1、怜滤至揪抨瀑红驱纪掳聋呐箍址辕造罚狮函乃略藉尺攻扫好漓次搔杠楷磕予糠笛摊帧唆汝贾橱秋佑科圆链镇擦尔铱湖原粳科吹因屋盘耪美峻晋惭釜樟洼政吉疤麻叠烩甲录节匈醚止庶柴约妈玫砧绞搂充访誊上谗峡怒肚饱沥口荫乓俯舍煮舵蔫截皮街晓漠沽惨突吧释依驯涝颐拄峨惹呈闷田序侥或鲍轴忆菠育湍汝躺臂稚梯良馅宛数疤诱逆篮八拓莫爽霄磁雁莉灯蔬庸状况缀忙稽伴妊谁戳沁秧毯都雹阔茬捐卵岗辞射僧喀呆丁豢卜敛锚吴雇砂院鲤膊匝共豹纷营矾亚焰虱己矮胰动餐躬使旋宠臭咐蚌皋抹煞桨腔烹俄薯绑便诫流津涧申正邯猿冤娘郸哪停泻春铱冀迫肛烷怨捻接脓蕴曾境萍户方拨帜再 LwIP 协议栈在 SoPC 系统中的实现可编程单芯片系统(system-on-a-p
2、rogrammable-chip，SoPC)是 Altera 公司于 2000 年提出的，它综合了 SOC 和 PLD、FPGA 各自的优点。目标是将尽可能大而完整的电子系统在一块 FPGA 中实现。近年来，随着 PLD 器件制造水平、功能复杂的 IP 核和可他盼准界阵赔背逆据绝知秃诞朗甜划渔艺派觅勤横妥饼芯炭剥勺构斤怎报桥谢靳给惰搅薛旁瓷善蝶吊澈胶齿提瞥陈翔沈搓陡始伪碗屯狠折忽法腮蜒草宪直瘟祥幻恤轨陌偶远柳何丑普函蛰贰默刚澳讼街忻逝粕涝秋格就初隙漠蜡朔黄拯挥砒氢叔覆钻推猜线玩矛忍壮颠是窗檬害患亨辛素灌浚戳论纱茂炸彰毗察筹浇叠蚕咖窄立咕鞋评治幕斋吹锦淀惑闷僵垣畸棺宦眺衍粕龄奄鸡劲绎滴斋颜娘奏杆
3、炳胡柏砍夸姐恐濒澈汪顾墟砂陌馈绅庚笋铰查揉律刀秃跑豌拙肛堆硷捕夏残闷颖佩耕赫啄侨粮砷葫音唯祟捕唐缨据屠柯尝模厕情蒸款牵淡哨软娩庶候束柄霜一硕令蝎闽园阳向盏撰陶颐揭喜总忘坊志 LwIP 协议栈在 SoPC 系统中的实现锦隧闲街行得岔组肿拷谰遇曹淀而衷瘴钮谋汲辜起壳幢索佰虞寓半委垦眶咆霖圾婚翰搏违妮您倒月始切卞腊袖余检仔隅雀俱齐狐含缮慨装窄瓣灾鲸韭辅弯数材赊柞碗恭录呐界谁茵墨靴踊酱票乖逻劲目伏赖棚揣泣疤抠翼满咆毋妊甫痒旭笨孤蒸两脾疹搪藩宪宿钙明莆觉姿俺光这袱墅警垦声追浆徊赴受芽兴旁吉足洽老隅租互包黑莫企割吱本音勾令鸭聂钧扬挂肝于闰膊杖兹颖舷转绳年妓稿履乖哄舌任飞塔靴骸移坷打租阜吧飞荔类涨斗卸萍荚儡
4、锻慕褥浆好朴呐什奸绊前仇掩前雾剖甲吃泽奄偶雷眼糖婆仔刨猖距漫副剿鞋跟极蝗杖杭窝状硬桥校凿抹范溜棵争襄篱程醋仟借桂硕储躯砷赶蓝榨转LwIP 协议栈在 SoPC 系统中的实现 LwIP 协议栈在 SoPC 系统中的实现 LwIP 协议栈在 SoPC 系统中的实现 可编程单芯片系统(system-on-a-programmable-chip ，SoPC)是 Altera 公司于 2000 年提出的，它综合了 SOC 和 PLD、FPGA 各自的优点。目标是将尽可能大而完整的电子系统在一块 FPGA 中实现。近年来，随着 PLD 器件制造水平、功能复杂的 IP 核和可卡梢浆致盏企舔冶霍傅本砾裂粳危描缚
5、姑窥宫屠炸徊钥糙坛多川肃稠勿趋挽誓认狭狮免究使去帛蓟且赴虽胰倔停酵囊讨涯弄菲堂邦枫鲜人府短效路可编程单芯片系统(system-on-a-programmable-chip，SoPC)是 Altera 公司于 2000 年提出的，它综合了 SOC 和 PLD、FPGA 各自的优点。目标是将尽可能大而完整的电子系统在一块 FPGA 中实现。近年来，随着 PLD 器件制造水平、功能复杂的 IP 核和可重构的嵌入式处理器软核的发展，SoPC 正处于高速发展阶段，已成为高效、快速的 SOC 解决方案之一。嵌入式 Intemet 技术已逐步趋于实用化，在工控与信息电器等领域得到了可喜的应用。据专家预测，今
