嵌入式LWIP網(wǎng)絡(luò)客戶端設(shè)計(jì)
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摘要：嵌入式網(wǎng)絡(luò)客戶端需要移植性高、占用資源小的協(xié)議棧，設(shè)計(jì)了基于輕量級協(xié)議棧LWIP的網(wǎng)絡(luò)客戶端。采用STM32處理器作為主控芯片，通過以太網(wǎng)控制器EN28J60和RJ45接口連接互聯(lián)網(wǎng)，移植了操作系統(tǒng)uC/OS-II和輕量級協(xié)議棧LWIP，最后對客戶端與主機(jī)進(jìn)行聯(lián)機(jī)測試。結(jié)果表明：通過主機(jī)ping 32字節(jié)的數(shù)據(jù)，4個(gè)包所用的時(shí)間最長為5ms，最短為3ms，而TTL值均為255;數(shù)據(jù)收發(fā)正確，錯(cuò)誤率為0%。說明輕量級協(xié)議棧LWIP不僅占用資源小，而且滿足嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性要求。
本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/284989.htm引言
嵌入式技術(shù)的興起使得傳統(tǒng)的基于PC機(jī)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢不再，嵌入式網(wǎng)絡(luò)客戶端與服務(wù)端技術(shù)成為熱點(diǎn)，而該技術(shù)需要移植性高、占用資源小的協(xié)議棧，輕量級TCP/IP協(xié)議棧LWIP (light weight Internet protocol)比較適合嵌入式設(shè)備中存儲容量有限的情況，而且能實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧的基木功能，不影響設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)與傳輸服務(wù)[1]。輕量級網(wǎng)絡(luò)協(xié)議LWIP依附的硬件操作系統(tǒng)有RT_Thread[2-3]和uC/OS-II[4-5]，鑒于uC/OS-II是一款應(yīng)用較為廣泛、技術(shù)較成熟的操作系統(tǒng)，本文采用uC/OS-II操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)客戶端。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：ping 32字節(jié)的數(shù)據(jù)，其收發(fā)正確，錯(cuò)誤率為0%。
1 系統(tǒng)硬件
如圖1所示：硬件采用STM32處理器作為主控芯片，通過以太網(wǎng)控制器EN28J60和RJ45接口連接互聯(lián)網(wǎng)，而且為了進(jìn)行功能擴(kuò)展和試驗(yàn)驗(yàn)證，主控芯片也可以由串口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)互傳。
STM32F107是主控芯片，它不僅具有USB OTG 和CAN2.0B接口，而且片上集成了以太網(wǎng)10/100 MAC模塊。該模塊支持MII和RMII兩種模式，所以，主控制器只需外接一個(gè)物理層PHY芯片就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的以太網(wǎng)收發(fā)器;在時(shí)鐘信號方面，只需用一個(gè)25MHz的晶振就可以給整個(gè)主控制器提供時(shí)鐘，而主控制器還能輸出一個(gè)25MHz或50MHz的時(shí)鐘，交外部物理層PHY層芯片使用，這樣可以為系統(tǒng)節(jié)省一個(gè)附加晶振[6]。
以太網(wǎng)控制器是ENC28J60，它符合IEEE802. 3協(xié)議的全部規(guī)范，可以利用健全的包過濾機(jī)制對輸入的數(shù)據(jù)包進(jìn)行限制。集成了DMA模塊，支持?jǐn)?shù)據(jù)的高速吞吐率，并結(jié)合硬件實(shí)現(xiàn)IP地址校驗(yàn)和計(jì)算。它和主控器的通信依賴于兩個(gè)中斷管腳和SPI總線實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)10 MB/s，為了觀察數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕顒訝顟B(tài)，可以在兩個(gè)專用的引腳接上發(fā)光二極管[7]。
2 操作系統(tǒng)移植
