基于μC/OS-Ⅱ的嵌入式以太網(wǎng)通信的設計與實現(xiàn)

uC/OS-Ⅱ是一個源碼開放的搶占式實時操作系統(tǒng)。它內(nèi)核短小精悍、可裁減、執(zhí)行時間確定。系統(tǒng)大部分代碼采用C語言編寫，與硬件有關的部分都集中在兩個文件中，給出了規(guī)范的接口說明，移植相當方便，可應用于目前大多數(shù)型號的8位、16位、32位CPU。

uC/OS-Ⅱ提供的僅僅只是一個實時的調(diào)度及任務間通信的內(nèi)核，沒有集成網(wǎng)絡協(xié)議。上網(wǎng)是當前嵌入式設備的廣泛需求，本文討論輕型TCP/IP協(xié)議棧的引入以及相關網(wǎng)絡設備驅(qū)動程序，實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡功能。

本文所用的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。開發(fā)板基于TMS320LF2407A的含DSP核微處理器和LAN91C111以太網(wǎng)控制器。在成功移植了μCOS-Ⅱ的基礎上進一步實現(xiàn)了以太網(wǎng)通訊功能。下面重點介紹TCP/IP協(xié)議棧的引入和LAN91C111驅(qū)動的編寫。

TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議棧的引入

在μCOS-Ⅱ上引入下TCP/IP協(xié)議棧，由于嵌入式系統(tǒng)的硬件資源有限，必須使用小型協(xié)議棧。這種協(xié)議棧很多，LwIP是其中之一。

關于LwIP簡介

LwIP是瑞士計算機科學院(SCICS)的Adam Dunkels等開發(fā)的一套用于嵌入式系統(tǒng)的開放源碼的輕型TCP/IP協(xié)議棧，但Lwip實現(xiàn)了較為完備的IP,ICMP, UDP, TCP協(xié)議，具有超時時間估計、快速恢復和重發(fā)、窗口調(diào)整等功能。IwIP在保持協(xié)議主要功能的基礎上減少對RAM和ROM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，很適合同μCOS-Ⅱ相配合用在嵌入式系統(tǒng)中。LwIP在設計時就考慮到了將來的移植問題，它把所有與硬件、操作系統(tǒng)、編譯器相關的部分獨立出來，放在/src/arch目錄下，因此LwIP在μCOS-Ⅱ上的實現(xiàn)就是修改這個目錄下的文件，其它的文件一般不需要修改。下面分別予以說明:

協(xié)議棧的實現(xiàn)

·與CPU及編譯器相關的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)μCOS-Ⅱ時定義的數(shù)據(jù)長度等參數(shù)一致。

·與操作系統(tǒng)相關部分 sys_arch.c中的內(nèi)容是與操作系統(tǒng)相關的一些結(jié)構(gòu)和函數(shù)，主要分四個部分: (1)sys_sem_t信號量LwIP中需用信號量通信，所以在sys_arch中應實現(xiàn)信號量結(jié)構(gòu)體和處理函數(shù):struct sys_sem_t{ sys_sem_new( )/創(chuàng)建一個信號量結(jié)構(gòu) sys_sem_free()/釋放一個信號量結(jié)構(gòu)sys_sem_signal( )/發(fā)送信號量 sys_arch_sem_wait( )/請求信號量}由于μCOS-Ⅱ已經(jīng)實現(xiàn)了信號量OS_EVENT的各種操作，并且功能和LwlP上面幾個函數(shù)的目的功能是完全一樣的，所以只要把μCOS-Ⅱ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(jié)構(gòu)sys_mbox_t，以及相應的操作函數(shù)。

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

μCOS-Ⅱ同樣實現(xiàn)了消息隊列結(jié)構(gòu)及其操作，但是μCOS-Ⅱ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μCOS-Ⅱ的基礎上重新實現(xiàn)。

(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(jié)構(gòu)體隊列，包括這個線程的timeout時間長度

，以及超時后應調(diào)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.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，它是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，也可以多線程運行。為提高效率并降低編程復雜度，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μCOS-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(diào)用OSTaskCreate，因此只要把OSTaskCreate封裝一下，就可以實現(xiàn)sys_hread_new.

·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)，有關程序如下:

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);

int strlen(const char * str);/返回字符串長度

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

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

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

類似于操作系統(tǒng)在硬件上的移植，LwIP的移植也是根據(jù)實現(xiàn)的硬件以及操作系統(tǒng)對象，對相應的文件進行修改。整個通訊協(xié)議的引入可以很快實現(xiàn)。

LAN91C111驅(qū)動的實現(xiàn)