才是LwIP的主線程，多線程的Berkley API也是基于這個線程實現(xiàn)的，即上面的tcpecho_thread線程也要依靠tcpip_thread線程來與外界通信，這樣做的好處是編程簡單，結構清晰。[!--empirenews.page--]

實用Berkley API實現(xiàn)的tcpecho_thread是一個TCP echo服務器，*7號端口，程序框架如下：

void tcpecho_thread(void *arg){

conn = netconn_new(NETCONN_TCP); //創(chuàng)建新的連接標識

netconn_bind(conn, NULL, 7); //綁定到7號端口

netconn_listen(conn); //開始*端口

while(1){

newconn = netconn_accept(conn); //接收外部到來的連接

buf = netconn_recv(newconn) //獲取數(shù)據(jù)

……. //處理數(shù)據(jù)

netconn_write(newconn, data, len, NETCONN_COPY); //發(fā)送數(shù)據(jù)

netconn_delete(newconn); //釋放本次連接

}