引言

嵌入式技术的兴起使得传统的基于 PC 机的互联网技术优势不再,嵌入式网络客户端与服务端技术成为热点,而该技术需要移植性高、占用资源小的协议栈,轻量级 TCP/IP 协议栈 LWIP (light weight Internet protocol)比较适合嵌入式设备中存储容量有限的情况,而且能实现 TCP/IP 协议栈的基木功能,不影响设备的网络互联与传输服务。轻量级网络协议 LWIP 依附的硬件操作系统有 RT_Thread[2-3]和 uC/OS-II[4-5],鉴于 uC/OS-II 是一款应用较为广泛、技术较成熟的操作系统,本文采用 uC/OS-II 操作系统设计网络客户端。实验结果表明:ping 32 字节的数据,其收发正确,错误率为 0%。

 

1 系统硬件

如图 1 所示:硬件采用 STM32 处理器作为主控芯片,通过以太网控制器 EN28J60 和 RJ45 接口连接互联网,而且为了进行功能扩展和试验验证,主控芯片也可以由串口与计算机进行数据互传。

 

 

STM32F107 是主控芯片,它不仅具有 USB OTG 和 CAN2.0B 接口,而且片上集成了以太网 10/100 MAC 模块。该模块支持 MII 和 RMII 两种模式,所以,主控制器只需外接一个物理层 PHY 芯片就可以实现一个完整的以太网收发器;在时钟信号方面,只需用一个 25MHz 的晶振就可以给整个主控制器提供时钟,而主控制器还能输出一个 25MHz 或 50MHz 的时钟,交外部物理层 PHY 层芯片使用,这样可以为系统节省一个附加晶振[6]。

 

以太网控制器是 ENC28J60,它符合 IEEE802. 3 协议的全部规范,可以利用健全的包过滤机制对输入的数据包进行限制。集成了 DMA 模块,支持数据的高速吞吐率,并结合硬件实现 IP 地址校验和计算。它和主控器的通信依赖于两个中断管脚和 SPI 总线实现,数据传输速率高达 10 MB/s,为了观察数据传输的活动状态,可以在两个专用的引脚接上发光二极管[7]。

 

2 操作系统移植

操作系统 uC/OS-II 移植涉及到的主要内容是[4-5][8]:修改并整合与处理器相关的源文件,包含 os_cpu_c.c,os_cpu_a.s,os_cpu.h 三个文件。其中 os_cpu.h 文件负责定义与编译器相关的数据类型、堆栈类型,另外还有几个宏定义和函数声明,在进行移植工作时,由于对一个相同的数据类型,不同的编译器所支持的数据长度却不相同,所以需要修改原来的数据类型。os_cpu_a.s 文件主要负责定义与处理器相关的任务切换函数,实现任务上下文的切换以满足任务调度时的需要,另外还定义了时钟中断处理函数和进退临界区宏指令。os_cpu_c.c 文件主要负责定义堆栈的初始化函数,以利于操作系统在进行任务切换或中断时对相关操作数据进行堆栈保护,另外还定义了相关的 HOOK 函数。

 

首先修改 os_cpu_a.asm 文件,将原来的 RSEG CODE:CODE:NOROOT(2)改成:

 

 

AREA |.text|, CODE, READONLY, ALIGN=2;(其中 AREA|.text|代表选择段|.text|,CODE 指明代码段,READONLY 代表默认情况:只读。由于当 ALIGN=n,则字节数为 2^n,故此处 ALIGN=2 表示对齐 4 字节。)

 

THUMB ;Thumb 指令集

REQUIRE8 ;说明当前文件是八字节对齐堆栈需求

PRESERVE8 ;说明当前文件属于八字节对齐堆栈

修改 os_cpu.h 文件,注释掉下面的这三个函数:Void OS_CPU_SysTIckHandler(void);Void OS_CPU_SysTIckInit(void);UINT32 OS_CPU_SysTIckClkFreq(void);

修改 os_cpu_c.c 文件,注释掉以下定义和函数:

#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)函数

void OS_CPU_SysTickInit (void) 函数

 

3 轻量级协议栈 LWIP 的移植

LWIP 是轻量级的 TCP/IP 协议栈,协议栈中涉及的函数与数据结构和操作系统及硬件不相关,如果需要使用 uC/OS-II 操作系统的函数,必须通过操作系统模拟层进行调用。所以移植 LWIP 协议栈,实际上就是移植到 uC/OS-II 操作系统。操作系统模拟层为定时器、同步处理、消息传送机制等服务提供一组外留的接口函数,为 LwIP 提供两种进程间通信方式:信号量和邮箱。创建任务函数、临界保护函数以及信号量和邮箱操作函数均由 uC/OS-II 提供,进行针对 LwIP 的移植任务时,就是修改相关接口函数(包括信号量操作函数、邮箱操作函数、临界保护函数、sys_thread_new( )函数、sys_arch_timeouts( )函数),从而实现 LwIP 操作系统模拟层的函数利用[4~5]。

 

LWIP 的数据包包头是 14 个字节,基于 LWIP 的以太网接收的数据包格式以一个数据结构来描述:PACK_STRUCT_BEGIN

struct eth_hdr {

PACK_STRUCT_FIELD(struct eth_addr dest); // 目标的媒质接入控制层地址

PACK_STRUCT_FIELD(struct eth_addr src); // 源的媒质接入控制层地址

PACK_STRUCT_FIELD(u16_t type); // 类型

} PACK_STRUCT_STRUCT;

PACK_STRUCT_END

其中几个 PACK_STRUCT_xxx 的宏定义与编译器字对齐相关,上面的目标 dest、源 src 和类型 type 三个字段分别对应目标的媒质接入控制层地址、源的媒质接入控制层地址、数据类型。

 

4 结论

测试前需要把计算机与嵌入式网口模块的 IP 地址配置在同一网段,IP 地址分别为 192.168.1.100,192.168.1.102。如果想查看 IP 地址配置情况,运行 CMD 命令行,执行 ipconfig/all 命令。配置完以后,接着 ping 嵌入式网口的 IP 地址,结果如图 2 所示。

 

从图 2 可以看出:主机 ping 32 字节的数据,4 个包所用的时间最长为 5ms,最短为 3ms;而 4 个包的 TTL 值均为 255, 这是由于最优路径选择算法定下来以后,经过一段时间稳定后,网络拓扑结构也稳定了,数据包的路由路径也会相应稳定在一个最优路径上。整个过程的数据收发正确,错误率为 0%。