基于 LWIP 的嵌入式网络系统设计与实现

基于 LWIP 的嵌入式网络系统设计与实现

发布日期:2008-12-01 作者:赵国锋，马文武 来源:微计算机信息

摘要:本文以 smdk2410 开发板为硬件平台，通过介绍 μC/OS-II 操作系统和 LWIP 网络协 议栈的移植，说明了如何构建一个嵌入式的网络系统。论文中同时包括了硬件引导程序与网 卡驱动程序的阐述，从而使得对该嵌入式网络系统的讨论相当完整，保证了软件系统的可实 际运行。

LWIP；CS8900A 驱动 0 引言

ARM(Advanced RISC Machines)是目前在嵌入式领域里应用最广泛的 RISC 微处理器 结构，以低成本、低功耗、高性能的特点占据了嵌入式系统应用领域的领先地位，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场。S3C2410 芯 片是由韩国 SAMSUNG 公司推出的基于 ARM920T 核的通用处理器，是为应用于小型掌上设备嵌入式系统应用而提供的微控制解决方案。SMDK2410 开发板是 SAMSUNG 公司推出 的基于此芯片的示例板，其网络部分使用的是 CS8900A 芯片。

鉴于 ARM 处理器多方面的优势，现在已有多款操作系统实现了对其的支持，包括 Linux、 VxWork、WinCE、μC/OS-II 等。其中 μC/OS-II 以其源码公开、代码精简（全部仅 6000 余 行），高效稳定，移植性好，可裁剪等特点，正在不断扩大影响力。但是，μC/OS-II 只提供 了基本的操作系统功能，例如进程调度、同步、进程通信等，却不提供一般操作系统都提供的如文件系统、网络等功能，一定程度上限制了其使用。

LWIP是开放源代码的独立TCP/IP协议栈，由瑞士计算机科学院的 Adam unkels 等开 发，其目的是在支持比较完整的TCP/IP协议的基础上减少代码尺寸,同时减少对存储器的使 用量，并且其移植接口简洁清晰，便于添加入其它操作系统中。

本文以SMDK2410开发板为硬件平台，构建了一个以μC/OS-II和LWIP为基础的软件系 统，并给出了一个在该系统上的网络服务应用程序，从而实现了一个完整的嵌入式网络系统。

关键字：S3C2410；SMDK2410；μC/OS-II；

1 整体介绍 本嵌入式系统体系结构如图1所示，在最终运行于SMDK2410开发板上的软件实际上包含五部分，分别是：硬件初始化程序、用户应用程序、μC/OS-II操作系统、LWIP网络协议 栈、CS8900A网卡驱动程序：

由于各部分相对的独立性，为了能使其协同工作，要实现各个模块之间的接口，这需要做五部分的工作

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编写SMDK2410开发板初始化代码，在系统启动后初始化硬件，为软件提供运行 环境。

移植μC/OS-II到SMDK2410开发板，即为μC/OS-II添加硬件相关代码。

移植LWIP到μC/OS-II，即为LWIP实现与操作系统相关的接口函数。 编写CS8900A网卡驱动支持LWIP，即为LWIP实现底层硬件数据接收功能。

基于LWIP和μC/OS-II提供的系统函数，编写用户网络应用程序。

２ 软件系统各部分介绍

2.1 初始化硬件平台 初始化代码的目的是使系统硬件环境处于一个合适的状态，从而为执行操作系统做好准备，它是整个软件系统最开始运行的程序。主要包括以下工作，由汇编文件 init.S 实现：

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中断向量表的建立：ARM要求中断向量表必须放置在从0X0地址开始，连续4byte 的空间内。每当一个中断发生以后，ARM处理器便强制把PC指针置为向量表中对 应中断类型的地址值。中断向量表的建立是通过一系列的跳转指令b来完成的，一 般如下：

//加电和复位处理函数的地

b ResetHandler

址

b HandlerIRQ b HandlerFIQ ……

内部寄存器的设置：主要完成对 S3C2410 芯片中的时钟管理、电源管理（包括掉电与重启处理）、内存管理等。这部分工作在 ResetHandler 处理函数中完成，以 下两部分工作也是在此函数中实现的。

