LwIP协议栈开发嵌入式网络的三种方法分析

LwIP协议栈开发嵌入式网络的三种方法分析摘要轻量级的TCP/IP协议栈LwIP,提供了三种应用程序设计方法，且很容易被移植到多任务的操作系统中。本文结合gC/OS-II这一实时操作系统，以建立TCP服务器端通信为例，分析三种方法以及之间的关系，着重介绍基于rawAPI的应用程序设计。最后在ST公司STM32F107微处理器平台上验证，并给出了测试结果。关键词LwIP协议栈；gC/OS-II；嵌入式网络；STM32F107；随着嵌入式系统功能的多样化以及网络在各个领域的中的广泛应用，具备网络功能的嵌入式设备拥有更高的使用价值和更强的通用性。然而大部分嵌入式设备使用经济型处理器，受内存和速度限制，资源有限，不需要也不可能完整实现所有的TCP/IP协议，有时只需要满足实际需求就行。LwIP是由瑞典计算机科学研究院开发的轻量型TCP/IP协议栈，其特点是保持了以太网的基本功能，通过优化减少了对存储资源的占用°LwIP是免费、开源的，任何人可以使用，能够在裸机的环境下运行，当然设计的时候也考虑了将来的移植问题，可以很容易移植到多任务操作系统中。本文介绍了以ARM微处理器STM32F107和PHY接口DP83848为平台，构建的嵌入式系统中，采用LwIP和嵌入式操作系统gC/OS-II，使用协议栈提供的三种应用程序接口，实现嵌入式设备的网络通信功能。1LwIP和uC/OS-II介绍LwIP协议栈LwIP协议是瑞士计算机科学院的AdamDunkels等开发的一套用于嵌入式系统的开放源代码TCP/IP协议栈。LwIP含义是lightweight（轻型）IP协议，在实现时保持了TCP协议的主要功能基础上减少对RAM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，这使LwIP协议栈很适合在低端嵌入式系统中使用。LwIP协议栈的设计才用分层结构的思想，每一个协议都作为一个模块来实现，提供一些与其它协议的接口函数。所有的TCP/IP协议栈都在一个进程当中，这样TCP/IP协议栈就和操作系统内核分开了。而应用程序既可以是单独的进程也可以驻留在TCP/IP进程中，它们之间利用ICP机制进行通讯。如果应用程序是单独的线程可以通过操作系统的邮箱、消息队列等，与协议栈进程通讯。如果应用程序驻留在协议栈进程中，则应用程序可以通过内部回调函数和协议栈进程通讯。pC/OS-II实时操作系统gC/OS-II是一个源码公开、可移植、可固化、可裁剪及占先式的实时多任务操作系统，是专门为嵌入式应用设计的实时操作系统内核，已广泛的应用在各种嵌入式系统中。gC/OS-II是多任务系统，内核负责管理各个任务，每个任务都有其优先级，gC/OS-II最多可以管理64个任务，其每个任务都拥有自己独立的堆栈。gC/OS-II提供了非常丰富的系统服务功能，比如信号量、消息邮箱、消息队列、事件标志、内存管理和时间管理等，这些功能可以帮助用户实现非常复杂的应用。LwIP协议栈移植到pC/OS-IILwIP协议栈在设计的时候就考虑到了将来的移植问题，因此把所有与硬件、操作系统、编译器有关的部分都全部独立起来，形成了一个操作系统模拟层。操作系统模拟层用进程间的信号量、邮箱机制处理通信问题，而gC/OS-II是一个基于任务调度的嵌入式实时操作系

统，因此移植LwIP协议栈到以C/OSIL是很容易实现的。2LwIP开发嵌入式网络应用程序LwIP提供了三种应用程序接口：（1） 低水平的，基于内核/回调函数的API（后面称RAWAPI）（2） 高水平的，连续的API（后面称LwIPAPI）（3） BSD风格的套接字API（后面称BSDsocket）可以在协议栈中通过对宏定义的不同配置，来决定使用哪种方式。其中BSDsocket方式不是很成熟，RAWAPI需要编写回调函数，协议栈推荐使用LwIPAPI这种方式，但是三种方式到了底层都是通过回调函数实现的。本文直接从RAWAPI入手，以建立TCP服务器端通信为例，详述底层的调用，然后再讲述后面的两种是如何封装而成的。2.1基于RAWAPI的应用程序设计步骤使用RAWAPI进行TCP/IP编程，可以使应用程序的代码和协议栈的代码很好地结合起来。程序的执行机制是以回调函数为基础的事件驱动的，同时回调函数也是被TCP/IP代码直接调用的，回调函数、数据发送函数都需要自己编写。这种方式是唯一的一种支持设备裸机运行，又可以完成网络通信完成系统功能。裸机运行实际相当于是一个线程，而协议栈代码和应用程序代码通过先后次序处理，完成数据流转。图1是使用RAWAPI方式，多任务系统实现TCP服务器端通信的步骤。系统初始化匕任务启动_完成板级支持包初始化_系统初始化匕任务启动_完成板级支持包初始化_调用协议栈接口，完成协议栈初始化、网卡初始化，创建协议栈任务创建网口数据接收任务 "力・。'创建止仁？块结构 tcpbind绑定本地卬、_端口tcplisten，处于侦听状态1_ ，tcp_accept，注册自己编写 的接收函数 tcp_recv，注册自己编写的 数据接收函数 编写网口数据发送函数TaskInitStart协议栈任务 「 网口数据接收任务■■—If---网卡有数据到来是调用协议栈网络接口函数 ethernet|if_input 等待数据到来发送消息，类型是一调用与协议栈任务通信等待数据到来TCPIP_MSG_INPKT 函数tcpip_input_数据到IP层 = 连接时，回调接收函数，数据到TCP层一 全局的TCP块指针指向与客户端通信的块结构有数据到来时，

