基于FreeRTOS系統(tǒng)和LwIP協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)通訊

王亞丁+徐俊臣++李冠宇++邱文博++胡軼群++楊子原

摘 要 嵌入式設(shè)備常采用實時操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的組合來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊功能，本文基于FreeRTOS操作系統(tǒng)和LwIP協(xié)議棧為一款轉(zhuǎn)發(fā)模塊實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊功能。FreeRTOS和LwIP開源免費，移植簡單，功能完善，配置靈活。本文介紹了FreeRTOS和LwIP的移植過程和配置方法，并給出了DHCP服務(wù)器和TCP協(xié)議的軟件設(shè)計流程，驗證了基于FreeRTOs和LwIP協(xié)議棧實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊的可行性。

【關(guān)鍵詞】FreeRTOS LwIP 網(wǎng)絡(luò)通訊 移植 TCP

當(dāng)前主流的嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備所使用的操作系統(tǒng)有Linux、UCOSII、FreeRTOS、RTX等。Linux的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧完備，但內(nèi)核移植裁剪較為復(fù)雜，開發(fā)難度較大；UCOSII參考資料多，但系統(tǒng)商用需付費；RTX（Keil開發(fā)）簡單好用，自帶RL_TCPnet協(xié)議棧，但是協(xié)議棧不開源，不便于調(diào)試和研究。本文基于FreeRTOS實時操作系統(tǒng)，采用第三方LwIP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊功能，為嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供了一種新的設(shè)計思路。

FreeRTOS具備良好的實時性、多任務(wù)功能，可移植裁剪，可靈活配置調(diào)度策略，RAM占用小，對系統(tǒng)資源要求低。最重要的是FreeRTOS完全開源免費，而且移植方法簡單，在當(dāng)前小型嵌入式操作系統(tǒng)市場使用率很高。LwIP是由瑞典計算機學(xué)院開發(fā)的一個開源的輕量級TCP/IP協(xié)議棧。LwIP的特點是在有無操作系統(tǒng)環(huán)境下都可以運行，提供完備的API接口，RAM消耗低。本文基于市面上的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)模塊，進行FreeRTOS操作系統(tǒng)和LwIP協(xié)議棧的移植，并在移植好的工程上測試DHCP服務(wù)器、TCP通訊功能等，驗證這種可靠實用的網(wǎng)絡(luò)通訊解決方案。

1 硬件平臺

本文采用的設(shè)備是一種能夠?qū)S232串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)模塊，模塊的單片機采用ARM架構(gòu)的STM32F429芯片，STM32F429基于Cortex-M4架構(gòu)，具有浮點運算單元，2MB容量的FLASH，256KB的RAM，系統(tǒng)時鐘頻率能達(dá)到180MHz，外設(shè)豐富，最主要的是它具有以太網(wǎng)MAC接口，通過外接PHY芯片可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊功能。該模塊的PHY芯片采用的是LAN8720，LAN8720是低功耗的10/100M以太網(wǎng)PHY芯片，支持通過RMII接口與以太網(wǎng)MAC層通信，內(nèi)置10/100M全雙工傳輸模塊，支持HP Auto-MDIX自動翻轉(zhuǎn)功能。轉(zhuǎn)發(fā)模塊網(wǎng)絡(luò)部分硬件連接圖如圖1所示。

2 移植FreeRTOS操作系統(tǒng)

首先從官網(wǎng)下載FreeRTOS -8.2.3版本源碼；然后在已有的工程模板（keil軟件）上創(chuàng)建 FreeRTOS相關(guān)文件夾，添加源碼文件到相應(yīng)目錄，添加后的工程目錄如圖2所示，紅框內(nèi)的文件就是添加的FreeRTOS源碼，Source目錄下主要是任務(wù)調(diào)度、消息隊列、定時器等操作系統(tǒng)基本功能的實現(xiàn)，Ports目錄下是操作系統(tǒng)與處理器平臺架構(gòu)相關(guān)的接口文件，Port.c是支持Cortex-M4架構(gòu)的，Heap_4.c是一種動態(tài)內(nèi)存使用方法。

FreeRTOSConfig.h是操作系統(tǒng)的配置文件，配置選項至關(guān)重要，決定了系統(tǒng)的功能和性能。移植后主要的配置功能有：使能搶占式調(diào)度器；系統(tǒng)主頻 180MHz；系統(tǒng)時鐘節(jié)拍 1KHz，即 1ms；系統(tǒng)最大優(yōu)先級號；定義堆大小，用于動態(tài)內(nèi)存申請，任務(wù)棧；定義系統(tǒng)可以使用信號量。除此之外，移植中需要注意的地方是要加入三個宏定義，將STM32F429原本的SVC_Handler，PendSV_Handler，SysTick_Handler中斷函數(shù)定義為FreeRTOS內(nèi)部定義的三個函數(shù)，因為FreeRTOS對這三個系統(tǒng)中斷有特殊的處理過程。至此，F(xiàn)reeRTOS移植基本完成，可以在后續(xù)軟件工程中使用創(chuàng)建線程，創(chuàng)建信號量、消息隊列等API函數(shù)來實現(xiàn)任務(wù)間的調(diào)度和通信了。

