基于μC/OS-Ⅱ的嵌入式以太网通信的设计与实现

引言

      uC/OS-Ⅱ是一个源码开放的抢占式实时操作系统。它内核短小精悍、可裁减、执行时间确定。系统大部分代码采用C语言编写，与硬件有关的部分都集中在两个文件中，给出了规范的接口说明，移植相当方便，可应用于目前大多数型号的8位、16位、32位CPU。

      uC/OS-Ⅱ提供的仅仅只是一个实时的调度及任务间通信的内核，没有集成网络协议。上网是当前嵌入式设备的广泛需求，本文讨论轻型TCP/IP协议栈的引入以及相关网络设备驱动程序，实现嵌入式系统的网络功能。

      本文所用的硬件系统结构如图1所示。开发板基于TMS320LF2407A的含DSP核微处理器和LAN91C111以太网控制器。在成功移植了μCOS-Ⅱ的基础上进一步实现了以太网通讯功能。下面重点介绍TCP/IP协议栈的引入和LAN91C111驱动的编写。

      图1 嵌入式以太网硬件系统结构图

      TCP/IP网络协议栈的引入

      在μCOS-Ⅱ上引入下TCP/IP协议栈，由于嵌入式系统的硬件资源有限，必须使用小型协议栈。这种协议栈很多，LwIP是其中之一。

      关于LwIP简介

      LwIP是瑞士计算机科学院(SCICS)的Adam Dunkels等开发的一套用于嵌入式系统的开放源码的轻型TCP/IP协议栈，但Lwip实现了较为完备的IP,ICMP, UDP, TCP协议，具有超时时间估计、快速恢复和重发、窗口调整等功能。IwIP在保持协议主要功能的基础上减少对RAM和ROM的占用，一般它只需要几十K的RAM和40K左右的ROM就可以运行，很适合同μCOS-Ⅱ相配合用在嵌入式系统中。LwIP在设计时就考虑到了将来的移植问题，它把所有与硬件、操作系统、编译器相关的部分独立出来，放在/src/arch目录下，因此LwIP在μCOS-Ⅱ上的实现就是修改这个目录下的文件，其它的文件一般不需要修改。下面分别予以说明:

      协议栈的实现

      ·与CPU及编译器相关的include文件 /src/arch/include/arch目录下cc.h、cpu.h、perf.h中有一些与CPU或编译器相关的定义，如数据长度，字的高低位顺序等。这应该与用户实现μCOS-Ⅱ时定义的数据长度等参数一致。

      ·与操作系统相关部分 sys_arch.c中的内容是与操作系统相关的一些结构和函数，主要分四个部分: (1)sys_sem_t信号量LwIP中需用信号量通信，所以在sys_arch中应实现信号量结构体和处理函数:struct sys_sem_t{ sys_sem_new( )/创建一个信号量结构 sys_sem_free()/释放一个信号量结构sys_sem_signal( )/发送信号量 sys_arch_sem_wait( )/请求信号量}由于μCOS-Ⅱ已经实现了信号量OS_EVENT的各种操作，并且功能和LwlP上面几个函数的目的功能是完全一样的，所以只要把μCOS-Ⅱ的函数重新包装成上面的函数，就可以直接使用了。

      (2 )sys_mbox_t消息

      LwIP使用消息队列来缓冲、传递数据报文，因此要在sys_arch中实现消息队列结构sys_mbox_t，以及相应的操作函数。

      sys_mbox_new()/创建一个消息队列 sys_mbox_free( ) /释放一个消息队列

      sys_mbox_post( )/向消息队列发送消息

      sys_arch_mbox_fetch( )/从消息队列中获取消息

      μCOS-Ⅱ同样实现了消息队列结构及其操作，但是μCOS-Ⅱ没有对消息队列中的消息进行管理，因此不能直接使用，必须在μCOS-Ⅱ的基础上重新实现。

      (3)sys_arch_timeout函数

      LwIP中每个与外界网络连接的线程都有自己的timeout属性，即等待超时时间。这个属性表现为每个线程都对应一个sys_timeout结构体队列，包括这个线程的timeout时间长度，以及超时后应调用的timeout函数，该函数会做一些释放连接，回收资源的工作.timeout结构体已经由LwIP自己在sys.h中定义好了，而且对结构体队列的数据操作也由LwIP负责，我们所要实现的是如下函数:

      struct sys_timeouts*sys_arch_timeouts(void)