? 堆栈的初始化：因为 ARM 有 7 种执行状态，每一种状态的堆栈指

针寄存器（SP） 都是独立的。因此，对程序中需要用到的每一种模式都要给 SP 定义一个堆栈地址。 方法是改变状态寄存器内的状态位，使处理器切换到不同的状态，然后给 SP 赋值。 注意：不要切换到 User 模式进行 User 模式的堆栈设置，因为进入 User 模式后就 不能再操作 CPSR 回到别的模式了，可能会对接下去的程序执行造成影响。

? 代码的搬移：全部可执行代码最初被烧写在了硬件电路板中的只读

NorFlash 中， 虽然 CPU 可以直接从中执行，但是速度较慢，所以，要将可执行的代码搬移到系统 RAM 中，以提高运行速度。

? 程序跳转：在初始化代码的最后，会通过跳转指令启动软件系统的

main()函数。

?

//通用中断服务函数的地址 //快速中断处理函数的地址

2.2 μC/OS-II 在 S3C2410 芯片上的移植

μC/OS-II 实际上可以看作是一个多任务的调度器，并提供了和多任务调度相关的一些 系统服务，如信号量、邮箱等，大部分代码由 C 语言编写，硬件独立。相对于移植工作而言，除一些类型定义等工作外，主要集中在多任务切换的实现上，这需要依据特定处理器结 构使用汇编语言实现处理器现场的保护和恢复。全部工作包括在对三个与体系结构相关文件[1]的修改上，具体如下：

OS_CPU.H 文件：这个文件中包括了用＃define 语句定义的、与处理器相关的常 数、宏以及数据类型。我们要根据具体的处理器和编译器重写，主要包括数据类型 的重新定义、堆栈单位和增长方向的设定，以及开关中断的宏定义和任务切换的宏 定义。 ? OS_CPU_C.C 文件 ：当 μC/OS-II 进行任务切换或中断时要保护

CPU 的寄存器 到任务堆栈，在这个文件中定义了该堆栈的初始化函数，即设定了要保护的每一个 寄存器在堆栈中，使堆栈如同中断刚发生过一样。此外还有一些 HOOK 函数，必须 声明。 ? OS_CPU_A.S 文件：μC/OS-II 是多任务实时操作系统，在进行任务

调度时需要切换任务上下文，这些和处理器相关的任务切换函数在这个文件中定义，此外还有时 钟中断处理函数和进退临界区宏指令也需要在此文件中实现。

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2.3 LWIP 在 μC/OS-II 上的移植

LWIP是独立的TCP/IP协议栈，代码中没有使用和操作系统及硬件相关的函数与数据结构，而是当需要这样的函数时，通过操作系统模拟层加以使用。操作系统模拟层向诸如定时 器、处理同步、消息传送机制等的操作系统服务提供一套统一的接口。原则上，移植LWIP 到其他操作系统时，仅仅需要实现适合该操作系统的操作系统模拟层，它包括以下这些函数[2]： sys_init() //初始化接口函数 sys_arch_timeouts() //定时器接口函数

sys_sem_new() //创建信号量接口函数 sys_sem_signal() //发送信号量接口函数

sys_arch_sem_wait() //等待信号量接口函数 sys_sem_free() //释放信号量接口函数

sys_mbox_t sys_mbox_new() //创建消息邮箱接口函数 sys_mbox_post() //发送消息接口函数

sys_arch_mbox_fetch() //取得消息接口函数 sys_mbox_free() //释放消息邮箱接口函数 sys_thread_new() //创建线程接口函数

这些函数的实现，基本上是根据 μC/OS-II 操作系统的相关数据结构，重定义这些函数 中的数据结构如 sys_sem_t、sys_mbox_t 等，再封装 μC/OS-II 操作系统相应的系统调用函 数来完成的。以接口函数 sys_sem_new()为例，其实现如下：

sys_sem_t sys_sem_new(u8_t count) {

sys_sem_t pSem;

pSem = OSSemCreate((u16_t)count ); return pSem; }

在 LWIP 中使用的这个信号量创建函数，可以看到是通过封装 μC/OS-II 操作系统的信号 量创建函数 OSSemCreate()来完成的，其中使用的数据结构 sys_sem_t 也被重定义如下： typedef OS_EVENT* sys_sem_t;

其中数据结构 OS_EVENT 同样为 μC/OS-II 操作系统所有，其它函数的实现与此类似，不再重复。