LwIP在LPC23/24XX以太網(wǎng)MAC控制器上的移植與應用

施純啟，吳景東

(福州大學 數(shù)學與計算機科學學院，福建 福州 350108)

0 引言

隨著Internet的廣泛應用和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的應用場合需要將嵌入式設備接入以太網(wǎng)。得益于微電子技術(shù)的進步，許多嵌入式控制芯片集成了以太網(wǎng)MAC控制器，NXP公司推出的LPC23/24XX系列微控制器便是其中的代表，該系列微控制器在嵌入式領(lǐng)域使用量大，應用范圍廣。LwIP輕量級TCP/IP協(xié)議棧是一套用于嵌入式網(wǎng)絡系統(tǒng)的開放源碼[1]，具有較完整的TCP/IP功能，特別適合在資源緊張的微控制器上使用。本文以LPC23/24XX系列微控制器和DM9161A以太網(wǎng)PHY器件為硬件基礎(chǔ)，根據(jù)LPC23/24XX以太網(wǎng)MAC控制器的特性來移植LwIP協(xié)議棧，實現(xiàn)一個低成本的嵌入式網(wǎng)絡系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設計

LPC23/24XX系列微控制器使用了一個可在72 MHz頻率下運行的ARM7內(nèi)核，包含1個10/100 Mb/s以太網(wǎng)模塊，該模塊位于獨立的AHB總線上，有16 KB的SRAM和DMA控制器[2]。本文采用該系列中的LPC2378進行實驗。

DM9161A是目前常見的一款低成本物理層收發(fā)器，在以太網(wǎng)PHY層使用，通過介質(zhì)無關(guān)接口MII或簡化介質(zhì)無關(guān)接口RMII連接到以太網(wǎng)MAC層[3]。DM9161A的接線圖如圖1所示。

LPC2378微控制器的以太網(wǎng)模塊通過10個引腳與DM9161A相連，如圖2所示。

2 LPC23/24XX以太網(wǎng)控制器結(jié)構(gòu)與模塊功能描述

LPC23/24XX微控制器的以太網(wǎng)模塊包含一個全功能的10/100 Mb/s以太網(wǎng)MAC控制器，通過配置DMA硬件來提高性能[4]。以太網(wǎng)模塊通過操作控制寄存器組，實現(xiàn)半雙工或全雙工操作、流量控制、接收包過濾以及LAN上喚醒等各種功能，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

MAC控制器通過RMII接口與DM9161A進行連接，RMII接口可以在幾乎不修改代碼的情況下兼容大部分PHY器件。以太網(wǎng)模塊中的DMA管理器利用描述符數(shù)組和狀態(tài)數(shù)組來工作。描述符和狀態(tài)充當以太網(wǎng)硬件和驅(qū)動程序之間的接口，描述符用來設置對應緩沖區(qū)的首地址和控制信息，狀態(tài)符存儲著對應收發(fā)數(shù)據(jù)最新的狀態(tài)信息。描述符數(shù)組和狀態(tài)數(shù)組在邏輯上是一個環(huán)形隊列結(jié)構(gòu)，在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中，它們會有3種不同的狀態(tài)：空狀態(tài)、部分滿狀態(tài)和滿狀態(tài)，如圖4所示。

對描述符數(shù)組的操作采用生產(chǎn)者/消費者模式，在接收過程中，以太網(wǎng)MAC控制器是生產(chǎn)者，RxProduceIndex寄存器為數(shù)組索引；驅(qū)動程序是消費者，RxConsumeIndex寄存器為數(shù)組索引。在發(fā)送過程中，驅(qū)動程序是生產(chǎn)者，TxProduceIndex寄存器為數(shù)組索引；MAC控制器是消費者，TxConsumeIndex寄存器為數(shù)組索引。描述符還有一個擁有者的屬性，只有描述符的擁有者才能對它的值進行讀寫。驅(qū)動程序通過將TxProduceIndex/RxConsumeIndex寄存器加1，能夠?qū)⒚枋龇蜖顟B(tài)的擁有權(quán)移交給MAC控制器。MAC控制器通過更新TxProduceIndex/RxConsumeIndex寄存器將描述符和狀態(tài)的擁有權(quán)移交給驅(qū)動程序。

圖1 DM9161A接線圖

圖2 LPC2378微控制器與DM9161A引腳連接圖

圖3 LPC23/24XX以太網(wǎng)模塊結(jié)構(gòu)框圖

3 LwIP協(xié)議棧的移植

LwIP協(xié)議棧的移植工作分兩個部分，分別是網(wǎng)絡接口層的實現(xiàn)和操作系統(tǒng)模擬層的移植。

3.1 網(wǎng)絡接口層的實現(xiàn)

