lwIP在μTenux實時操作系統(tǒng)上的移植※

王磊，吳海洋

（大連交通大學電氣信息學院，大連116028）

引 言

隨著物聯(lián)網技術的發(fā)展，普適計算理念［1］的深化和大數據處理能力的增強，更多數據將通過網絡進行集中化、智能化處理。在此背景下，對小型嵌入式設備提出了具有網絡通信能力的更高要求［2］。通過在實時操作系統(tǒng)上移植網絡協(xié)議棧lwIP［3］，將為此類設備的研發(fā)提供具有網絡功能的操作系統(tǒng)支持。

lwIP是一款優(yōu)秀的輕量級嵌入式網絡組件，為各領域眾多嵌入式設備提供了小容量低成本的TCP／IP 網絡協(xié)議棧。當前眾多知名半導體芯片廠商提供的軟件開發(fā)包中，都毫無例外地選用lwIP為網絡支持組件［4］。但是，不同芯片廠商的軟件開發(fā)包基于不同的操作系統(tǒng)，需要切換不同的嵌入式開發(fā)環(huán)境，給開發(fā)人員學習和使用帶來了額外工作量［5］，延長了開發(fā)周期。μTenux作為開源免費的實時操作系統(tǒng)，支持ST、ATMEL、NXP、Freescale、TI等多家芯片廠商ARM Cortex-M 構架的主流芯片，應用該操作系統(tǒng)進行產品研發(fā)可縮短開發(fā)周期，降低商業(yè)成本［6］。

1 lwIP協(xié)議棧

lwIP（lightweight IP）是瑞士計算機科學院的Adam Dunkels設計編寫而后全世界開源貢獻者共同升級維護的開源代碼。該組件沒有嚴格地遵循TCP／IP 協(xié)議的分層思想，采用各個協(xié)議層交叉存取和內存共享的構架方式，是一個以占用盡量小的資源代價實現(xiàn)TCP／IP協(xié)議棧的輕量型中間件。

lwIP的主要特點如下［7］：

①實現(xiàn)了包括IP、ICMP、UDP、TCP、IGMP、ARP、PPPoS、PPPoE在內的諸多網絡協(xié)議；

②協(xié)議棧支持DHCP客戶端，DNS客戶端，AutoIP／APIPA（零配置網絡）和SNMP代理（私有的MIB支持）；

③擁有增強功能的獨有API接口和可選的Berkeley風格的Socket API接口；

④支持多網絡接口、TCP擁塞控制、延時估計和快速恢復、快速重傳機制；

⑤包含HTTP 服務器、SNTP 客戶端、SMTP 客戶端、ping、NetBIOS域名解析器等應用示例。

從上述特點可以看出，lwIP 是一個功能全面的協(xié)議棧。同時，因為lwIP僅僅占用RAM 空間幾十KB，ROM空間40KB左右，所以該組件成為ARM 構架32位嵌入式設備中網絡中間件的首選。

1.3.2 版本的lwIP從代碼的組織結構上可分為4個層次，如圖1所示，其中netif是和底層物理環(huán)境緊密相關的網絡接口驅動部分，該部分主要實現(xiàn)網絡控制器初始化和數據包收發(fā)的功能。arch是lwIP 為移植設計的操作系統(tǒng)模擬層，移植時需要創(chuàng)建sys＿arch.c文件，并在該文件中實現(xiàn)多任務，任務間消息傳遞的郵箱和信號量，同步以及超時保護等機制。core和api包含了lwIP核心代碼和應用編程接口代碼，移植時不需要修改。值得指出的是，lwIP 在沒有操作系統(tǒng)的支持下也可以運行，此時不需要arch組件的支持，但是lwIP只能運行在一個線程下，會降低性能。

圖1 lwIP組件結構圖

2 μTenux實時操作系統(tǒng)