回调数据接收函数将接收到的数据处理后，交给应用程序任务处理•要发送数据时调用'图1RAWAPI有数据到来时，

回调数据接收函数将接收到的数据处理后，交给应用程序任务处理•要发送数据时调用'LwIP协议栈中的tcp块结构有两种TCP_PCB和TCP_PCB_LISTEN，前者在内存池中的默认个数是5,后者是8,其中listen型的结构占用少量的内存，专门用于处理在侦听状态的tcp块结构°tcp_listen函数中，释放tcp_new创建的块结构，而是返回一个listen型的tcp块结构。客户端连接，到达TCP层，在tcp_listen_input函数中，重新创建一个TCP_PCB块结构，专门用于和客户端通信。侦听到客户端连接，完成三次握手后，回调自己编写的接收函数，然后将全局的指针指向与客户端通信的块结构，在数据发送时，

使用这个指针，就是在用这个块结构与客户端通信。由上面看出，这种方式最大的特点是减少了任务之间的切换，只要数据来到协议栈线程，通过回调的方式就可以完成数据的处理。2.2基于LwIPAPI的应用程序设计LwIPAPI方式的编程，是基于上面的RAWAPI的，封装了一个netconn的结构，所有操作不在针对TCP块结构，而变成了netconn型的结构变量。操作都需要协议栈去处理，应用程序与协议栈通信，通过发送消息方式进行，因此这种方式会造成频繁的任务切换，速度相比RAW人?1慢了许多，使用步骤如图2所示。应用程序任务协议栈任务netconn_new

创建一个新的连接netconn_bind

绑定本地应用程序任务协议栈任务netconn_new

创建一个新的连接netconn_bind

绑定本地IP、端口TCPIP_MSG_API,, z消息类型TCPIP_MSG_INPKTdo_newconn，建立TCP结构 卜注册数据接收函数recv_tcp

do_bind调用tcp_bind函数 ]TaskNetDataRecv

网口数据接收任务netconnlisten开始侦听netconn_accept

等待客户端连接，成功则

返回一个新的netconn

netconnlisten开始侦听netconn_accept

等待客户端连接，成功则

返回一个新的netconn

结构，用于客户端通信dolisten，注册接收函数

accept_function■■给连接的acceptmbox发送消息、 客户端连接时回调日acceptfunctionnetconnrecv等待数据♦—给连接的recvmboxnetconnrecv等待数据♦—给连接的recvmbox发送消息客户端有数据到来，.回调recvtcp数据接收并处理完毕

后，需要发送数据do_recv，告诉协议栈，已经获取数据+|netconn_write|netconn_write发送数据|do_write，发送数据到TCP层1图2LwIPAPI方式应用程序设计2.3基于BSDsocket的应用程序设计BSDsocket相当于对LwIP人?【做了一层封装，而netconn结构有一个变量是socket，这样两者很容易结合起来。Socket方式很容易被理解，编写应用程序也较为容易，但是效率低，消耗的资源更多，使用步骤如图3所示。Seek前函数创建一个套接字—调用netconn_new_with_callback一Socket函数创建个套接字1 创建一个netconn型的连接bind绑定本地叩、端口调用netconn_bind实现listenlisten开始侦听调用netconn_listen_with_backlogaccept接收客户端连接'调用netconn_accept实现read等待客户端数据到1|来调用netconn_recv实现数据接收并处理完毕

后，需要发送数据write发送数据write发送数据'调用netconn_write实现图3BSDsocket方式应用程序设计3实际应用与验证本次验证中使用的开发板，微处理器采用ST公司推出的STM32F107,以太网PHY芯片采用DP83848.STM32F107是一款基于ARMCortex-M3内核的32位处理器，是面向网络互连型应用的，最大工作频率为72MHz，内置了MAC控制器，可以方便地与以太网PHY芯片连接，构成以太网接口。以太网PHY芯片DP83848采用RMII模式与STM32F107连接。RMII模式可以减少接口之间的引脚连接，降低了绘制电路板的复杂性，同时空闲的引脚可用作其它用途，以太网接口如图4所示。MII_TX_ENMII_TXD0-MII_TXD1-MII_MDC-STM32F107以太网模块，MII_MDIO"MII_RXD1♦MII_RXD0MII_RX_DV/iRMIICRSDVTX_ENTXD_0TXD_1MDCDP83848接口'MDIO'RXD_1'RXD_0-RX_DV/MIIMODE图4STM32F107MAC与DP83848连接图在开发板上，移植好LwIP协议栈和以C/OSII操作系统，应用程序中创建一