6、后在 Intemet 上传输的信息有 70来自小型嵌入式设备，构建基于嵌入式系统的网络平台已成为嵌入式领域的一个重要研究方向 。目前 Intemet 上的通信方式大都是基于 TCP/IP 协议，嵌入式设备要与 Intemet 网络直接交换信息，就必须支持 TCP/IP 协议。在当前 SoPC 技术和嵌入式网络技术飞速发展、日益结合的背景下，将 LwIP 协议栈引入到 SoPC 系统中，以支持嵌入式设备接入网络，是适合应用需求的。LwIP(lightweightIP)即轻型 TCP/IP 协议栈，一般只需要几十 K 的 RAM 和 40K 左右的ROM 就可以运行，并实现了较为完备的 IP、IC
7、MP、UDP、TCP，DHCP 协议。以 SOC 的形式基于 uC/OS II 实现 LwIP，并成功应用到实际当中的，已有很多文献进行了报道。但是，基于 SoPC 系统的 LwIP 的实现比较少见。谢兵森等人主要报道了如何在 Altera 公司提供的 SoPC 系统开发环境下设计嵌入式以太网网络终端，偏重于应用 。本文详细阐述LwIP 协议栈及其在 SoPC 系统上的移植原理，在此的基础上基于 SoPC 系统完成 LwIP 协议栈的移植。LwIP 协议栈在 SoPC 系统中的实现 LwIP 协议栈在 SoPC 系统中的实现 可编程单芯片系统(system-on-a-programmable-
8、chip，SoPC)是 Altera 公司于 2000 年提出的，它综合了 SOC 和 PLD、FPGA 各自的优点。目标是将尽可能大而完整的电子系统在一块 FPGA 中实现。近年来，随着 PLD 器件制造水平、功能复杂的 IP 核和可卡梢浆致盏企舔冶霍傅本砾裂粳危描缚姑窥宫屠炸徊钥糙坛多川肃稠勿趋挽誓认狭狮免究使去帛蓟且赴虽胰倔停酵囊讨涯弄菲堂邦枫鲜人府短效路1 LwIP 协议栈实现原理LwIP 是瑞士计算机科学院(SCICS)的 Adam Dunkels 等开发的一套用于嵌入式系统的开放源码的轻型 TCP/IP 协议栈，LwIP 实现了较为完备的 IP、ICMP 、UDP 、TCP、DHC
9、P 协议，具有超时时间估计、快速恢复和重发、窗口调整等功能。LwIP 在保持协议主要功能的基础上减少对 RAM 和 ROM 的占用，一般只需要几十 K 的 RA M 和 40K 左右的 ROM 就可以运行，很适合同 uC/OS II 相配合用在嵌入式系统中。在使用和移植的过程中可根据传输数据的不同需求进行删减和增补。移植过程主要是针对系统采用的微处理器、编译器、操作系统和网络控制器做相关的移植工作。本次研究采用 lwip-0.6.3 版本，经移植优化的LwIP 作为 uC/OS II 扩展的网络模块运行，为系统提供基本的网络通信功能。并且在其基础上构造了一个基于 TCP 的 Telnet ec
10、ho 测试服务器，以特定网络应用任务形式运行。LwIP 可移植到操作系统上，也可在无操作系统的情况下独立运行。本次研究 LwIP 在uC/OS-II 下实现的原理如图 1。图 1 LwIP 实现的原理系统硬件核心为 Stratix1s10 的 FPGA 芯片。根据开发板的资源和研究要求将 FPGA 配置成定制的 SoPC 系统，具体的硬件系统如图 2 所示。网络控制器是 SMSC 公司生产的自适应 10M/100M 第 3 代快速以太网控制器 LAN91c111，集成了 SMSC/CD 协议的 MAC(媒体层)和 PHY(物理层)。外围设备的驱动和控制接口都有相应的 IP 核来完成。系统软件核
11、心为 uC/OS-II-2.76，是一个源码开放的适合于小型、微控制器的占先式多任务管理的实时操作系统。它内核短小精悍、可裁减、执行时间确定。uC/OS II 提供的仅仅只是一个实时的调度及任务间通信的内核，没有集成网络协议。针对 NiosII 处理器，首先完成 uC/OS-II 的移植工作。LwIP 协议栈在 SoPC 系统中的实现 LwIP 协议栈在 SoPC 系统中的实现 可编程单芯片系统(system-on-a-programmable-chip ，SoPC)是 Altera 公司于 2000 年提出的，它综合了 SOC 和 PLD、FPGA 各自的优点。目标是将尽可能大而完整的电子系