μTenux是由T-Engine中國開源社區(qū)研發(fā)推出的適用于32位ARM Cortex-M 系列內核的嵌入式多任務硬實時操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)采用可移植、可裁剪、任務可剝奪的μT-Kernel作為系統(tǒng)內核規(guī)范，允許開發(fā)人員在小規(guī)模嵌入式系統(tǒng)上進行優(yōu)化和裁剪。圖2 給出了μTenux操作系統(tǒng)構架，其中內核μT／Kernel由三部分（μT／OS、μT／SM、μT／DS）構成［8］，分別為操作系統(tǒng)內核、管理內核和調試內核。底層包含完整的驅動庫和標準C 庫文件，中間件和上層接口采用主流的第三方組件［6］。本文是μTenux中μT／Subass 研發(fā)的一部分，開源代碼會隨μTenux軟件包一起在T-Engine中國開源社區(qū)公布并不斷完善升級。

圖2 μTenux操作系統(tǒng)構架

3 移植過程

lwIP基于操作系統(tǒng)的移植主要分為三個方面［9］：①根據基于的CPU 構架不同，需要定義和硬件相關的數據類型與結構以及調試、測量等函數實現(xiàn)方法；②實現(xiàn)操作系統(tǒng)模擬層的多任務、郵箱、信號量、同步、時間超限等函數；③根據使用的網絡控制器芯片不同，以及和主控芯片通信的協(xié)議不同，需要對底層以太網驅動進行移植。結合μTenux操作系統(tǒng)中的對象特點，本部分對lwIP移植過程中的幾個要點進行分析。

3.1 lwIP郵箱函數的移植

當產生一次數據包處理時，lwIP 中各個協(xié)議層之間通過維護同一個數據空間來減少數據包復制帶來的RAM損耗和時間損耗，該數據包所占空間的起始地址在各個協(xié)議層之間通過郵箱機制進行傳遞。

lwIP的郵箱機制需要實現(xiàn)郵箱的創(chuàng)建、刪除、發(fā)送（堵塞函數，直到發(fā)送成功）、嘗試發(fā)送（發(fā)送后立即返回狀態(tài)）、接收（帶有定時參數，有時間限制）、嘗試接收（接收后立即返回狀態(tài)）等6 個函數。按照lwIP 的移植要求，在sys＿arch.c中要實現(xiàn)以上函數。μTenux本身的郵箱機制對消息結構有特殊規(guī)定，本文采用消息緩沖區(qū)機制實現(xiàn)lwIP 的郵箱函數封裝。μTenux和其他操作系統(tǒng)功能上的區(qū)別可以從消息緩沖區(qū)的實現(xiàn)機制上得以體現(xiàn)。μTenux提供的相關函數有：建立和刪除消息緩沖區(qū)，發(fā)送和接收消息以及查詢消息緩沖區(qū)的狀態(tài)。

圖3是μTenux緩沖區(qū)機制消息傳遞過程的示意圖，每個消息緩沖區(qū)都包含一個等待發(fā)送消息的任務隊列和一個等待接收消息的任務隊列［9］。圖中，以兩個任務隊列各有一個任務為例，發(fā)送任務和接收任務通過動作①和②實現(xiàn)消息的傳遞。每當創(chuàng)建一個新的消息緩沖區(qū)時會產生一個連續(xù)的空間，內核通過MBFCB（消息緩沖區(qū)控制塊）進行管理，實現(xiàn)緩沖區(qū)的環(huán)狀消息結構。在創(chuàng)建、使用和釋放消息緩沖區(qū)的過程中，μT／Kernel內核始終對內存進行著最優(yōu)的管理，這個過程中不會產生內存空間碎片。消息緩沖區(qū)機制可用來傳遞大小可變的消息，因為要用此機制實現(xiàn)lwIP的郵箱函數，所以封裝時對lwIP的消息取地址，將地址作為μTenux緩沖區(qū)的內容傳遞。

以郵箱的創(chuàng)建為例，可以直接對tk＿cre＿mbf函數進行封裝，其中maxmsz（最大消息長度）的參數為sizeof（void＊），是因為郵箱傳遞的參數是數據指針，所以這里最大消息長度規(guī)定不會超過這個長度。代碼略——編者注。

