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。