摘要：LwIP是一套用于嵌入式系统的开源、精简后的TCP/IP协议，具有移植性强、资源占用率低等特点。基于嵌入式系统的网络通信需要，本文论述了LwIP在uC/OS操作系统和S3C4510B处理器平台的实现方法，完成了LwIP的移植，为嵌入式系统与Internet网络互联提供了一种可行的解决方案。

关键字：LwIP； uC/OS； S3C4510

中图分类号：TP368.2    文献标识码：A
随着互联网技术及嵌入式系统智能化技术的不断发展，嵌入式系统的网络通信功能得到广泛应用并成为研究热点，嵌入式系统实现以太网通信，主要技术难点在于如何利用其有限的硬件资源来实现TCP/IP协议。

在32位ARM嵌入式系统中，主要通过嵌入式多任务操作系统对TCP/IP协议进行处理，从而实现网络通信功能。在嵌入式系统中常用的Linux操作系统及uClinux操作系统中都集成了完整的TCP/IP协议，但其占用空间大（网络部分源代码约6MB）、实现过程复杂。因此，LwIP作为一种适合嵌入式系统硬件特点的，简化后的TCP/IP协议（源代码约1MB），在嵌入式系统中得到广泛应用。

本文以嵌入式实时操作系统uC/OS和网络处理器S3C4510B作为软、硬件平台，在此基础上移植了LwIP协议，实现了嵌入式系统的以太网通信功能。

1 LwIP协议简介
LwIP是Light Weight IP（轻量级IP协议）的缩写，它是由瑞士计算机科学院（Swedish Institute of Computer Science）Adam Dunkels等开发，主要用于嵌入式系统的开源TCP/IP协议栈。LwIP可以移植到各种操作系统上运行，也可以在无操作系统的环境下独立运行，其特点是在保留TCP/IP协议主要功能的基础上对完整的TCP/IP协议栈进行了裁剪，从而减少对系统硬件资源占用，运行LwIP一般只需要几十KB的RAM空间和四十KB的ROM空间，这使得LwIP可以方便地移植到基于单片机或ARM的嵌入式系统中。

2 移植LwIP的软硬件平台
uC/OS是Micro Control Operation System的缩写，它是由美国人Jean.J.Labrosse编写的一种抢占式实时多任务内核,具有高度可移植性,适用于没有存储管理单元MMU的嵌入式处理器。uC/OS内核提供了任务调度、时间管理、任务间同步与通信、内存管理和中断服务等嵌入式实时操作系统的基体功能[1]。

S3C4510B处理器是三星公司生产的基于ARM7TDMI内核、针对网络应用的嵌入式处理器，S3C4510B内嵌一个可以10M/100M速率工作在半双工或全双工模式下的以太网控制器，并提供了媒体独立接口（MII --Media Independent Interface）[2]。从硬件的角度看，以太网接口电路主要由MAC控制器和物理层接口两部分构成，S3C4510B片内已经包含了MAC层控制器，只需外接一片物理层接口芯片（本系统中采用DM9161）就构成了完整的以太网接入通道。

本文以S3C4510B处理器作为硬件平台，uC/OS操作系统作为软件平台，研究LwIP嵌入式TCP/IP协议栈与uC/OS操作系统接口函数的编写，并根据S3C4510B处理器以太网模块工作原理，设计合理的网络接口函数，从而实现LwIP在S3C4510B和uC/OS平台的移植和实现。

3 LwIP的移植流程
如图1所示，从uC/OS、S3C4510B硬件平台和LwIP三者的关系看，移植工作主要集中在两个部分（图中虚线箭头部分）：一方面，LwIP工作在uC/OS之上，为了系统的可移植性，LwIP中划分出了操作系统模拟层，由该层向上提供了进程间通信、任务调度等操作系统的标准服务，移植时需使用实际操作系统的相关函数来实现模拟层，另一方面，S3C4510处理器内部提供了MAC控制器并外接了物理层芯片DM9161，LWIP的移植还需设计相应的底层硬件驱动函数[3]。



图1 软硬件系统结构框图

Fig.1 Block diagram of hardware/software system

3.1 编写LwIP与UC/OS操作系统接口函数
LwIP在设计时已经考虑了系统的可移植性，为了方便LwIP移植，和操作系统相关的函数调用及数据结构被划分到操作系统模拟层（operating system emulation layer），操作系统模拟层使用统一的接口向上提供创建进程、进程间消息传递等由操作系统提供的服务，应根据uC/OS的相关系统服务函数来实现LwIP的模拟层，移植过程如下：

（1）定义数据类型和数据存储格式

typedef unsigned char          u8_t;

typedef char                   s8_t;

typedef unsigned short         u16_t;

typedef short                  s16_t;

typedef unsigned int           u32_t;

typedef int                    s32_t;

（2）任务间通信方式的实现

uC/OS操作系统已经包含了LwIP需要使用的信号量和邮箱这两种进程间消息传递方式，移植工作主要使用uC/OS中的系统服务函数来实现LwIP模拟层接口函数，供LwIP上层函数调用，应注意uC/OS中提供的函数和LwIP模拟层接口函数参数和返回值并不统一，应根据模拟层接口函数的格式对函数执行结果（返回值）等做出相应调整，各函数的对应关系如表所示。

表1 接口函数比较表

Tab.1 Comparing between interface function

LwIP模拟层接口函数名称

函数功能描述

需调用的uC/OS实现函数

sys_sem_new       

新建信号量

OSSemCreate

sys _sem_free

释放信号量

OSSemDel

sys_sem_signal

发送信号量

OSSemPost

sys_arch_sem_wait       

等待信号量并阻塞线程

OSSemPend

sys_mbox_new

建立邮箱（向邮箱链表申请邮箱）

OSQCreate创建邮箱链表

sys_mbox_post

投递消息到邮箱

OSQPost

sys_arch_mbox_fetch

等待邮箱中的消息并阻塞线程

OSQPend

3.2 编写LwIP与uC/OS操作系统接口函数
S3C4510处理器片内集成了BDMA（Buffered DMA）模块和MAC控制器，MAC控制器和外接的物理层芯片DM9161相连，MAC控制器通过响应BDMA的数据准备完毕信号从BDMA接收数据并发送出去，或将接收到的数据发送给BDMA[4]。网络设备接口函数设计分为建立网络接口初始化函数、建立数据包发送函数、数据包接收函数和建立网络接收/发送中断服务程序四个部分[5]：

（1）建立网络接口初始化函数，实现流程如下：

//1.复位DM9161和MAC控制器

ResetPHY();

MACCON = Reset;

//2.初始化BDMA接收和发送缓冲区描述符，使每个描述符指向正确的缓冲区地址

InitDescriptors ();

//3.设置CAM地址

CAM_set();

//4.初始化MAC、BDMA控制器寄存器初始值

BDMATXCON = gBDMATXCON;

MACTXCON = gMACTXCON;

BDMARXCON = gBDMARXCON;

MACRXCON = gMACRXCON;

//5.打开BDMA接受中断并设置为IRQ模式

INTMOD &= 0xfff0ffff ;

INTMSK &= 0xfff0ffff ;

（2）建立数据包接收函数

网络数据包接收过程开始于BDMA产生数据包接收中断，中断服务程序向处于阻塞状态的以太网接收进程发送信号量hEthernetInput，接收线程收到该信号量后调用low_level_input函数将接收到的数据从BDMA缓冲区转移到pbuf链表中供上层函数使用，数据包接收函数的实现过程如下：