操作系統(tǒng)uC/OS-II移植涉及到的主要內(nèi)容是[4-5][8]：修改并整合與處理器相關(guān)的源文件，包含os_cpu_c.c,os_cpu_a.s，os_cpu.h三個(gè)文件。其中os_cpu.h文件負(fù)責(zé)定義與編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型、堆棧類型，另外還有幾個(gè)宏定義和函數(shù)聲明，在進(jìn)行移植工作時(shí)，由于對一個(gè)相同的數(shù)據(jù)類型，不同的編譯器所支持的數(shù)據(jù)長度卻不相同，所以需要修改原來的數(shù)據(jù)類型。os_cpu_a.s文件主要負(fù)責(zé)定義與處理器相關(guān)的任務(wù)切換函數(shù)，實(shí)現(xiàn)任務(wù)上下文的切換以滿足任務(wù)調(diào)度時(shí)的需要，另外還定義了時(shí)鐘中斷處理函數(shù)和進(jìn)退臨界區(qū)宏指令。os_cpu_c.c文件主要負(fù)責(zé)定義堆棧的初始化函數(shù)，以利于操作系統(tǒng)在進(jìn)行任務(wù)切換或中斷時(shí)對相關(guān)操作數(shù)據(jù)進(jìn)行堆棧保護(hù)，另外還定義了相關(guān)的HOOK函數(shù)。
首先修改os_cpu_a.asm文件，將原來的RSEG CODE:CODE:NOROOT(2)改成：
AREA |.text|, CODE, READONLY, ALIGN=2;(其中AREA|.text|代表選擇段|.text|，CODE指明代碼段，READONLY代表默認(rèn)情況：只讀。由于當(dāng)ALIGN=n，則字節(jié)數(shù)為2^n，故此處ALIGN=2表示對齊4字節(jié)。)
THUMB ;Thumb指令集
REQUIRE8 ;說明當(dāng)前文件是八字節(jié)對齊堆棧需求
PRESERVE8 ;說明當(dāng)前文件屬于八字節(jié)對齊堆棧
修改os_cpu.h文件，注釋掉下面的這三個(gè)函數(shù)：Void OS_CPU_SysTickHandler(void);Void OS_CPU_SysTickInit(void);UINT32 OS_CPU_SysTickClkFreq(void);
修改os_cpu_c.c文件，注釋掉以下定義和函數(shù)：
#define OS_CPU_CM3_NVIC_ST_CTRL (*((volatile INT32U *)0xE000E010))
#define OS_CPU_CM3_NVIC_ST_RELOAD (*((volatile INT32U *)0xE000E014))
#define OS_CPU_CM3_NVIC_ST_CURRENT (*((volatile INT32U *)0xE000E018))
#define OS_CPU_CM3_NVIC_ST_CAL (*((volatile INT32U *)0xE000E01C))
#define OS_CPU_CM3_NVIC_PRIO_ST (*((volatile INT8U *)0xE000ED23))
#define OS_CPU_CM3_NVIC_ST_CTRL_COUNT 0x00010000
#define OS_CPU_CM3_NVIC_ST_CTRL_CLK_SRC 0x00000004
#define OS_CPU_CM3_NVIC_ST_CTRL_INTEN 0x00000002
#define OS_CPU_CM3_NVIC_ST_CTRL_ENABLE 0x00000001
#define OS_CPU_CM3_NVIC_PRIO_MIN 0xFF
void OS_CPU_SysTickHandler (void)函數(shù)
void OS_CPU_SysTickInit (void) 函數(shù)
3 輕量級協(xié)議棧LWIP的移植
LWIP是輕量級的TCP/IP協(xié)議棧，協(xié)議棧中涉及的函數(shù)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和操作系統(tǒng)及硬件不相關(guān)，如果需要使用uC/OS-II操作系統(tǒng)的函數(shù)，必須通過操作系統(tǒng)模擬層進(jìn)行調(diào)用。所以移植LWIP協(xié)議棧，實(shí)際上就是移植到uC/OS-II操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)模擬層為定時(shí)器、同步處理、消息傳送機(jī)制等服務(wù)提供一組外留的接口函數(shù)，為LwIP提供兩種進(jìn)程間通信方式：信號量和郵箱。創(chuàng)建任務(wù)函數(shù)、臨界保護(hù)函數(shù)以及信號量和郵箱操作函數(shù)均由uC/OS-II提供，進(jìn)行針對LwIP的移植任務(wù)時(shí)，就是修改相關(guān)接口函數(shù)(包括信號量操作函數(shù)、郵箱操作函數(shù)、臨界保護(hù)函數(shù)、sys_thread_new( )函數(shù)、sys_arch_timeouts( )函數(shù))，從而實(shí)現(xiàn)LwIP操作系統(tǒng)模擬層的函數(shù)利用[4~5]。
