uC/OS-Ⅱ是一個源碼開放的搶占式實時操作系統。它內核短小精悍、可裁減、執行時間確定。系統大部分代碼采用C語言編寫，與硬件有關的部分都集中在兩個文件中，給出了規范的接口說明，移植相當方便，可應用于目前大多數型號的8位、16位、32位CPU。

uC/OS-Ⅱ提供的僅僅只是一個實時的調度及任務間通信的內核，沒有集成網絡協議。上網是當前嵌入式設備的廣泛需求，本文討論輕型TCP/IP協議棧的引入以及相關網絡設備驅動程序，實現嵌入式系統的網絡功能。

本文所用的硬件系統結構如圖1所示。開發板基于TMS320LF2407A的含DSP核微處理器和LAN91C111以太網控制器。在成功移植了μCOS-Ⅱ的基礎上進一步實現了以太網通訊功能。下面重點介紹TCP/IP協議棧的引入和LAN91C111驅動的編寫。

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圖1 嵌入式以太網硬件系統結構圖

TCP/IP網絡協議棧的引入

在μCOS-Ⅱ上引入下TCP/IP協議棧，由于嵌入式系統的硬件資源有限，必須使用小型協議棧。這種協議棧很多，LwIP是其中之一。

關于LwIP簡介

LwIP是瑞士計算機科學院(SCICS)的Adam Dunkels等開發的一套用于嵌入式系統的開放源碼的輕型TCP/IP協議棧，但Lwip實現了較為完備的IP,ICMP, UDP, TCP協議，具有超時時間估計、快速恢復和重發、窗口調整等功能。IwIP在保持協議主要功能的基礎上減少對RAM和ROM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，很適合同μCOS-Ⅱ相配合用在嵌入式系統中。LwIP在設計時就考慮到了將來的移植問題，它把所有與硬件、操作系統、編譯器相關的部分獨立出來，放在/src/arch目錄下，因此LwIP在μCOS-Ⅱ上的實現就是修改這個目錄下的文件，其它的文件一般不需要修改。下面分別予以說明:

協議棧的實現

·與CPU及編譯器相關的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μCOS-Ⅱ時定義的數據長度等參數一致。

·與操作系統相關部分 sys_arch.c中的內容是與操作系統相關的一些結構和函數，主要分四個部分: (1)sys_sem_t信號量LwIP中需用信號量通信，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μCOS-Ⅱ已經實現了信號量OS_EVENT的各種操作，并且功能和LwlP上面幾個函數的目的功能是完全一樣的，所以只要把μCOS-Ⅱ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。

sys_mbox_new()/創建一個消息隊列 sys_mbox_free( ) /釋放一個消息隊列

sys_mbox_post( )/向消息隊列發送消息

sys_arch_mbox_fetch( )/從消息隊列中獲取消息

μCOS-Ⅱ同樣實現了消息隊列結構及其操作，但是μCOS-Ⅱ沒有對消息隊列中的消息進行管理，因此不能直接使用，必須在μCOS-Ⅱ的基礎上重新實現。

(3)sys_arch_timeout函數

LwIP中每個與外界網絡連接的線程都有自己的timeout屬性，即等待超時時間。這個屬性表現為每個線程都對應一個sys_timeout結構體隊列，包括這個線程的timeout時間長度

，以及超時后應調用的timeout函數，該函數會做一些釋放連接，回收資源的工作.timeout結構體已經由LwIP自己在sys.h中定義好了，而且對結構體隊列的數據操作也由LwIP負責，我們所要實現的是如下函數:

struct sys_timeouts*sys_arch_timeouts(void)

這個函數的功能是返回目前正處于運行態的線程所對應的timeout隊列指針。timeout隊列屬于線程的屬性，它是OS相關的函數，只能由用戶實現。

(4)sys_thread_new創建新線程

LwIP可以是單線程運行，也可以多線程運行。為提高效率并降低編程復雜度，就需要用戶實現創建新線程的函數:

void sys_thread_new(void(*thread)(void*arg), void*arg);

在μCOS-Ⅱ中，沒有線程(thread)的概念，只有任務(Task)。它已經提供了創建新任務的系統API調用OSTaskCreate，因此只要把OSTaskCreate封裝一下，就可以實現sys_hread_new.

