1、LwIP協(xié)議棧開發(fā)嵌入式網(wǎng)絡的三種方法分析摘要 輕量級的TCP/IP協(xié)議棧LwIP，提供了三種應用程序設計方法，且很容易被移植到多任務的操作系統(tǒng)中。本文結合C/OS-II這一實時操作系統(tǒng)，以建立TCP服務器端通信為例，分析三種方法以及之間的關系，著重介紹基于raw API的應用程序設計。最后在ST公司STM32F107微處理器平臺上驗證，并給出了測試結果。關鍵詞 LwIP協(xié)議棧；C/OS-II；嵌入式網(wǎng)絡；STM32F107；隨著嵌入式系統(tǒng)功能的多樣化以及網(wǎng)絡在各個領域的中的廣泛應用，具備網(wǎng)絡功能的嵌入式設備擁有更高的使用價值和更強的通用性。然而大部分嵌入式設備使用經(jīng)濟型處理器，受內存和速度限

2、制，資源有限，不需要也不可能完整實現(xiàn)所有的TCP/IP協(xié)議，有時只需要滿足實際需求就行。LwIP是由瑞典計算機科學研究院開發(fā)的輕量型TCP/IP協(xié)議棧，其特點是保持了以太網(wǎng)的基本功能，通過優(yōu)化減少了對存儲資源的占用。LwIP是免費、開源的，任何人可以使用，能夠在裸機的環(huán)境下運行，當然設計的時候也考慮了將來的移植問題，可以很容易移植到多任務操作系統(tǒng)中。本文介紹了以ARM微處理器STM32F107和PHY接口DP83848為平臺，構建的嵌入式系統(tǒng)中，采用LwIP和嵌入式操作系統(tǒng)C/OS-II，使用協(xié)議棧提供的三種應用程序接口，實現(xiàn)嵌入式設備的網(wǎng)絡通信功能。1 LwIP和C/OS-II介紹1.1 L

3、wIP協(xié)議棧LwIP協(xié)議是瑞士計算機科學院的Adam Dunkels等開發(fā)的一套用于嵌入式系統(tǒng)的開放源代碼TCP/IP協(xié)議棧。LwIP含義是light weight(輕型)IP協(xié)議，在實現(xiàn)時保持了TCP協(xié)議的主要功能基礎上減少對RAM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，這使LwIP協(xié)議棧很適合在低端嵌入式系統(tǒng)中使用。LwIP協(xié)議棧的設計才用分層結構的思想，每一個協(xié)議都作為一個模塊來實現(xiàn)，提供一些與其它協(xié)議的接口函數(shù)。所有的TCP/IP協(xié)議棧都在一個進程當中，這樣TCP/IP協(xié)議棧就和操作系統(tǒng)內核分開了。而應用程序既可以是單獨的進程也可以駐留在TCP/IP進程中，它

4、們之間利用ICP機制進行通訊。如果應用程序是單獨的線程可以通過操作系統(tǒng)的郵箱、消息隊列等，與協(xié)議棧進程通訊。如果應用程序駐留在協(xié)議棧進程中，則應用程序可以通過內部回調函數(shù)和協(xié)議棧進程通訊。1.2 C/OS-II實時操作系統(tǒng)C/OS-II是一個源碼公開、可移植、可固化、可裁剪及占先式的實時多任務操作系統(tǒng)，是專門為嵌入式應用設計的實時操作系統(tǒng)內核，已廣泛的應用在各種嵌入式系統(tǒng)中。 C/OS-II是多任務系統(tǒng)，內核負責管理各個任務，每個任務都有其優(yōu)先級，C/OS-II最多可以管理64個任務，其每個任務都擁有自己獨立的堆棧。C/OS-II提供了非常豐富的系統(tǒng)服務功能，比如信號量、消息郵箱、消息隊列、事

5、件標志、內存管理和時間管理等，這些功能可以幫助用戶實現(xiàn)非常復雜的應用。1.3 LwIP協(xié)議棧移植到C/OS-IILwIP協(xié)議棧在設計的時候就考慮到了將來的移植問題，因此把所有與硬件、操作系統(tǒng)、編譯器有關的部分都全部獨立起來，形成了一個操作系統(tǒng)模擬層。操作系統(tǒng)模擬層用進程間的信號量、郵箱機制處理通信問題，而C/OS-II是一個基于任務調度的嵌入式實時操作系統(tǒng)，因此移植LwIP協(xié)議棧到C/OS-II，是很容易實現(xiàn)的。2 LwIP開發(fā)嵌入式網(wǎng)絡應用程序LwIP提供了三種應用程序接口：（1） 低水平的，基于內核/回調函數(shù)的API（后面稱 RAW API）（2） 高水平的，連續(xù)的API（后面稱LwIP