圖3 μTenux的消息緩沖區(qū)機制

lwIP郵箱的其他實現(xiàn)函數也是對消息緩沖區(qū)相關函數的封裝，需要注意兩點，μTenux的消息緩沖區(qū)函數中與時限有關的參數和lwIP中給出的定義不同；使用μTenux消息緩沖區(qū)機制傳遞的是lwIP郵箱消息的二重指針。

3.2 lwIP信號量函數的移植

lwIP的信號量機制需要實現(xiàn)信號量的創(chuàng)建、刪除、占用、等待等4個函數。信號量機制在操作系統(tǒng)中很常見，它一般用來指示可用資源，并將可用資源以數值的形式表示出來，多任務系統(tǒng)可以通過信號量實現(xiàn)任務間的同步和互斥控制。μTenux的信號量機制中包含一個資源計數器和一個等待信號量的任務隊列。一個任務可以發(fā)出事件通知，釋放返回m 個資源，此時，信號量資源計數加m。相反，當該任務正在等待事件獲得n個資源時，信號量資源計數器將減n。如果信號量資源的數量不夠，信號量計數器可以變成負值，則嘗試獲取資源的任務進入等待狀態(tài)，直至下次有資源釋放返回。等待信號量資源的任務會被置入信號量任務隊列中。μTenux為防止過多資源同時返回到信號量，在信號量中設置一個最大信號量計數器，當返回到信號量的資源造成最大計數的超出時報錯［8］。lwIP的信號量實現(xiàn)可以直接使用μTenux的信號量機制。以信號量的創(chuàng)建為例，可以直接對tk＿cre＿sem 函數進行封裝，其中maxsem 由用戶在sys＿arch.h中設定，配置成CFN＿MAX＿SEMID（μTenux 信號量的配置值），使μTenux 中的資源配置直接用于lwIP。代碼略——編者注。

lwIP信號量的其他實現(xiàn)函數也是對相關函數的封裝，和郵箱機制的實現(xiàn)方法一樣，要考慮時限的對應關系。

3.3 lwIP網絡控制器驅動函數的移植

3.3.1 lwIP協(xié)議棧數據包結構

在lwIP中，每次數據包處理時占用的數據空間采用pbuf結構。該結構同BSD中的mbuf結構類似，是網絡控制器驅動程序實現(xiàn)的核心［9］。

lwIP的實現(xiàn)同樣基于TCP／IP 協(xié)議的分層思想，在lwIP的core組件中包含單獨命名的模塊，例如udp.c、tcp.c、dhcp.c等，它們彼此共享一個共同的數據空間，各個層次之間傳遞的是數據地址而不是數據本身，這個數據采用的是上文提到的pbuf結構，如圖4所示。pbuf結構根據數據所在的內存區(qū)域和申請方式不同，有4種不同的類型，本文以典型的PBUF＿RAM 類型為例，通過圖4分析pbuf的結構定義。

圖4 pbuf結構

pbuf結構中有7個參數，通過next指針組成pbuf鏈表。一個數據包往往包含多個pbuf結構的數據，lwIP在運行中涉及消息的接收、發(fā)送、傳遞、丟棄等操作，要通過這幾個參數中的長度和標志位來識別判斷。這種實現(xiàn)機制為lwIP協(xié)議棧節(jié)省了內存空間和處理時間，卻為以太網驅動的實現(xiàn)增加了復雜度。

3.3.2 網絡接口函數的實現(xiàn)

該部分與底層硬件聯(lián)系緊密，需實現(xiàn)5個基本函數：網絡接口初始化函數、網絡接口接收函數、底層網絡控制器初始化函數、底層網絡控制器接收數據包函數、底層網絡控制器發(fā)送數據包函數。

