內(nèi)容摘要：結(jié)合ez80和ARM7兩種系統(tǒng)上的具體實(shí)現(xiàn)，說明了如何在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/0SII上移植實(shí)現(xiàn)LwIP這套TCP/IP協(xié)議棧，使uC/0S II成為支持網(wǎng)絡(luò)的RTOS。

1 引言

隨著嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的日益結(jié)合，在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中引入TCP/IP協(xié)議棧，以支持嵌入式設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，成為嵌入式領(lǐng)域重要的研究方向。uC/0S II是近年來發(fā)展迅速的一個(gè)開放源碼實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，但它只是一個(gè)實(shí)時(shí)的任務(wù)調(diào)度及通信內(nèi)核，缺少對外圍設(shè)備和接口的支持，如沒有文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、圖形界面。筆者在多個(gè)嵌入式項(xiàng)目的開發(fā)過程中，以開源TCP/IP協(xié)議棧LwIP為基礎(chǔ)，給uC/0S II加上了網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)為例進(jìn)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(luò)芯片。而ARM7系統(tǒng)是使用筆者參與開發(fā)的Skyeye，一個(gè)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(luò)芯片，可以運(yùn)行帶網(wǎng)絡(luò)支持的μcLinux和uC/0S II。以下的全部相關(guān)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(luò)平臺概述

嵌入式操作系統(tǒng)uC/0S II是一個(gè)公開源代碼的占先式多任務(wù)的微內(nèi)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(diǎn)可以概括為以下幾個(gè)方面：公開源代碼，代碼結(jié)構(gòu)清晰、明了，注釋詳盡，組織有條理，可移植性好?？刹眉簦晒袒?。內(nèi)核屬于搶占式，最多可以管理60個(gè)任務(wù)。uC/0S II自1992年的第一版(uC/0S)以來已經(jīng)有好幾百個(gè)應(yīng)用，是一個(gè)經(jīng)實(shí)踐證明好用且穩(wěn)定可靠的內(nèi)核。目前國內(nèi)對uC/0S II的研究和應(yīng)用都很多。

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

uC/0S II是一個(gè)富有開放色彩的RTOS，只要買一本書就可獲得源代碼，對學(xué)校和教育的使用完全免費(fèi)，商業(yè)應(yīng)用的費(fèi)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(fèi)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(fèi)研究、學(xué)習(xí)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)軟件平臺。

3 開源TCP/IP協(xié)議棧LwIP簡介

LwIP是瑞士計(jì)算機(jī)科學(xué)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(dú)立運(yùn)行。LwIP TCP/IP實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)是在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)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(yùn)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(luò)接口下的IP轉(zhuǎn)發(fā)

(2) 支持ICMP協(xié)議

(3) 包括實(shí)驗(yàn)性擴(kuò)展的的UDP(用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議)

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

(5) 提供專門的內(nèi)部回調(diào)接口(Raw API)用于提高應(yīng)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(guān)LwIP的詳細(xì)內(nèi)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(shí)現(xiàn)

4.1 概述

LwIP協(xié)議棧在設(shè)計(jì)時(shí)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(guān)的部份獨(dú)立出來，放在/SRC/arch目錄下。因此LwIP在uC/0S II上的實(shí)現(xiàn)就是修改這個(gè)目錄下的文件，其它的文件一般不應(yīng)該修改。下面分幾部份分別說明相應(yīng)文件的實(shí)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(guān)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(guān)的定義，如數(shù)據(jù)長度，字的高低位順序等。這應(yīng)該與用戶實(shí)現(xiàn)uC/0S II時(shí)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(rèn)為小端存儲(chǔ)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(diǎn)：一般情況下C語言的結(jié)構(gòu)體struct是4字節(jié)對齊的，但是在處理數(shù)據(jù)包的時(shí)候，LwIP使用的是通過結(jié)構(gòu)體中不同數(shù)據(jù)的長度來讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)的，所以，一定要在定義struct的時(shí)候使用_PACked關(guān)鍵字，讓編譯器放棄struct的字節(jié)對齊。LwIP也考慮到了這個(gè)問題，所以，在它的結(jié)構(gòu)體定義中有幾個(gè)PACKED_FIELD_xxx宏，默認(rèn)的時(shí)候這幾個(gè)宏都是空的，可以在移植的時(shí)候添加不同的編譯器所對應(yīng)的_packed關(guān)鍵字。比如在Skyeye(ARM7)上對應(yīng)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(guān)部份