      这个函数的功能是返回目前正处于运行态的线程所对应的timeout队列指针。timeout队列属于线程的属性，它是OS相关的函数，只能由用户实现。

      (4)sys_thread_new创建新线程

      LwIP可以是单线程运行，也可以多线程运行。为提高效率并降低编程复杂度，就需要用户实现创建新线程的函数:

      void sys_thread_new(void(*thread)(void*arg), void*arg);

      在μCOS-Ⅱ中，没有线程(thread)的概念，只有任务(Task)。它已经提供了创建新任务的系统API调用OSTaskCreate，因此只要把OSTaskCreate封装一下，就可以实现sys_hread_new.

      ·lib_ arch中库函数的实现

      LwIP协议栈中用到了8个外部函数，这些函数通常与用户使用的系统或编译器有关，因此留给用户自己实现，有关程序如下:

      u16_t htons(u16_t n); /16位数据高低字节交换

      u16_t ntohs(u16_t n);

      int strlen(const char * str);/返回字符串长度

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

      void bcopy(const void * src, void * dest, int len);/内存数据块之间的互相拷贝

      void bzero(void *data, int n); /内存中指定长度的数据块清零

      类似于操作系统在硬件上的移植，LwIP的移植也是根据实现的硬件以及操作系统对象，对相应的文件进行修改。整个通讯协议的引入可以很快实现。

      LAN91C111驱动的实现

      在上面为μCOS-Ⅱ引入了TCP/IP协议栈之后，为了实现以太网通信功能还必须完成相关网络设备驱动程序的添加。LwIP的网络驱动有一定的模板，其中src/netif/ethernetif.c文件即为驱动的模板，用户为自己的网络设备实现驱动时应参照这个模板，根据相应的网络芯片来实现。本系统选用的网络芯片是由SMSC公司生产的自适应10M/100M第三代快速以太网控制器芯片LAN91C111，集成了SMSC/CD协议的MAC（媒体层）和PHY（物理层）。由于其灵活性和集成度高，具有较高的性价比。

      LAN91C111工作流程比较简单，驱动程序将要发送的数据包按指定格式写入芯片并启动发送命令，LAN91C111会自动把数据包转换成物理帧格式在物理信道上传输;反之芯片收到物理信号后自动将其还原成数据，并按指定格式存放在芯片RAM中以便主机程序取用。简言之就是LAN91C111完成数据包和电信号之间的相

      互转换: 数据包 电信号。LAN91C111的编程主要包括:初始化、发送数据包、接收数据包三部分。

      初始化上电后，LAN91C111内部的寄存器的值设置为缺省值，CPU根据需要设置它里面的Configuration, Base和Individual Address寄存器，以保证它正确工作。发送数据包流程

      (1) DSP向控制器发送ALLOCATE MEMORY命令(设置MMUCOM寄存器，通常设置0x0020)。MMU为待发送包在控制器内部的packet buffer中分配存储空间。

      (2) DSP查询中断状态寄存器中的ALLOC INT位，直到该位被置成1，也可以设置Interrupt Mask中的ALLOC INT位，然后等待硬件中断，这时MMU已经分配好存储空间。而且TX packet number放在Allocation Result寄存器中。

      (3)将Allocation Result寄存器中的packet number拷贝到Packet Number:寄存器中，设置Pointer寄存器(设置为TX，WR,AUTOINC，即0x4000)。然后将包的数据从upper layer发送队列传送到控制器的数据寄存器中。要求依次写人Status Word, Byte Count, destination address，source address，packet size，packet data，control word。

      (4) DSP向控制器发送"ENQUEUE PACKET NUMBER TO TX FIFO“命令(设置MMUCOM寄存器，通常设置Ox00C0)，这个命令将Packet Number寄存器中的packetnumber拷贝到TX FIFO，说明发送的包已经放入队列中。同时设置Transmit control寄存器中的TXENA位，启动transmitter。到目前为止，DSP的设置工作完成，它可以IDLE，直到接收到一个控制器产生的发送中断。

      (5)当控制器传送完包以后，memory中的第一个字(16bit)被CSMA/CD写入相应的Status Word，然后将TX FIFO中的packet number移到TX completion FIFO，当TX completion FIFO不为空时产生中断。