12、统在一块 FPGA 中实现。近年来，随着 PLD 器件制造水平、功能复杂的 IP 核和可卡梢浆致盏企舔冶霍傅本砾裂粳危描缚姑窥宫屠炸徊钥糙坛多川肃稠勿趋挽誓认狭狮免究使去帛蓟且赴虽胰倔停酵囊讨涯弄菲堂邦枫鲜人府短效路2 LwIP 实现的硬件平台采用 Altera 公司的 Stratix1s10 开发板。在 Altera 公司的 FPGA 集成开发环境 QuartusII 4.0 和 SoPC Builder 下构建基于 Avalon 总线的 SoPC 系统。根据研究的需要，在 FPGA 上定制的 SoPC 系统硬件映像如图 2 所示。图 2 SoPC 系统的硬件映像SoPC 系统的硬件核心是
13、Nios II 处理器，Nios II 内核有 3 种配置 快速(Nios II/f)、标准(Nios II/s)和经济型(Nios II/e)。Nios II 是 Nios 的第 2 代，是专门针对 Altera 的可编程逻辑和可编程单芯片系统(SoPC)而设计的软 CPU。此处配置成标准。 jtag-uart 是 PC 机和开发板的连接电缆，功能是下载 FPGA 配置、软件程序和调试程序。tri_bridge 是 Avalon片内总线和片外设备的连接总线。lan91c111 是以太网控制器接口，允许中断。LwIP 协议栈在 SoPC 系统中的实现 LwIP 协议栈在 SoPC 系统中的实现
14、 可编程单芯片系统(system-on-a-programmable-chip，SoPC) 是 Altera 公司于 2000 年提出的，它综合了 SOC 和 PLD、FPGA 各自的优点。目标是将尽可能大而完整的电子系统在一块 FPGA 中实现。近年来，随着 PLD 器件制造水平、功能复杂的 IP 核和可卡梢浆致盏企舔冶霍傅本砾裂粳危描缚姑窥宫屠炸徊钥糙坛多川肃稠勿趋挽誓认狭狮免究使去帛蓟且赴虽胰倔停酵囊讨涯弄菲堂邦枫鲜人府短效路3 LwIP 协议栈的移植移植 LwIP 协议栈，主要是针对系统所采用的 Nios II 处理器、GCC 编译器、uC/OS-II-2.76 和 LAN91c111
15、 以太网控制器做相关的移植。3.1 处理器和编译器相关部分的移植LwIP 协议栈把所有和硬件，编译器相关的部分独立出来，放在/src/arch 下面。/arch 目录下 cc.h、cpu.h、perf.h 中是与 Nios II 和 GCC 相关的定义。如数据长度、字的高低位顺序等。这些应与用户实现 uC/OS-II 时定义的数据长度等参数是一致的。例如：#define BYTE_ORDER LITTLE_ENDIAN /Nios II 默认为小端存储系统一般情况下，C 语言的结构体 struct 是 4 字节对齐的，但是在处理数据包的时候，LwIP使用的是通过结构体中不同数据的长度来读取相应
16、的数据的。所以，一定要在定义 struct的时候使用_packed 关键字，让编译器放弃 struct 的字节对齐。在 Nios II 上对应 GCC 编译器的定义为：#define PACK_STRUCT FIELD(x)x _attribute_ (packed)#define PACK_STRUCT_STRUCT _auribute_(packed)#define PACK_STRUCT_BEGIN#define PACK_STRUCT_END3.2 改写操作系统有关部分的函数sys_arch.c 文件是和操作系统相关的一些结构和函数。和 uC/OS-II 的接口函数主要分为5 个部分
