引 言
隨著現(xiàn)代通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，以太網(wǎng)技術(shù)也越來(lái)越成熟，特別是基于TCP／IP通信協(xié)議的Web技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。我們可以用微控制器加以太網(wǎng)接口芯片，取代PC機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制，組成嵌入式Web Serv-er系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)傳感器自動(dòng)跟蹤各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的信息，把檢測(cè)到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中，并及時(shí)發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)上；相關(guān)的工作人員就可以通過(guò)Web技術(shù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、管理和維護(hù)，從瀏覽器上直接監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行，這樣就大大提高了生產(chǎn)效率和管理水平。
為了實(shí)現(xiàn)WEB服務(wù)器的功能，嵌入式操作系統(tǒng)和一個(gè)可實(shí)現(xiàn)的TCP／IP協(xié)議棧是必需的，因此對(duì)嵌入式處理器提出了更高的要求。與傳統(tǒng)的8／16位單片機(jī)相比，ARM核處理器在運(yùn)算速度、功耗和存儲(chǔ)容量方面都有很大的優(yōu)勢(shì)，而且ARM核處理器可以很方便地實(shí)現(xiàn)嵌入式TCP／IP協(xié)議棧，所以ARM核處理器成為嵌入式Web服務(wù)器設(shè)備的首選處理器。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模型如圖1所示。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
ARM核處理器LPC2210基于支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入跟蹤的32／16位ARM7TDMI—S CPU。片內(nèi)有16 KBSRAM，通過(guò)外部存儲(chǔ)器接口配置成4組，每組的容量達(dá)16 MB。LPC2210采用144腳封裝，功耗極低，具有多個(gè)32位定時(shí)器、8路10位ADC、PWM輸出，最多可提供76個(gè)GPIO以及多達(dá)9個(gè)外部中斷引腳；采用3級(jí)流水線(xiàn)技術(shù)，極大地提高了指令執(zhí)行效率，通過(guò)可編程的片內(nèi)鎖相環(huán)(PLL)可實(shí)現(xiàn)最大60 MHz的CPU操作頻率。
LPC2210的EMC組合符合ARM公司的PL090標(biāo)準(zhǔn)，總線(xiàn)寬度可設(shè)置為8位、16位或32位，通常16位總線(xiàn)寬度的存儲(chǔ)器具有較高的性?xún)r(jià)比。
以Philips公司的ARM核處理器LPC2210為核心來(lái)實(shí)現(xiàn)嵌入式Web服務(wù)器；網(wǎng)絡(luò)接口芯片采用Realtek公司的NE2000兼容芯片RTL8019AS，它內(nèi)置了10BASE—T收發(fā)器，通過(guò)HR901170A器件接入以太網(wǎng)。硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
在圖1中，LPC2210擴(kuò)展了2 MB的NOR Flash(芯片型號(hào)為SST39VFl60)和8．MB PSRAM(芯片型號(hào)為MT45W4Mwl6)。為了方便調(diào)試及最終代碼的固化應(yīng)用，使用LPC2210外部存儲(chǔ)器接口BankO和Bankl的地址空間，通過(guò)片選信號(hào)選通nCE_F和nCE_R，來(lái)將地址空間Bank0和Bankl分別分配給PSRAM和Flash。通常將代碼固化到Flash，分配Flash為Bank0，PSRAM為Bankl，因?yàn)锽ank0可以用來(lái)引導(dǎo)程序的運(yùn)行。
LPC2210的大容量片上存儲(chǔ)器為T(mén)CP／IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)處理提供了足夠的存儲(chǔ)空間；利用LPC2210SPI接口擴(kuò)展MMC／SD卡作為外部非易失性存儲(chǔ)器，可以將ADC現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)、IP地址、網(wǎng)卡物理地址以及更新網(wǎng)頁(yè)保存在里面，需要時(shí)還可隨時(shí)更換MMc／SD卡。LPC2210具有ARM和Thumb指令集，采用流水線(xiàn)處理技術(shù)，能在指令執(zhí)行期間預(yù)處理下一條指令，極大地提高了指令執(zhí)行效率，為需要快速傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供了有效的支持。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
