μC/OS-Ⅱ嵌入式以太網(wǎng)通信的設(shè)計解析

　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(guān)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(dāng)方便，可應(yīng)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(wù)間通信的內(nèi)核，沒有集成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。上網(wǎng)是當(dāng)前嵌入式設(shè)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(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序，實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)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(chǔ)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。
　　
　　圖1 嵌入式以太網(wǎng)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
　　TCP/IP網(wǎng)絡(luò)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(guān)于LwIP簡介
　　LwIP是瑞士計算機科學(xué)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(fù)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(chǔ)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(shè)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(guān)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(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(guān)部分 sys_arch.c中的內(nèi)容是與操作系統(tǒng)相關(guān)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(yīng)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。
　?。? ）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(yīng)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(chǔ)上重新實現(xiàn)。
　?。?）sys_arch_timeout函數(shù)
　　LwIP中每個與外界網(wǎng)絡(luò)連接的線程都有自己的timeout屬性，即等待超時時間。這個屬性表現(xiàn)為每個線程都對應(yīng)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(yīng)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(zé)，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(yīng)的timeout隊列指針。timeout隊列屬于線程的屬性，它是OS相關(guān)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(fù)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(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(guān)，因此留給用戶自己實現(xiàn)，有關(guān)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(yīng)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)
　　在上面為μCOS-Ⅱ引入了TCP/IP協(xié)議棧之后，為了實現(xiàn)以太網(wǎng)通信功能還必須完成相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序的添加。LwIP的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動有一定的模板，其中src/netif/ethernetif.c文件即為驅(qū)動的模板，用戶為自己的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實現(xiàn)驅(qū)動時應(yīng)參照這個模板，根據(jù)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)芯片來實現(xiàn)。本系統(tǒng)選用的網(wǎng)絡(luò)芯片是由SMSC公司生產(chǎn)的自適應(yīng)10M/100M第三代快速以太網(wǎng)控制器芯片LAN91C111，集成了SMSC/CD協(xié)議的MAC（媒體層）和PHY（物理層）。由于其靈活性和集成度高，具有較高的性價比。
　　LAN91C111工作流程比較簡單，驅(qū)動程序?qū)⒁l(fā)送的數(shù)據(jù)包按指定格式寫入芯片并啟動發(fā)送命令，LAN91C111會自動把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成物理幀格式在物理信道上傳輸;反之芯片收到物理信號后自動將其還原成數(shù)據(jù)，并按指定格式存放在芯片RAM中以便主機程序取用。簡言之就是LAN91C111完成數(shù)據(jù)包和電信號之間的相
　　互轉(zhuǎn)換： 數(shù)據(jù)包 電信號。LAN91C111的編程主要包括：初始化、發(fā)送數(shù)據(jù)包、接收數(shù)據(jù)包三部分。