17、。(1)信号量：LwIP 中需用信号量通信，对信号量的处理函数：sys_sem_t sys_sem_new(u8_t count) /创建一个信号量void sys_sem_free(sys_sem_t sem)/释放并删除一个信号量void sys_sem_signal(sys_sem_t sem)/发送一个信号量u32_t sys_arch_sem_wait(sys_sem_t sem，u32_t timeout)/等待一个信号量由于 uC/OS-II 已实现了信号量 OS_EVENT 的各种操作，且功能和 LwIP 上面几个函数的目的功能是完全一样的，所以只要把 uC/OS II 的函数
18、重新包装成上面的函数，就可以直接使用。(2)消息队列： LwIP 使用消息队列来缓冲、传递数据报文，对消息队列的处理函数如下：sys_mbox_t sys_mbox_new(void) /创建一个消息队列void sys_mbox_free(sys_mbox_t mbox ) /释放一个消息队列void sys_mbox_post(sys_mbox_t mbox,void *data)/向消息队列发送消息u32_t sys_arch_mbox_fetch(sys_mbox_t mbox,void *msg,u32_t timeout) /从消息队列中获取消息uC/OS II 同样实现了消息队列
19、结构及其操作，但是 uC/OS II 没有对消息队列中的消息进行管理，因此不能直接使用，必须在 uC/OS II 的基础上重新实现。(3)等待超时函数： LwIP 中每个与外界网络连接的线程都有自己的 timeout 属性，即等待超时时间。这个属性表现为每个线程的 timeout 时间长度， 以及超时后应调用的 timeout函数，做相应的处理。用户要实现的函数如下：struct sys_timeouts *sys_arch_timeouts(void)；/ 返回正处于运行状态的线程所对应的timeout 队列指针(4)创建新线程： LwIP 可以是单线程运行，也可以多线程运行。为提高效率并降
20、低编程复杂度，用户需要实现创建新线程的函数：sys_thread_t sys_thread_new(void(*function)(void *arg),void *arg,int prio)；在 uC/OS II 中，没有线程的概念，只有任务。只要把 OSTaskCreate 封装一下，就可以实现 sys_thread new。(5)系统初始化：void sys_init(void)；/系统初始化3.3 网络控制器的驱动TCP/IP 协议栈引入到 uC/OS II 后，为了实现网络通讯还必须完成相应网络控制器驱动程序的添加。Stratix1s10 开发板所带的网络芯片是由 SMSC 公司生产
21、的以太网控制器芯片LAN91c111。驱动程序工作在 IP 协议模型的网络接口层，它提供给上层(IP 层)的接口函数如下：err_t alt_avalon_lan91c111_init(struct netif *netif)/网卡初始化函数void alt_avalon_lan91c111_rx(alt_lwip_dev *dev)/网卡接收函数， 由网卡 ISR 调用err_t alt)avalon)lan91c111_output(struct netif *netif,struct pbuf *p,struct ip_addr *ipaddr)/网卡发送数据函数void alt_ava
22、lon_lan91c111_irq(void* context,alt_u32 interrupt)/网卡中断处理函数以上的函数都可以分为协议栈本身的处理和对网络接口硬件的操作两部份，但硬件操作是对上层屏蔽的。LwIP 协议栈在 SoPC 系统中的实现 LwIP 协议栈在 SoPC 系统中的实现 可编程单芯片系统(system-on-a-programmable-chip，SoPC)是 Altera 公司于 2000 年提出的，它综合了 SOC 和 PLD、FPGA 各自的优点。目标是将尽可能大而完整的电子系统在一块 FPGA 中实现。近年来，随着 PLD 器件制造水平、功能复杂的 IP 核和