·lib_ arch中庫函數的實現

LwIP協議棧中用到了8個外部函數，這些函數通常與用戶使用的系統或編譯器有關，因此留給用戶自己實現，有關程序如下:

u16_t htons(u16_t n); /16位數據高低字節交換

u16_t ntohs(u16_t n);

int strlen(const char * str);/返回字符串長度

int strncmp(const char * strl,const char * str2,int len);/字符串比較

void bcopy(const void * src, void * dest, int len);/內存數據塊之間的互相拷貝

void bzero(void *data, int n); /內存中指定長度的數據塊清零

類似于操作系統在硬件上的移植，LwIP的移植也是根據實現的硬件以及操作系統對象，對相應的文件進行修改。整個通訊協議的引入可以很快實現。

LAN91C111驅動的實現

在上面為μCOS-Ⅱ引入了TCP/IP協議棧之后，為了實現以太網通信功能還必須完成相關網絡設備驅動程序的添加。LwIP的網絡驅動有一定的模板，其中src/netif/ethernetif.c文件即為驅動的模板，用戶為自己的網絡設備實現驅動時應參照這個模板，根據相應的網絡芯片來實現。本系統選用的網絡芯片是由SMSC公司生產的自適應10M/100M第三代快速以太網控制器芯片LAN91C111，集成了SMSC/CD協議的MAC(媒體層)和PHY(物理層)。由于其靈活性和集成度高，具有較高的性價比。

LAN91C111工作流程比較簡單，驅動程序將要發送的數據包按指定格式寫入芯片并啟動發送命令，LAN91C111會自動把數據包轉換成物理幀格式在物理信道上傳輸;反之芯片收到物理信號后自動將其還原成數據，并按指定格式存放在芯片RAM中以便主機程序取用。簡言之就是LAN91C111完成數據包和電信號之間的相

互轉換: 數據包 電信號。LAN91C111的編程主要包括:初始化、發送數據包、接收數據包三部分。

初始化

上電后，LAN91C111內部的寄存器的值設置為缺省值，CPU根據需要設置它里面的Configuration, Base和Individual Address寄存器，以保證它正確工作。發送數據包流程

(1) DSP向控制器發送ALLOCATE MEMORY命令(設置MMUCOM寄存器，通常設置0x0020)。MMU為待發送包在控制器內部的packet buffer中分配存儲空間。

(2) DSP查詢中斷狀態寄存器中的ALLOC INT位，直到該位被置成1，也可以設置Interrupt Mask中的ALLOC INT位，然后等待硬件中斷，這時MMU已經分配好存儲空間。而且TX packet number放在Allocation Result寄存器中。

(3)將Allocation Result寄存器中的packet number拷貝到Packet Number:寄存器中，設置Pointer寄存器(設置為TX，WR,AUTOINC，即0x4000)。然后將包的數據從upper layer發送隊列傳送到控制器的數據寄存器中。要求依次寫人Status Word, Byte Count, destination address，source address，packet size，packet data，control word。

(4) DSP向控制器發送"ENQUEUE PACKET NUMBER TO TX FIFO“命令(設置MMUCOM寄存器，通常設置Ox00C0)，這個命令將Packet Number寄存器中的packetnumber拷貝到TX FIFO，說明發送的包已經放入隊列中。同時設置Transmit control寄存器中的TXENA位，啟動transmitter。到目前為止，DSP的設置工作完成，它可以IDLE，直到接收到一個控制器產生的發送中斷。

(5)當控制器傳送完包以后，memory中的第一個字(16bit)被CSMA/CD寫入相應的Status Word，然后將TX FIFO中的packet number移到TX completion FIFO，當TX completion FIFO不為空時產生中斷。