LwIP源碼給出了網(wǎng)絡接口驅(qū)動程序的整體框架，用戶需要自己完成的函數(shù)主要有3個[5]，分別是：

⑴網(wǎng)絡接口初始化函數(shù)low_level_init()。該函數(shù)用來對網(wǎng)絡接口進行初始化，任何與初始化網(wǎng)絡接口有關(guān)的操作都可以在該函數(shù)內(nèi)實現(xiàn)。如對網(wǎng)絡接口有關(guān)參數(shù)進行配置、完成網(wǎng)絡芯片硬件上所需的初始化操作等。

⑵網(wǎng)絡接口輸入函數(shù)low_level_input()。該函數(shù)為到達的數(shù)據(jù)包分配pbuf，并將數(shù)據(jù)包從網(wǎng)絡接口轉(zhuǎn)移到pbuf鏈中。

⑶網(wǎng)絡接口輸出函數(shù)low_level_output()。該函數(shù)實現(xiàn)真正的數(shù)據(jù)包發(fā)送過程。當需要發(fā)送數(shù)據(jù)包時，數(shù)據(jù)包裝載在事先已分配好的pbuf中，由該函數(shù)負責將數(shù)據(jù)包發(fā)送至指定的網(wǎng)絡接口中。

這3個函數(shù)的實現(xiàn)都與網(wǎng)絡接口的硬件特性密切相關(guān)，其實就是相當于為以太網(wǎng)MAC控制器編寫驅(qū)動程序。初始化函數(shù)low_level_init()對應的是控制器的初始化配置過程，輸入函數(shù)low_level_input()對應的是控制器的數(shù)據(jù)接收過程，輸出函數(shù)low_level_output()對應的是控制器的數(shù)據(jù)發(fā)送過程。下面只詳細討論以太網(wǎng)MAC控制器的初始化和數(shù)據(jù)接收過程，而數(shù)據(jù)發(fā)送過程與接收過程的實現(xiàn)相似，本文不進行詳述。

圖4 描述符與狀態(tài)數(shù)組的三種狀態(tài)

3.1 .1 初始化過程

驅(qū)動程序在初始化過程需要為DMA管理器分配描述符數(shù)組和狀態(tài)數(shù)組。發(fā)送和接收功能都有各自的描述符和狀態(tài)數(shù)組，這些數(shù)組的基址存放在TxDescriptor/TxStatus和RxDescriptor/RxStatus寄存器中。而描述符數(shù)組中描述符的數(shù)目需使用減1編碼寫入到TxDescriptorNumber/RxDescriptorNumber寄存器中，狀態(tài)與描述符的數(shù)目相同。在初始化數(shù)組之后，需要為描述符分配幀緩沖區(qū)，描述符的Packet字段使用對應緩沖區(qū)的基址來填充，而其Size字段需要填入緩沖區(qū)的大小。緩沖區(qū)的大小根據(jù)具體情況而定，范圍在1 B ～ 2 KB之間，緩沖區(qū)太小緩沖效果不明顯，影響網(wǎng)絡性能，太大則會占用太多的控制器存儲空間。

3.1 .2 接收過程

以圖5為例，在初始化之后，這個例子中的描述符和狀態(tài)數(shù)組長度為4，描述符數(shù)組的基址為0x7FE010EC，狀態(tài)數(shù)組的基址為0x7FE011F8，每個描述符分配到的幀緩沖區(qū)大小為8 B。

假設幀數(shù)據(jù)共有19 B，因為幀緩沖區(qū)大小為8 B，因此幀數(shù)據(jù)將存儲在3個緩沖區(qū)中。在將最初的8 B幀數(shù)據(jù)寫入1號緩沖區(qū)之后，接收DMA管理器將繼續(xù)填充2號緩沖區(qū)。因為幀數(shù)據(jù)還沒結(jié)束，1號緩沖區(qū)的狀態(tài)中的LastFrag位應為0，RxSize字段應為7（8個字節(jié)，采用減1編碼）。2號緩沖區(qū)的操作與1號緩沖區(qū)相同。在將最后3 B幀數(shù)據(jù)寫入3號緩沖區(qū)之后，幀數(shù)據(jù)到達末尾，3號緩沖區(qū)狀態(tài)應為：LastFrag=1，RxSize=2。依據(jù)前面提到的生產(chǎn)者/消費者操作模式，在上述例子中，當驅(qū)動程序沒有將RxConsumeIndex加1時，接收DMA管理器不能讀取新的描述符，因為描述符數(shù)組處于滿狀態(tài)。只有在驅(qū)動程序?qū)⒔邮諗?shù)據(jù)傳送給了LwIP主線程并且對RxConsumeIndex進行更新之后，DMA管理器才能繼續(xù)讀取描述符并接收數(shù)據(jù)。接收完一幀數(shù)據(jù)后，驅(qū)動程序?qū)?個緩沖區(qū)中的信息組成的完整幀數(shù)據(jù)封裝為pbuf的形式，提交給協(xié)議棧內(nèi)核進行處理。