LWIP的數(shù)據(jù)包包頭是14個(gè)字節(jié)，基于LWIP的以太網(wǎng)接收的數(shù)據(jù)包格式以一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來描述：PACK_STRUCT_BEGIN
struct eth_hdr {
PACK_STRUCT_FIELD(struct eth_addr dest); //目標(biāo)的媒質(zhì)接入控制層地址
PACK_STRUCT_FIELD(struct eth_addr src); //源的媒質(zhì)接入控制層地址
PACK_STRUCT_FIELD(u16_t type); //類型
} PACK_STRUCT_STRUCT;
PACK_STRUCT_END
其中幾個(gè)PACK_STRUCT_xxx 的宏定義與編譯器字對齊相關(guān)，上面的目標(biāo)dest、源src和類型type三個(gè)字段分別對應(yīng)目標(biāo)的媒質(zhì)接入控制層地址、源的媒質(zhì)接入控制層地址、數(shù)據(jù)類型。
4 結(jié)論
測試前需要把計(jì)算機(jī)與嵌入式網(wǎng)口模塊的IP地址配置在同一網(wǎng)段，IP地址分別為192.168.1.100，192.168.1.102。如果想查看IP地址配置情況，運(yùn)行CMD命令行，執(zhí)行ipconfig/all命令。配置完以后，接著ping嵌入式網(wǎng)口的IP地址，結(jié)果如圖2所示。
從圖2可以看出：主機(jī)ping 32字節(jié)的數(shù)據(jù)，4個(gè)包所用的時(shí)間最長為5ms，最短為3ms;而4個(gè)包的TTL值均為255， 這是由于最優(yōu)路徑選擇算法定下來以后，經(jīng)過一段時(shí)間穩(wěn)定后，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也穩(wěn)定了，數(shù)據(jù)包的路由路徑也會相應(yīng)穩(wěn)定在一個(gè)最優(yōu)路徑上。整個(gè)過程的數(shù)據(jù)收發(fā)正確，錯(cuò)誤率為0%。
參考文獻(xiàn)：
[1]張齊,勞熾元. 輕量級協(xié)議棧LWIP的分析與改進(jìn)[J]. 計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2010,31(10): 2169-2256
[2]方瓊瓊，李正平. 基于Rt-thread的嵌入式串口服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電腦知識與技術(shù)，2012,8(10):2425-2428
[3]陳希超,王健. 基于RT-Thread的嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信[J]. 電聲技術(shù),2012,36 (12):49-56
[4]楊俊,呂建平,徐峰柳. 基于uC/OS-II和LwIP的嵌入式Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)[J]. 電氣自動化,2011,33(3):62-64
[5]趙國鋒,馬文武. 基于LWIP的嵌入式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息, 2008,24(8-2):59-61
[6]songhexin8, STM32F107中國版用戶手冊[EB/OL][2012-12-06]. http://wenku.baidu.com/link?url=EFDU6p5iPaoci3mzJ2tuIZeBX2av1kMKc41_nYDXF4Ow4F0tOlf6QtxaweJ94hHYa5fEVL0wo67NMMs7bySVm_coWhCitXFfKRlCjfH-NZa
[7]高吉星,趙強(qiáng),佟為明.基于ENC28J60的TMS320F2812以太網(wǎng)通信接口設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)測量與控制,2013,21 (3):709-711
[8]啊左不是蝸牛, UC/OS-II學(xué)習(xí)筆記--STM32移植[EB/OL][2012-12-29]. http://bbs.ednchina.com/
BLOG_ARTICLE_3010147.HTM;http://bbs.ednchina.com/BLOG_ARTICLE_3010148.HTM
本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第1期第39頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。
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