(6) DSP接收到中斷后，開始執行中斷處理程序，它讀入中斷狀態寄存器，如果產生發送中斷，則從FIFO ports寄存器讀入發送的包的Packet Number，并將它寫到Packet Number寄存器。然后從內存中讀人狀態字(包括設置Pointer寄存器為TX,RD,AUTOINC，即0x6000，然后從數據寄存器中讀入包的狀態字)，它是EPH寄存器的鏡像，根據狀態字判斷包發送是否成功。如果成功則DSP向控制器發布RELEASE命令(設置MMUCOM寄存器，設置為Ox00A0)，控制器將釋放發送包所使用的存儲空間，同時設置TX INT Acknowledge寄存器，它將TX completion FIFO中的packet number清除。

(7)使用“每發送一個序列的包產生一個中斷”方案:允許TX EMPTY INT和TX INT, AUTORELEASE="1"，當發送完FIFO中的最后一個包后，產生TX EMPTY INT中斷。當發生嚴重的發送錯誤時，產生TX INT中斷，同時將發送失敗的包的packet number保存到FIFO Ports寄存器，這樣DSP就可以知道發送過程停止了。這種方案可以減少DSP的負擔，而且存儲空間的釋放也更迅速。接收數據包流程

(1) DSP設置receive control寄存器中的RXEN位，允許接收包。

(2)含有正確地址的包被接收到，從MMU請求存儲空間，并分派一個packet number,內部的DMA邏輯產生連續的地址，并將接收到的字寫到memory中，如果超界，包被丟棄，存儲空間被釋放。當檢測到包的結束，狀態字被寫到接收包的最前面，byte count寫到第二個字。如果CRC校驗正確，packet number被寫到RX FIFO，由于RX FIFO非空，產生RCV INT中斷;如果CRC校驗不正確，存儲空間被釋放，而且不產生中斷。

(3) DSP接收到中斷后開始執行中斷處理程序，它讀入中斷狀態寄存器，如果產生接收中斷(RCV INT位為1)，則可以從FIFO ports寄存器得到接收的包的packet number，而且可以從數據寄存器將接收包傳送到DSP的內存或外存中。當處理結束，DSP向處理器發布REMOVE AND RELEASE FROM TOP OF RX命令(即設置寄存器MMUCOM，即0x0060)，釋放使用的存儲空間和packet number.

軟件的調試與驗證

調試環境包括我們做的TMS320LF2407A+LAN91C111板、PC機、仿真器、網線等。首先，新建工程，脫離操作系統和TCP/IP協議的環境下，單獨調試通過LAN91C111的驅動程序，初始化，接收發送數據成功之后，另建工程集合μCOS-Ⅱ和LwIP結合驅動程序進行調試，在μCOS-Ⅱ中初始化LwlP，并創建TCP或UDP任務進行測試了。值得注意的是LwIP的初始化必須在μCOS-Ⅱ完全啟動之后也就是在任務中進行，因為它的初始化用到了信號量等OS相關的操作。關鍵部份的代碼和說明如下:

main(){OSlnit();OSTaskCreate(Iwip_init_task, Null, &Iwip-init-stk[TASK_STK_SIZE-1 ], 0);OSStart();}

主程序中創建了初始化LwIP任務Lwip_init_task(優先級0). Iwip_init_task任務中初始化硬件時鐘和LwIP，還創建了tcpip_thread(優先級5)和tcpecho_thread(優先級6)兩個任務。實際上tcpip_thread才是LwIP的主線程，多線程的Berkley API也是基于這個線程實現的，即上面的tcpecho_thread線程也要依靠tcpip_thread線程來與外界通信，這樣做的好處是編程簡單，結構清晰。

編譯運行后，用ping IP地址命令可以得到ICMP reply響應。用telnet IP地址命令可以看到echo server的回顯效果。說明ARP,ICMP,IP、下CP協議都已正確運行，調試通過。

結語

按課題的需求，這套系統用于電力保護系統的現場板卡的管理與和上下位機的通訊，現場采集的數據經處理后，通過數據線路連接到該板(本文所討論的系統)。由該DSP板集中進行管理并實現和上位機的通訊。該系統目前效果令人滿意，并且可以根據課題的需要，靈活地進行擴展。還可用于智能家電等領域，具有很好的發展前景。