大神教你：嵌入式LWIP網絡客戶端設計

引言

嵌入式技術的興起使得傳統的基于PC機的互聯網技術優勢不再，嵌入式網絡客戶端與服務端技術成為熱點，而該技術需要移植性高、占用資源小的協議棧，輕量級TCP/IP協議棧LWIP （light weight Internet protocol）比較適合嵌入式設備中存儲容量有限的情況，而且能實現TCP/IP協議棧的基木功能，不影響設備的網絡互聯與傳輸服務。輕量級網絡協議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、技術較成熟的操作系統，本文采用uC/OS-II操作系統設計網絡客戶端。實驗結果表明：ping 32字節的數據，其收發正確，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，通過以太網控制器EN28J60和RJ45 接口連接互聯網，而且為了進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物理層PHY芯片就可以實現一個完整的以太網收發器;在時鐘信號方面，只需用一個25MHz的晶振就可以給整個主控制器提供時鐘，而主控制器還能輸出一個25MHz或50MHz的時鐘，交外部物理層PHY層芯片使用，這樣可以為系統節省一個附加晶振［6］。

以太網控制器是ENC28J60，它符合IEEE802. 3協議的全部規范，可以利用健全的包過濾機制對輸入的數據包進行限制。集成了DMA模塊，支持數據的高速吞吐率，并結合硬件實現IP地址校驗和計算。它和主控器的通信依賴于兩個中斷管腳和SPI總線實現，數據傳輸速率高達10 MB/s，為了觀察數據傳輸的活動狀態，可以在兩個專用的引腳接上發光二極管［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的源文件，包含os_cpu_c.c，os_cpu_a.s，os_cpu.h三個文件。其中os_cpu.h文件負責定義與編譯器相關的數據類型、堆棧類型，另外還有幾個宏定義和函數聲明，在進行移植工作時，由于對一個相同的數據類型，不同的編譯器所支持的數據長度卻不相同，所以需要修改原來的數據類型。os_cpu_a.s文件主要負責定義與處理器相關的任務切換函數，實現任務上下文的切換以滿足任務調度時的需要，另外還定義了時鐘中斷處理函數和進退臨界區宏指令。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行任務切換或中斷時對相關操作數據進行堆棧保護，另外還定義了相關的HOOK函數。

首先修改os_cpu_a.asm文件，將原來的RSEG CODE:CODE:NOROOT（2）改成：

THUMB ;Thumb指令集

REQUIRE8 ;說明當前文件是八字節對齊堆棧需求

PRESERVE8 ;說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 輕量級協議棧LWIP的移植

LWIP是輕量級的TCP/IP協議棧，協議棧中涉及的函數與數據結構和操作系統及硬件不相關，如果需要使用uC/OS-II操作系統的函數，必須通過操作系統模擬層進行調用。所以移植LWIP協議棧，實際上就是移植到uC/OS-II操作系統。操作系統模擬層為定時器、同步處理、消息傳送機制等服務提供一組外留的接口函數，為LwIP提供兩種進程間通信方式：信號量和郵箱。創建任務函數、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，進行針對LwIP的移植任務時，就是修改相關接口函數（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個字節，基于LWIP的以太網接收的數據包格式以一個數據結構來描述：PACK_STRUCT_BEGIN

struct eth_hdr {

PACK_STRUCT_FIELD（struct eth_addr dest）; //目標的媒質接入控制層地址

PACK_STRUCT_FIELD（struct eth_addr src）; //源的媒質接入控制層地址

PACK_STRUCT_FIELD（u16_t type）; //類型

} PACK_STRUCT_STRUCT;

PACK_STRUCT_END

其中幾個PACK_STRUCT_xxx 的宏定義與編譯器字對齊相關，上面的目標dest、源src和類型type三個字段分別對應目標的媒質接入控制層地址、源的媒質接入控制層地址、數據類型。