實時操作系統uC/0S II下TCP/IP協議棧的實現

摘要：結合ez80和ARM7兩種系統上的具體實現，說明了如何在嵌入式實時操作系統uC/0SII上移植實現LwIP這套TCP/IP協議棧，使uC/0S II成為支持網絡的RTOS。

1 引言

隨著嵌入式系統與網絡的日益結合，在嵌入式實時操作系統中引入TCP/IP協議棧，以支持嵌入式設備接入網絡，成為嵌入式領域重要的研究方向。uC/0S II是近年來發展迅速的一個開放源碼實時操作系統，但它只是一個實時的任務調度及通信內核，缺少對外圍設備和接口的支持，如沒有文件系統、網絡協議、圖形界面。筆者在多個嵌入式項目的開發過程中，以開源TCP/IP協議棧LwIP為基礎，給uC/0S II加上了網絡支持。下面就以uC/0S II +LwIP分別在8位MCU ez80和32位MCU ARM7TDMI上的實現為例進行說明。

需要說明的是，筆者使用的ez80系統是Zilog公司的ez80190開發板，自帶網絡芯片。而ARM7系統是使用筆者參與開發的Skyeye，一個基于GDB的ARM7TDMI指令級軟件仿真器。Skyeye小組最近為Skyeye加上了軟件模擬的Ne2k兼容網絡芯片，可以運行帶網絡支持的μcLinux和uC/0S II。以下的全部相關程序和代碼都可以在Skyeye網站(hpclab.cs.tsinghua.edu.cn/~skyeye/)下載。

2 基于uC/0S II的網絡平臺概述

嵌入式操作系統uC/0S II是一個公開源代碼的占先式多任務的微內核RTOS，其性能和安全性可以與商業產品競爭。uC/0S II的特點可以概括為以下幾個方面：公開源代碼，代碼結構清晰、明了，注釋詳盡，組織有條理，可移植性好。可裁剪，可固化。內核屬于搶占式，最多可以管理60個任務。uC/0S II自1992年的第一版(uC/0S)以來已經有好幾百個應用，是一個經實踐證明好用且穩定可靠的內核。目前國內對uC/0S II的研究和應用都很多。

TCP/IP是Internet的基本協議，以其實用性、高效性已經成為事實上的工業標準。嵌入式設備要與Internet網絡直接交換信息，就必須支持TCP/IP協議。目前嵌入式設備上TCP/IP方案有很多種，但面向低端應用的開源嵌入式網絡平臺還很少見。

uC/0S II是一個富有開放色彩的RTOS，只要買一本書就可獲得源代碼，對學校和教育的使用完全免費，商業應用的費用相對也很低。但是它目前的一些第三方TCP/IP支持都是完全商業化的，用戶需要付費才能獲得，很少給出源代碼，這影響了uC/0S II的研究和推廣。通過把開放源代碼的TCP/IP協議棧LwIP移植到uC/0S II上來，就獲得了一套可免費研究、學習的嵌入式網絡軟件平臺。

3 開源TCP/IP協議棧LwIP簡介

LwIP是瑞士計算機科學院(Swedish InSTitute of Computer Science)的Adam Dunkels等開發的一套用于嵌入式系統的開放源代碼TCP/IP協議棧。LwIP的含義是Light Weight(輕型)IP協議。LwIP可以移植到操作系統上，也可以在無操作系統的情況下獨立運行。LwIP TCP/IP實現的重點是在保持TCP協議主要功能的基礎上減少對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協議棧適合在低端嵌入式系統中使用。

LwIP的特性如下：

(1) 支持多網絡接口下的IP轉發

(2) 支持ICMP協議

(3) 包括實驗性擴展的的UDP(用戶數據報協議)

(4) 包括阻塞控制，RTT估算和快速恢復和快速轉發的TCP(傳輸控制協議)

(5) 提供專門的內部回調接口(Raw API)用于提高應用程序性能

(6) 可選擇的Berkeley接口API(多線程情況下)

我們目前使用的是LwIP的最新穩定版V0.5.3。有關LwIP的詳細內容，可以參考其代碼和網站上的文檔。

4 LwIP在uC/0S II下的實現

4.1 概述

LwIP協議棧在設計時就考慮到了將來的移植問題，因此把所有與硬件、OS、編譯器相關的部份獨立出來，放在/src/arch目錄下。因此LwIP在uC/0S II上的實現就是修改這個目錄下的文件，其它的文件一般不應該修改。下面分幾部份分別說明相應文件的實現原理和過程。具體的代碼限于篇幅沒有給出，Skyeye網站上有完整的代碼和說明。

4.2 與CPU或編譯器相關的include文件

/src/arch/include/arch目錄下cc.h、CPU.h、perf.h中有一些與CPU或編譯器相關的定義，如數據長度，字的高低位順序等。這應該與用戶實現uC/0S II時定義的數據長度等參數是一致的。

#define BYTE_ORDER LITTLE_ENDIAN //ARM7默認為小端存儲系統

//數據類型長度的定義

typedef unsigned char u8_t;

typedef signed char s8_t;

typedef unsigned short u16_t;

typedef signed short s16_t;

typedef unsigned int u32_t;

typedef signed int s32_t;

此外還有一點：一般情況下C語言的結構體struct是4字節對齊的，但是在處理數據包的時候，LwIP使用的是通過結構體中不同數據的長度來讀取相應的數據的，所以，一定要在定義struct的時候使用_packed關鍵字，讓編譯器放棄struct的字節對齊。LwIP也考慮到了這個問題，所以，在它的結構體定義中有幾個PACKED_FIELD_xxx宏，默認的時候這幾個宏都是空的，可以在移植的時候添加不同的編譯器所對應的_packed關鍵字。比如在Skyeye(ARM7)上對應gcc編譯器的定義：

#define PACK_STRUCT_FIELD(x) x __attribute__((packed))

#define PACK_STRUCT_STRUCT __attribute__((packed))

#define PACK_STRUCT_BEGIN

#define PACK_STRUCT_END

4.3 sys_arch操作系統相關部份

sys_arch.[ch]中的內容是與OS相關的一些結構和函數，主要可以分為四個部份：

(1) sys_sem_t 信號量

LwIP中需要使用信號量通信，所以在sys_arch中應實現信號量結構體和處理函數：

struct sys_sem_t

sys_sem_new() //創建一個信號量結構

sys_ sem _free() //釋放一個信號量結構

sys_ sem _signal() //發送信號量

sys_ arch_sem _wait() //請求信號量

由于uC/0SII已經實現了信號量OS_EVENT的各種操作，并且功能和LwIP上面幾個函數的目的功能是完全一樣的，所以只要把uC/0SII的函數重新包裝成上面的函數，就可以直接使用了。

(2) sys_mbox_t 消息

LwIP使用消息隊列來緩沖、傳遞數據報文，因此要在sys_arch中實現消息隊列結構sys_mbox_t，以及相應的操作函數：