eCos(embedded Configurable operating system，嵌入式可配置操作系統(tǒng))是一種針對(duì)16位、32位和64位處理器的可移植嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。由于其源代碼公開(kāi)，因而越來(lái)越多的設(shè)計(jì)人員開(kāi)始關(guān)注eCos操作系統(tǒng)。eCos最大的特點(diǎn)是模塊化、內(nèi)核可配置。最小版本的eCos只有幾百字節(jié)，非常適合小型嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。與嵌入式Linux相比，eCos有配置靈活和節(jié)省資源的優(yōu)勢(shì)。它的其他優(yōu)點(diǎn)是使用多任務(wù)搶占機(jī)制、具有最小的中斷延遲、支持嵌入式系統(tǒng)所需的所有同步原語(yǔ)，并擁有靈活的調(diào)度策略和中斷處理機(jī)制。因而eCos具有良好的實(shí)時(shí)性，與μClinux和μC／OS等操作系統(tǒng)相比，它更適用于處理實(shí)時(shí)信號(hào)的設(shè)備，如移動(dòng)通信、WLAN等通信設(shè)備的開(kāi)發(fā)。
3 eCos的移植
圖3所示為eCos的移植流程。eCos的移植通過(guò)3個(gè)子模塊來(lái)完成，即體系結(jié)構(gòu)抽象層(Architeeture Hal)、變體抽象層(Variant Hal)和平臺(tái)抽象層(Platform Hal)。對(duì)一個(gè)新的體系結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)抽象層的建立相對(duì)來(lái)說(shuō)比較困難。目前，eCos已經(jīng)支持各種主流CPU，也就是說(shuō)，eCos源碼中包含了CPU的體系結(jié)構(gòu)層和變體抽象層，所以移植工作主要集中在平臺(tái)抽象層。
RedBoot移植是平臺(tái)抽象層移植的最好開(kāi)始。RedBoot是位于硬件抽象層之上的命令行接口，并且包含GDB調(diào)試工具及其調(diào)試stub。一旦硬件抽象層移植到目標(biāo)板中，RedBoot能將程序加載到目標(biāo)板中，并且能在目標(biāo)板上調(diào)試代碼。
4 TCP／IP協(xié)議棧——LwIP的實(shí)現(xiàn)
LwIP是瑞士計(jì)算機(jī)科學(xué)院Adam Dunkles等人開(kāi)發(fā)的用于嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)放源代碼TCP／IP協(xié)議棧。它既可以移植到操作系統(tǒng)上，也可以在無(wú)操作系統(tǒng)的情況下運(yùn)行。LwIP實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)是，在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上，減少對(duì)RAM的占用；一般只需要幾十字節(jié)的RAM和40 KB左右的ROM就可以運(yùn)行，這使得LwIP適合在中低端的嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用。
LwIP主要可以分為圖4所示的幾個(gè)層次。主要功能模塊有：操作系統(tǒng)模擬層、網(wǎng)絡(luò)接口函數(shù)、實(shí)現(xiàn)TCP／IP協(xié)議的各部分模塊 (IP、UDP、TCP、IC—MP、ARP)、緩沖和存儲(chǔ)管理子系統(tǒng)、校驗(yàn)和函數(shù)。
LwIP API是一組應(yīng)用程序接口，通過(guò)該接口程序員就可以使用LwIP所有的功能。另外，LwIP也為開(kāi)發(fā)者提供了更加高級(jí)的BSD Socket APl，使其可以使用通用的Socket函數(shù)來(lái)編寫(xiě)網(wǎng)絡(luò)通信軟件。操作系統(tǒng)模擬層可以使LwIP能夠使用操作系統(tǒng)提供的一些高級(jí)管理功能，例如信號(hào)量管理、消息隊(duì)列管理、創(chuàng)建線(xiàn)程等。
4．1 IP處理
LwIP僅能實(shí)現(xiàn)IP層大部分基本功能。它雖然能夠發(fā)送、接收以及轉(zhuǎn)發(fā)信息包，但不能接收和發(fā)送IP分片包，也不能處理攜帶IP參數(shù)選項(xiàng)的信息包。不過(guò)對(duì)大多數(shù)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這不會(huì)成為問(wèn)題。
①接收信息包。對(duì)于到達(dá)的IP信息包，可由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)調(diào)用ip_input()函數(shù)開(kāi)始處理，并在這里完成對(duì)IP版本字段及包頭長(zhǎng)度的初始完整性檢查，同時(shí)還要計(jì)算和驗(yàn)證包頭校驗(yàn)和。
