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做系统中。本文结合μC/OS-II这一实时操做系统，以创建TCP服务器端通讯为例，分析三种方法以及之间的关系，着重介绍基于raw API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；μC/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普遍应用，具有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，不须要也不可能完整实现全部的TCP/IP协议，有时只须要知足实际需求就行。LwIP是由瑞典计算机科学研究院开发的轻量型TCP/IP协议栈，其特色是保持了以太网的基本功能，经过优化减小了对存储资源的占用。LwIP是免费、开源的，任何人可使用，可以在裸机的环境下运行，固然设计的时候也考虑了未来的移植问题，能够很容易移植到多任务操做系统中。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和嵌入式操做系统μC/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讯功能。

 

1   LwIP和μC/OS-II介绍

1.1 LwIP协议栈

LwIP协议是瑞士计算机科学院的Adam Dunkels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light weight(轻型)IP协议，在实现时保持了TCP协议的主要功能基础上减小对RAM的占用，通常它只须要几十K的RAM和40K左右的ROM就能够运行，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，每个协议都做为一个模块来实现，提供一些与其它协议的接口函数。全部的TCP/IP协议栈都在一个进程当中，这样TCP/IP协议栈就和操做系统内核分开了。而应用程序既能够是单独的进程也能够驻留在TCP/IP进程中，它们之间利用ICP机制进行通信。若是应用程序是单独的线程能够经过操做系统的邮箱、消息队列等，与协议栈进程通信。若是应用程序驻留在协议栈进程中，则应用程序能够经过内部回调函数和协议栈进程通信。

1.2 μC/OS-II实时操做系统

μC/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做系统，是专门为嵌入式应用设计的实时操做系统内核，已普遍的应用在各类嵌入式系统中。

μC/OS-II是多任务系统，内核负责管理各个任务，每一个任务都有其优先级，μC/OS-II最多能够管理64个任务，其每一个任务都拥有本身独立的堆栈。μC/OS-II提供了很是丰富的系统服务功能，好比信号量、消息邮箱、消息队列、事件标志、内存管理和时间管理等，这些功能能够帮助用户实现很是复杂的应用。

1.3     LwIP协议栈移植到μC/OS-II

LwIP协议栈在设计的时候就考虑到了未来的移植问题，所以把全部与硬件、操做系统、编译器有关的部分都所有独立起来，造成了一个操做系统模拟层。操做系统模拟层用进程间的信号量、邮箱机制处理通讯问题，而μC/OS-II是一个基于任务调度的嵌入式实时操做系统，所以移植LwIP协议栈到μC/OS-II，是很容易实现的。

2 LwIP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 RAW API）

（2）       高水平的，连续的API（后面称LwIP API）

（3）       BSD风格的套接字API（后面称BSD socket）

能够在协议栈中经过对宏定义的不一样配置，来决定使用哪一种方式。其中BSD socket方式不是很成熟，RAW API须要编写回调函数，协议栈推荐使用LwIP API这种方式，可是三种方式到了底层都是经过回调函数实现的。本文直接从RAW API入手，以创建TCP服务器端通讯为例，详述底层的调用，而后再讲述后面的两种是如何封装而成的。

2.1基于RAW API的应用程序设计步骤

使用RAW API进行TCP/IP编程，可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、数据发送函数都须要本身编写。这种方式是惟一的一种支持设备裸机运行，又能够完成网络通讯完成系统功能。裸机运行实际至关因而一个线程，而协议栈代码和应用程序代码经过前后次序处理，完成数据流转。

图1是使用RAW API方式，多任务系统实现TCP服务器端通讯的步骤。

图1 RAW API方式应用程序设计

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型的结构占用少许的内存，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建立的块结构，而是返回一个listen型的tcp块结构。客户端链接，到达TCP层，在tcp_listen_input函数中，从新建立一个TCP_PCB块结构，专门用于和客户端通讯。侦听到客户端链接，完成三次握手后，回调本身编写的接收函数，而后将全局的指针指向与客户端通讯的块结构，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讯。

由上面看出，这种方式最大的特色是减小了任务之间的切换，只要数据来到协议栈线程，经过回调的方式就能够完成数据的处理。

2.2 基于LwIP API的应用程序设计

LwIP API方式的编程，是基于上面的RAW API的，封装了一个netconn的结构，全部操做不在针对TCP块结构，而变成了netconn型的结构变量。操做都须要协议栈去处理，应用程序与协议栈通讯，经过发送消息方式进行，所以这种方式会形成频繁的任务切换，速度相比RAW API慢了许多，使用步骤如图2所示。

图2 LwIP API方式应用程序设计

2.3 基于BSD socket的应用程序设计

BSD socket至关于对LwIP API作了一层封装，而netconn结构有一个变量是socket，这样二者很容易结合起来。Socket方式很容易被理解，编写应用程序也较为容易，可是效率低，消耗的资源更多，使用步骤如

图3 BSD socket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ARM Cortex-M3内核的32位处理器，是面向网络互连型应用的，最大工做频率为72MHz，内置了MAC控制器，能够方便地与以太网PHY芯片链接，构成以太网接口。以太网PHY芯片DP83848采用RMII模式与STM32F107链接。RMII模式能够减小接口之间的引脚链接，下降了绘制电路板的复杂性，同时空闲的引脚可用做其它用途，以太网接口如图4所示。

图4 STM32F107 MAC与DP83848链接图

在开发板上，移植好LwIP协议栈和μC/OS-II操做系统，应用程序中建立一个Web服务器，绑定本地IP地址192.168.1.24一、端口80。在本身编写的数据接收函数中，利用两个字符型数据分别保存HTTP1.0响应消息的相关信息和要在客户端网页中显示的信息。侦听到客户端链接后，判断接收到数据的前5个字节，解析HTTP报头，若是请求方不是GET请求就中断链接，不然将那两个字符型数据的内容一次传送给客户端。在客户端PC机浏览器的地址栏中输入http://192.168.1.241/后，PC的显示结果如图5所示。

 

图5 开发板web服务器验证图