6、API）（3） BSD風格的套接字API（后面稱BSD socket）可以在協(xié)議棧中通過對宏定義的不同配置，來決定使用哪種方式。其中BSD socket方式不是很成熟，RAW API需要編寫回調函數(shù)，協(xié)議棧推薦使用LwIP API這種方式，但是三種方式到了底層都是通過回調函數(shù)實現(xiàn)的。本文直接從RAW API入手，以建立TCP服務器端通信為例，詳述底層的調用，然后再講述后面的兩種是如何封裝而成的。2.1基于RAW API的應用程序設計步驟使用RAW API進行TCP/IP編程，可以使應用程序的代碼和協(xié)議棧的代碼很好地結合起來。程序的執(zhí)行機制是以回調函數(shù)為基礎的事件驅動的，同時回調函數(shù)也是被TCP

7、/IP代碼直接調用的，回調函數(shù)、數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)都需要自己編寫。這種方式是唯一的一種支持設備裸機運行，又可以完成網(wǎng)絡通信完成系統(tǒng)功能。裸機運行實際相當于是一個線程，而協(xié)議棧代碼和應用程序代碼通過先后次序處理，完成數(shù)據(jù)流轉。圖1是使用RAW API方式，多任務系統(tǒng)實現(xiàn)TCP服務器端通信的步驟。圖1 RAW API方式應用程序設計LwIP協(xié)議棧中的tcp塊結構有兩種TCP_PCB和TCP_PCB_LISTEN，前者在內存池中的默認個數(shù)是5，后者是8，其中l(wèi)isten型的結構占用少量的內存，專門用于處理在偵聽狀態(tài)的tcp塊結構。tcp_listen函數(shù)中，釋放tcp_new創(chuàng)建的塊結構，而是返回一個li

8、sten型的tcp塊結構。客戶端連接，到達TCP層，在tcp_listen_input函數(shù)中，重新創(chuàng)建一個TCP_PCB塊結構，專門用于和客戶端通信。偵聽到客戶端連接，完成三次握手后，回調自己編寫的接收函數(shù)，然后將全局的指針指向與客戶端通信的塊結構，在數(shù)據(jù)發(fā)送時，使用這個指針，就是在用這個塊結構與客戶端通信。由上面看出，這種方式最大的特點是減少了任務之間的切換，只要數(shù)據(jù)來到協(xié)議棧線程，通過回調的方式就可以完成數(shù)據(jù)的處理。2.2 基于LwIP API的應用程序設計LwIP API方式的編程，是基于上面的RAW API的，封裝了一個netconn的結構，所有操作不在針對TCP塊結構，而變成了net

9、conn型的結構變量。操作都需要協(xié)議棧去處理，應用程序與協(xié)議棧通信，通過發(fā)送消息方式進行，因此這種方式會造成頻繁的任務切換，速度相比RAW API慢了許多，使用步驟如圖2所示。圖2 LwIP API方式應用程序設計2.3 基于BSD socket的應用程序設計BSD socket相當于對LwIP API做了一層封裝，而netconn結構有一個變量是socket，這樣兩者很容易結合起來。Socket方式很容易被理解，編寫應用程序也較為容易，但是效率低，消耗的資源更多，使用步驟如圖3所示。圖3 BSD socket方式應用程序設計3 實際應用與驗證本次驗證中使用的開發(fā)板，微處理器采用ST公司推出的

10、STM32F107，以太網(wǎng)PHY芯片采用DP83848.STM32F107是一款基于ARM Cortex-M3內核的32位處理器，是面向網(wǎng)絡互連型應用的，最大工作頻率為72MHz，內置了MAC控制器，可以方便地與以太網(wǎng)PHY芯片連接，構成以太網(wǎng)接口。以太網(wǎng)PHY芯片DP83848采用RMII模式與STM32F107連接。RMII模式可以減少接口之間的引腳連接，降低了繪制電路板的復雜性，同時空閑的引腳可用作其它用途，以太網(wǎng)接口如圖4所示。圖4 STM32F107 MAC與DP83848連接圖在開發(fā)板上，移植好LwIP協(xié)議棧和C/OS-II操作系統(tǒng)，應用程序中創(chuàng)建一個Web服務器，綁定本地IP地址192.168.1.241、端口80。在自己編寫的數(shù)據(jù)接收函數(shù)中，利用兩個字符