②發(fā)送信息包。外發(fā)的信息包由ip_output()函數(shù)處理，該函數(shù)使用ip_route()函數(shù)查找適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)接口來(lái)傳送信息包。當(dāng)外發(fā)的網(wǎng)絡(luò)接口確定后，信息包傳給以外發(fā)網(wǎng)絡(luò)接口為參數(shù)的ip_output_if()函數(shù)。
③轉(zhuǎn)發(fā)信息包。如果沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)接口的地址與到達(dá)信息包的目標(biāo)地址相同，信息包應(yīng)被轉(zhuǎn)發(fā)。這項(xiàng)工作由ip_ forward()函數(shù)完成。
④ICMP處理。ICMP處理相當(dāng)簡(jiǎn)單。ip_input()函數(shù)收到的ICMP信息包被移交給icmp_input()函數(shù)，后者對(duì)ICMP包頭解碼，然后進(jìn)行適當(dāng)?shù)膭?dòng)作。
4．2 UDP處理
UDP是被用來(lái)在不同進(jìn)程問(wèn)分解信息包的簡(jiǎn)單協(xié)議。每個(gè)UDP會(huì)話(huà)的狀態(tài)保存在一個(gè)PCB結(jié)構(gòu)體中。UDP PCB保存在一個(gè)鏈表中，當(dāng)一個(gè)UDP數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)對(duì)這個(gè)鏈表進(jìn)行匹配檢索。
4．3 TCP處理
TCP屬于傳輸層協(xié)議，它為應(yīng)用層提供了可靠的字節(jié)流服務(wù)。對(duì)它的描述要比對(duì)其他協(xié)議的描述復(fù)雜的多，其代碼占了LwIP代碼總量的50％。基本的TCP處理過(guò)程被分割為6個(gè)功能函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，tcp_input()、tep_ process()及tcp_receive()函數(shù)與TCP輸入有關(guān)，tcp_write()、tcp_enqueue()及tcp_output()則用于TCP輸出。TCP的處理過(guò)程如圖5所示。
4．4 應(yīng)用程序接口設(shè)計(jì)
LwIP API專(zhuān)為L(zhǎng)wIP設(shè)計(jì)，所以它可以充分利用LwIP的內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)目標(biāo)。LwIP API與BSDAPI類(lèi)似，但操作相對(duì)低級(jí)。API不需要在應(yīng)用程序和協(xié)議棧之間復(fù)制數(shù)據(jù)，因?yàn)閼?yīng)用程序可以巧妙地直接處理內(nèi)部緩沖區(qū)。另外，BSD Socket API易于理解，并且很多應(yīng)用程序?yàn)樗鴮?xiě)，所以L(fǎng)wIP保留一個(gè)BSD Socket兼容層是很有用的。
鑒于TCP／IP協(xié)議棧的處理模式，APl分成兩部分實(shí)現(xiàn)。如圖6所示，一部分作為應(yīng)用程序的連接庫(kù)實(shí)現(xiàn)，另一部分在TCP／IP進(jìn)程內(nèi)實(shí)現(xiàn)。這兩部分之間采用由操作系統(tǒng)模擬層提供的進(jìn)程間通信機(jī)制(IPC)進(jìn)行通信。當(dāng)前的實(shí)現(xiàn)采用以下3種IPC方式：共享內(nèi)存、消息傳遞和信號(hào)量。雖然這些IPC方式被操作系統(tǒng)支持，但它們并不需要操作系統(tǒng)底層支持，實(shí)際上是操作系統(tǒng)模擬層在模擬它們。
結(jié) 語(yǔ)
基于實(shí)時(shí)內(nèi)核eCos，在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了LwIP協(xié)議棧的移植與優(yōu)化。移植優(yōu)化后的LwIP棧做為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)模塊運(yùn)行，代碼占用40 KB的ROM，實(shí)現(xiàn)了Ethernet／IP／TCP網(wǎng)絡(luò)功能，并提供了模塊API，與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。基于LwIP的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用任務(wù)與其他非網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用任務(wù)在eGos實(shí)時(shí)內(nèi)核管理下協(xié)調(diào)運(yùn)行。進(jìn)一步增強(qiáng)了協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)安全性與穩(wěn)定性，并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。“eCos／LwIP協(xié)議棧”架構(gòu)有望應(yīng)用在信息家電和網(wǎng)絡(luò)化的儀器、儀表方面。