      (6) DSP接收到中断后，开始执行中断处理程序，它读入中断状态寄存器，如果产生发送中断，则从FIFO ports寄存器读入发送的包的Packet Number，并将它写到Packet Number寄存器。然后从内存中读人状态字(包括设置Pointer寄存器为TX,RD,AUTOINC，即0x6000，然后从数据寄存器中读入包的状态字)，它是EPH寄存器的镜像，根据状态字判断包发送是否成功。如果成功则DSP向控制器发布RELEASE命令(设置MMUCOM寄存器，设置为Ox00A0)，控制器将释放发送包所使用的存储空间，同时设置TX INT Acknowledge寄存器，它将TX completion FIFO中的packet number清除。

      (7)使用“每发送一个序列的包产生一个中断”方案:允许TX EMPTY INT和TX INT, AUTORELEASE="1"，当发送完FIFO中的最后一个包后，产生TX EMPTY INT中断。当发生严重的发送错误时，产生TX INT中断，同时将发送失败的包的packet number保存到FIFO Ports寄存器，这样DSP就可以知道发送过程停止了。这种方案可以减少DSP的负担，而且存储空间的释放也更迅速。接收数据包流程

      (1) DSP设置receive control寄存器中的RXEN位，允许接收包。

      (2)含有正确地址的包被接收到，从MMU请求存储空间，并分派一个packet number,内部的DMA逻辑产生连续的地址，并将接收到的字写到memory中，如果超界，包被丢弃，存储空间被释放。当检测到包的结束，状态字被写到接收包的最前面，byte count写到第二个字。如果CRC校验正确，packet number被写到RX FIFO，由于RX FIFO非空，产生RCV INT中断;如果CRC校验不正确，存储空间被释放，而且不产生中断。

      (3) DSP接收到中断后开始执行中断处理程序，它读入中断状态寄存器，如果产生接收中断(RCV INT位为1)，则可以从FIFO ports寄存器得到接收的包的packet number，而且可以从数据寄存器将接收包传送到DSP的内存或外存中。当处理结束，DSP向处理器发布REMOVE AND RELEASE FROM TOP OF RX命令(即设置寄存器MMUCOM，即0x0060)，释放使用的存储空间和packet number.

      软件的调试与验证

      调试环境包括我们做的TMS320LF2407A+LAN91C111板、PC机、仿真器、网线等。首先，新建工程，脱离操作系统和TCP/IP协议的环境下，单独调试通过LAN91C111的驱动程序，初始化，接收发送数据成功之后，另建工程集合μCOS-Ⅱ和LwIP结合驱动程序进行调试，在μCOS-Ⅱ中初始化LwlP，并创建TCP或UDP任务进行测试了。值得注意的是LwIP的初始化必须在μCOS-Ⅱ完全启动之后也就是在任务中进行，因为它的初始化用到了信号量等OS相关的操作。关键部份的代码和说明如下:

      main(){OSlnit();OSTaskCreate(Iwip_init_task, Null, &Iwip-init-stk[TASK_STK_SIZE-1 ], 0);OSStart();}

      主程序中创建了初始化LwIP任务Lwip_init_task(优先级0). Iwip_init_task任务中初始化硬件时钟和LwIP，还创建了tcpip_thread(优先级5)和tcpecho_thread(优先级6)两个任务。实际上tcpip_thread才是LwIP的主线程，多线程的Berkley API也是基于这个线程实现的，即上面的tcpecho_thread线程也要依靠tcpip_thread线程来与外界通信，这样做的好处是编程简单，结构清晰。

      编译运行后，用ping IP地址命令可以得到ICMP reply响应。用telnet IP地址命令可以看到echo server的回显效果。说明ARP,ICMP,IP、下CP协议都已正确运行，调试通过。

      结语

      按课题的需求，这套系统用于电力保护系统的现场板卡的管理与和上下位机的通讯，现场采集的数据经处理后，通过数据线路连接到该板(本文所讨论的系统)。由该DSP板集中进行管理并实现和上位机的通讯。该系统目前效果令人满意，并且可以根据课题的需要，灵活地进行扩展。还可用于智能家电等领域，具有很好的发展前景。

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