3.2 操作系統(tǒng)模擬層的移植

為了提高可移植性，LwIP協(xié)議棧源碼并不實現(xiàn)操作系統(tǒng)中的具體操作，而是定義了協(xié)議棧與操作系統(tǒng)之間的接口函數(shù)，稱之為操作系統(tǒng)模擬層。本文使用 μC/OS-II開源實時操作系統(tǒng)來實現(xiàn)操作系統(tǒng)模擬層。

操作系統(tǒng)模擬層主要實現(xiàn)以下4大功能：

⑴進程同步。此功能提供了多個進程之間的同步操作，可以使用信號量來實現(xiàn)這個功能。其結(jié)構(gòu)和函數(shù)接口如表1所示。

⑵消息傳遞。提供了進程之間傳遞數(shù)據(jù)的功能，具體可以使用郵箱方法來傳遞。其結(jié)構(gòu)和函數(shù)接口如表2所示。

圖5 接收過程實例

⑶定時與超時處理。LwIP在初始化時會為協(xié)議棧進程注冊多個定時與超時處理函數(shù)，當定時與超時事件發(fā)生時便會調(diào)用相應的函數(shù)進行處理，操作系統(tǒng)模擬層提供的接口函數(shù)能返回這些定時與超時事件的所在位置。其函數(shù)接口如表3所示。

⑷進程管理。對LwIP協(xié)議棧的進程進行管理和維護，主要指創(chuàng)建進程。具體結(jié)構(gòu)和函數(shù)接口如表4所示。

μC/OS-II操作系統(tǒng)中包含了關(guān)于郵箱、信號量和隊列機制的操作函數(shù)，在這些函數(shù)的基礎(chǔ)上進行簡單的封裝和修改，可以實現(xiàn)LwIP系統(tǒng)模擬層中郵箱與信號量的操作[6]。但需要注意的是LwIP和 μC/OS-II對郵箱機制的實現(xiàn)不一樣。在LwIP中，為了提高協(xié)議棧通信的效率，要求郵箱中能夠存放多條消息，而 μC/OS-II中的郵箱最多只能傳遞一條消息。所以這里采用 μC/OS-II提供的隊列操作函數(shù)，因為隊列中可以存放多條消息。

接下來要實現(xiàn)的是與等待超時相關(guān)的函數(shù)。協(xié)議棧的穩(wěn)定運行需要設定多種內(nèi)部定時器，如TCP定時器、ARP定時器等。

最后，初始化協(xié)議棧時，系統(tǒng)要為內(nèi)核創(chuàng)建一個主進程，這里可以對 μC/OS-II的任務創(chuàng)建函數(shù)OSTaskCreate做簡單的封裝，便可以得到所需要的進程創(chuàng)建函數(shù)。

3.3 TCP性能測試

移植工作完成后，為了測試TCP的性能，在系統(tǒng)上建立了一個簡單的TCP回顯服務器，接著利用網(wǎng)絡性能測試工具Jperf進行TCP帶寬測試，測試結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯鰩挿€(wěn)定在3 342 kb/s左右。

4 嵌入式WEB服務器的實現(xiàn)

為了驗證系統(tǒng)的實用性，這里實現(xiàn)了一個簡單的嵌入式WEB服務器，該WEB服務器可以響應來自瀏覽器的HTTP GET請求，并在發(fā)送請求的瀏覽器上顯示請求頁面。在PC上的瀏覽器中輸入服務器的IP地址，測試結(jié)果如圖7所示，表明該系統(tǒng)運行良好，具有實用價值。

表1 同步功能接口

表2 消息傳遞接口

表3 定時與超時處理功能接口

表4 進程管理功能接口

5 結(jié)論

圖6 TCP帶寬測試結(jié)果

本文介紹了一種采用集成以太網(wǎng)MAC的微控制器和外接PHY器件，實現(xiàn)嵌入式以太網(wǎng)接口的方案，并在上面完成了LwIP協(xié)議棧的移植與應用。本方案采用了較新的電子器件和計算機技術(shù)，具有高效率、兼容多種PHY器件、低成本與易于實現(xiàn)等優(yōu)點，適合中低檔的嵌入式設備接入以太網(wǎng)的應用領(lǐng)域。

圖7 WEB服務器測試結(jié)果

[1] 肖樂，李兵，邱雅.一種高速嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].微型機與應用，2010， 29(5)：55-57.

[2] LPC23XX User manual(Rev. 4.1)[EB/OL].[2012-9-05]http://www.nxp.com/documents.

[3] 張東，胡榮貴，徐海. ARM7芯片W90N740以太網(wǎng)接口設計及驅(qū)動開發(fā)[J].微型機與應用，2010，29(10)：18-21.

[4] 扶文樹，何軍，陳國勝，等.LPC23xx的自適應以太網(wǎng)通信接口設計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2008(6)：72-74.

[5] 朱升林.嵌入式網(wǎng)絡那些事：LwIP協(xié)議深度剖析與實戰(zhàn)演練[M].北京：水利電力出版社，2012.

[6] JLABROSSE J.嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II[M].邵貝貝，譯.北京：北京航空航天大學出版社，2003.