本文以Microchip公司生產的基于SPI接口的以太網控制器芯片ENC28J60［11］為例，其基本操作驅動庫代碼采用美國SourceForge.net平臺AVRNET［12］開源項目中的代碼（enc28j60.c）。lwIP 底層網絡接口文件取名enc28j60if.c，需實現(xiàn)上面提到的5個函數。其中，底層網絡控制器接收數據包函數和底層網絡控制器發(fā)送數據包函數由于考慮到lwIP 的pbuf結構，所以不能直接使用enc28j60.c中的數據包收發(fā)函數，這部分需要進行改寫。以底層網絡控制器接收數據包函數為例，具體實現(xiàn)分為4步：①判斷enc28j60中是否有數據接收；②配置接收緩沖區(qū)大小；③判斷數據合法性并申請pbuf結構；④接收數據到pbuf結構中。代碼略——編者注。

ENC28J60接收的數據包由4部分組成（下一個數據包的指針、接收的狀態(tài)向量、接收的有效數據、CRC 校驗）。底層網絡控制器發(fā)送數據包函數用到的也是這樣的思想。此外，網絡接口初始化函數和網絡接口接收函數直接使用lwIP提供的模版函數，底層網絡控制器初始化函數配置lwIP的netif接口后調用enc28j60.c中的初始化函數即可。

4 lwIP移植的簡單測試用例

以STM32F407VG［13］和ENC28J60 為例，在μTenux軟件包中，已經對STM32F407VG 的時鐘和串口進行了初始化設置，添加SPI接口初始化函數即可進行l(wèi)wIP的移植測試。本部分先介紹lwIP的應用編程接口，然后給出測試實例和結果。

4.1 lwIP的API接口說明

lwIP為用戶編寫上層應用代碼提供了三種不同的API接口，分別是原始API接口、高性能專用的sequential API接口和Berkeley風格的Socket API接口。當不提供操作系統(tǒng)支持的時候只能使用原始API接口，當提供操作系支持時，三種接口方式都可以使用。

基于前文，當完成了lwIP基于μTenux 的操作系 統(tǒng) 模 擬 層 移 植 和ENC28J60 的以太網網絡接口的函數封裝，建立了如圖5所示的依賴關系，這時就可以進行程序編寫和測試了。

圖5 lwIP依賴關系

4.2 一個簡單的HTTP服務器實現(xiàn)

為了檢驗移植后的lwIP是否能夠正常運行，使用lwIP的sequential API寫一個簡單的HTTP服務器程序［14］。

程序中，將html語言的字符串存儲在一個靜態(tài)變量htmltestdata中，在主函數中創(chuàng)建一個名為http＿task的進程函數，在該進程函數中完成以下幾步：①初始化lwIP協(xié)議棧，注冊網絡接口；②允許STM32F407VG 接收SPI外部中斷，使ENC28J60接收到數據之后可以馬上處理；③新建一個TCP鏈接，并監(jiān)聽端口號80；④當監(jiān)聽到客戶端連接后處理客戶端接收到的數據。完成上述4步之后，當發(fā)現(xiàn)客戶端請求的數據并且能正確解析時，則將htmltestdata返回，這樣就實現(xiàn)了一個簡單的HTTP服務器。

建立TCP連接部分代碼略——編者注。

編譯成功并運行后，通過在Windows控制臺上執(zhí)行ping命令，并且打開瀏覽器在地址欄中輸入網絡接口初始化時綁定的IP地址，圖6和圖7的測試結果表明ARP、ICMP、IP和TCP協(xié)議運行正常。

圖6 ping命令測試

結 語

lwIP是一款優(yōu)秀的免費開源的TCP／IP網絡中間件，基于μTenux的lwIP移植結合了操作系統(tǒng)的優(yōu)勢，可以用于嵌入式設備的產品研發(fā)上。本文下一步研究工作考慮結合μTenux實時系統(tǒng)的消息郵箱和內存管理特性，以改進lwIP中pbuf結構的內存申請方式，縮減移植后的lwIP代碼量，降低運行時ROM 和RAM 占用量，進一步優(yōu)化lwIP的實時性和穩(wěn)定性。

圖7 HTTP應用示例

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網站www.mesnet.com.cn。

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