sys_arch.[ch]中的內(nèi)容是與OS相關(guān)的一些結(jié)構(gòu)和函數(shù)，主要可以分為四個(gè)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(yīng)實(shí)現(xiàn)信號量結(jié)構(gòu)體和處理函數(shù)：

struct sys_sem_t

sys_sem_new() //創(chuàng)建一個(gè)信號量結(jié)構(gòu)

sys_ sem _free() //釋放一個(gè)信號量結(jié)構(gòu)

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(shí)現(xiàn)了信號量OS_EVENT的各種操作，并且功能和LwIP上面幾個(gè)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(duì)列來緩沖、傳遞數(shù)據(jù)報(bào)文，因此要在sys_arch中實(shí)現(xiàn)消息隊(duì)列結(jié)構(gòu)sys_mbox_t，以及相應(yīng)的操作函數(shù)：

sys_mbox_new() //創(chuàng)建一個(gè)消息隊(duì)列

sys_mbox_free() //釋放一個(gè)消息隊(duì)列

sys_mbox_post() //向消息隊(duì)列發(fā)送消息

sys_arch_mbox_fetch() //從消息隊(duì)列中獲取消息

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

typedef struct {

OS_EVENT* pQ;

void* pvQEntries[MAX_QUEUE_ENTRIES];

} sys_mbox_t;

在以上結(jié)構(gòu)中，包括OS_EVENT類型的隊(duì)列指針(pQ)和隊(duì)列內(nèi)的消息(pvQEntries)兩部分，對隊(duì)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(nèi)存管理模塊實(shí)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(duì)列功能。

(3) sys_arch_timeout 函數(shù)

LwIP中每個(gè)與外界網(wǎng)絡(luò)連接的線程都有自己的timeout屬性，即等待超時(shí)時(shí)間。這個(gè)屬性表現(xiàn)為每個(gè)線程都對應(yīng)一個(gè)sys_timeout結(jié)構(gòu)體隊(duì)列，包括這個(gè)線程的timeout時(shí)間長度，以及超時(shí)后應(yīng)調(diào)用的timeout函數(shù)，該函數(shù)會(huì)做一些釋放連接，回收資源的工作。如果一個(gè)線程對應(yīng)的sys_timeout為空(NULL)，說明該線程對連接做永久的等待。

timeout結(jié)構(gòu)體已經(jīng)由LwIP自己在sys.h中定義好了，而且對結(jié)構(gòu)體隊(duì)列的數(shù)據(jù)操作也由LwIP負(fù)責(zé)，我們所要實(shí)現(xiàn)的是如下函數(shù)：

struct sys_timeouts * sys_arch_timeouts(void)

這個(gè)函數(shù)的功能是返回目前正處于運(yùn)行態(tài)的線程所對應(yīng)的timeout隊(duì)列指針。timeout隊(duì)列屬于線程的屬性，因此是OS相關(guān)的函數(shù)，只能由用戶實(shí)現(xiàn)。

(4) sys_thread_new 創(chuàng)建新線程

LwIP可以是單線程運(yùn)行，即只有一個(gè)tcpip線程(tcpip_thread)，負(fù)責(zé)處理所有的tcp/ucp連接，各種網(wǎng)絡(luò)程序都通過tcpip線程與網(wǎng)絡(luò)交互。但LwIP也可以多線程運(yùn)行，以提高效率，降低編程復(fù)雜度。這時(shí)就需要用戶實(shí)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(wù)(Task)。它已經(jīng)提供了創(chuàng)建新任務(wù)的系統(tǒng)API調(diào)用OSTaskCreate，因此只要把OSTaskCreate封裝一下，就可以實(shí)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(shí)現(xiàn)時(shí)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(shí)現(xiàn)

LwIP協(xié)議棧中用到了8個(gè)外部函數(shù)，這些函數(shù)通常與用戶使用的系統(tǒng)或編