3 移植LwIP協(xié)議棧

首先從官網(wǎng)下載LwIP-1.4.1源碼，然后在軟件工程中添加LwIP相關(guān)目錄，工程結(jié)構(gòu)如圖3所示。LwIP_src目錄下是LwIP源碼，實現(xiàn)基本的LwIP協(xié)議功能。LwIP_port目錄下的文件主要實現(xiàn)了LwIP協(xié)議棧與系統(tǒng)的接口，ethernetif.c文件實現(xiàn)LwIP協(xié)議和以太網(wǎng)驅(qū)動的接口，sys_arch.c文件（位于arch目錄下）實現(xiàn)LwIP協(xié)議和操作系統(tǒng)的接口。

ethernetif.c主要功能是初始化 MAC 相關(guān)工作環(huán)境、初始化 DMA 描述符鏈表。實現(xiàn)LwIP最底層的發(fā)送和接收一幀數(shù)據(jù)的函數(shù)。

sys_arch.c文件包含了LwIP要用到的必要的基于FreeRTOS機制的函數(shù)，主要有創(chuàng)建線程函數(shù)sys_thread_new，創(chuàng)建信號量函數(shù)sys_sem_new，創(chuàng)建郵箱函數(shù)sys_mbox_new等。這些函數(shù)需要對FreeRTOS的API做簡單的封裝，如sys_thread_new函數(shù)的本質(zhì)是調(diào)用xTaskCreate來實現(xiàn)創(chuàng)建線程。

APP目錄屬于應(yīng)用層的文件。netconf.c文件實現(xiàn)LwIP協(xié)議棧的初始化并開啟DHCP服務(wù)器，tcp_echoclient.c 文件實現(xiàn)指定的通訊協(xié)議任務(wù)。

stm32f429_eth.c，stm32f429_phy.c由ST公司官方提供，屬于以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)庫，用于實現(xiàn)ETH外設(shè)的配置，包括GPIO 初始化，RMII、 SMI 接口初始化，MAC 控制器工作環(huán)境配置，PHY 狀態(tài)獲取等。

4 網(wǎng)絡(luò)通訊測試

測試DHCP服務(wù)器軟件流程如圖4所示，首先硬件初始化，初始化系統(tǒng)時鐘、GPIO引腳、以太網(wǎng)ETH模塊、串口等；然后創(chuàng)建FreeRTOS任務(wù)，指定任務(wù)優(yōu)先級，棧大??；啟動FreeRTOS調(diào)度，至此以后系統(tǒng)開始輪詢調(diào)度任務(wù)。

在DHCP任務(wù)中首先執(zhí)行LwIP_Init函數(shù)初始化 LwIP 協(xié)議棧，設(shè)置ip地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)；添加以太網(wǎng)設(shè)備；設(shè)置以太網(wǎng)設(shè)備為默認(rèn)網(wǎng)卡；啟動網(wǎng)卡；設(shè)置鏈路回調(diào)函數(shù)，用于獲取鏈路狀態(tài)。然后以250ms的周期查詢DHCP的狀態(tài)，當(dāng) DHCP 狀態(tài)為DHCP_START 時，啟動 DHCP 功能， LwIP 會向 DHCP 服務(wù)器申請分配 IP 請求。當(dāng) DHCP 狀態(tài)為 DHCP_WAIT_ADDRESS 時，先判斷IP 地址是否為 0，如果不為 0 說明已經(jīng)有 IP 地址， 將停止DHCP 功能；如果IP 地址總是為 0，就需要判斷超時時間，并響應(yīng)超時錯誤。

使用網(wǎng)線把網(wǎng)絡(luò)模塊和電腦連入同一個路由器，保證路由器可以提供 DHCP 服務(wù)器功能。打開串口調(diào)試助手，為系統(tǒng)上電，可以看到在使能 DHCP 功能后，能夠動態(tài)獲取 的IP 地址，用電腦ping這個地址可以ping通，說明基于FreeRTOS和LwIP協(xié)議的DHCP功能調(diào)試成功。

TCP是一種可靠的、面向連接的通信協(xié)議，建立連接時需要通過“三次握手”建立連接。本文基于LwIP的socket編程接口實現(xiàn)TCP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)通訊，電腦作為客戶端，網(wǎng)絡(luò)模塊作為服務(wù)器，TCP軟件流程如圖4所示，初始化軟件流程與DHCP相同，區(qū)別是是創(chuàng)建的任務(wù)是TCP任務(wù)：創(chuàng)建socket套接字；調(diào)用bind函數(shù)綁定套接字的地址和端口號；調(diào)用listen函數(shù)監(jiān)聽客戶端的連接請求；調(diào)用accept函數(shù)，確立連接；通過recv、send函數(shù)接收發(fā)送數(shù)據(jù)，與客戶端通訊。在網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手中確定客戶端和服務(wù)器的IP和端口號，輸入一行內(nèi)容，可回顯服務(wù)器的響應(yīng)，即將輸入內(nèi)容打印出來，證明TCP通訊正常。

5 結(jié)語

在嵌入式操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧百花齊放的今天，選擇一種簡單實用的網(wǎng)絡(luò)通訊方式能夠很大的提高產(chǎn)品的可靠性和質(zhì)量。本文基于開源免費，移植簡單的FreeRTOS和LwIP協(xié)議棧，為嵌入式設(shè)備提供一種新的實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊功能的設(shè)計流程，具有一定的參考價值。

參考文獻(xiàn)

[1]李少杰，馬曉輝.基于FreeRTOS和LwIP的SNTP設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2013（09）.

[2]謝鵬程.基于STM32和FreeRTOS的獨立式運動控制器設(shè)計與研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2012（05）.

[3]余曉光.基于實時操作系統(tǒng)FreeRTOS的Lwip協(xié)議的移植研究[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2013（04）.

作者單位

國家海洋技術(shù)中心 天津市 300112