μC/OS-Ⅱ嵌入式以太网通信的设计解析

　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。