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)?，F(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),，總線寬度可設(shè)置為8位,、16位或32位，通常16位總線寬度的存儲(chǔ)器具有較高的性價(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。

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　　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TCP／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)。

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　　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,。

　?、俳邮招畔?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),。

　?、坜D(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。

　?、躀CMP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。

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　　4．4 應(yīng)用程序接口設(shè)計(jì)

　　LwIP API專為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鴮懀訪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?；贚wIP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。