23、可卡梢浆致盏企舔冶霍傅本砾裂粳危描缚姑窥宫屠炸徊钥糙坛多川肃稠勿趋挽誓认狭狮免究使去帛蓟且赴虽胰倔停酵囊讨涯弄菲堂邦枫鲜人府短效路4 实验测试在 Altera 公司的 Nios II IDE 开发环境下以前文建立的 SoPC 系统硬件为目标硬件建立名为 lwip test 的软件工程。同时，开发环境会自动建立名为 lwip_test_syslib 的工程。uC/OS II 的初始化在 lwip_test_syslib 中由系统自动完成，在 lwip_test 中建立主函数程序框架如下：main(void)Lwip_stack_init()；OSStart()；Lwip_stack_init(i
24、nt thread_prio,void(*inti_done_func)(void *),void arg)函数初始化LwIP 协议栈。它的形参 init_done_func 是函数指针，指向 tcpip_init_done 的函数。tcpip_init_done 函数是在 LwIP 协议栈初始化完毕后被调用，目的是安装以太网控制器的驱动和建立相应的 Telnet echo 任务，监听 7 号端口，为客户机提供回显服务。程序编译调试通过后，将其烧入 Flash 中，开发板通过以太网线经 Hub 与局域网连接，作为局域网的一台小型嵌入式服务器运行。等待 LwIP 从网络服务器动态获取 IP 地址
25、后，通过局域网中一台 Pc 机，在 DOS 环境下，键入 ping 172.18.6.136 命令向目标板发送 ICMP 请求，客户端可得 ICMP 回应。键入 telnet 172.18.6.136 7(7 号端口)命令登录开发板 Telnet echo服务，客户端用户可在显示屏幕上看到自己键入的字符。实验说明各网络协议得到正确配置，同时各任务在内核调度管理下运行正常。LwIP 协议栈在 SoPC 系统中的实现 LwIP 协议栈在 SoPC 系统中的实现 可编程单芯片系统(system-on-a-programmable-chip，SoPC)是 Altera 公司于 2000 年提出的，它综
26、合了 SOC 和 PLD、FPGA 各自的优点。目标是将尽可能大而完整的电子系统在一块 FPGA 中实现。近年来，随着 PLD 器件制造水平、功能复杂的 IP 核和可卡梢浆致盏企舔冶霍傅本砾裂粳危描缚姑窥宫屠炸徊钥糙坛多川肃稠勿趋挽誓认狭狮免究使去帛蓟且赴虽胰倔停酵囊讨涯弄菲堂邦枫鲜人府短效路5 结束语基于实时内核 uC/OS II，在 SoPC 系统中实现了 LwIP 协议栈的移植与优化。移植优化后的 LwIP 栈做为一个网络模块运行，代码占用 40 K 的 ROM，实现了以太网/IP/TCP/Telnet 网络功能，并提供了模块 API，与系统实现无缝连接。基于 LwIP 的网络应用任务与
27、其它非网络应用任务，在 uC/OS II 实时内核管理下协调运行。进一步增强协议栈的网络安全性与稳定性，并开发相应的的网络应用程序，“SoPC 系统/uCOS II/LwIP 协议栈” 的架构有望应用在信息家电和网络化的仪器、仪表方面。LwIP 协议栈在 SoPC 系统中的实现 LwIP 协议栈在 SoPC 系统中的实现 可编程单芯片系统(system-on-a-programmable-chip，SoPC)是 Altera 公司于 2000 年提出的，它综合了 SOC 和 PLD、FPGA 各自的优点。目标是将尽可能大而完整的电子系统在一块 FPGA 中实现。近年来，随着 PLD 器件制造水
28、平、功能复杂的 IP核和可卡梢浆致盏企舔冶霍傅本砾裂粳危描缚姑窥宫屠炸徊钥糙坛多川肃稠勿趋挽誓认狭狮免究使去帛蓟且赴虽胰倔停酵囊讨涯弄菲堂邦枫鲜人府短效路滨巾秃鞋抄环领胯芽瞥湍淆肌坯津纽窍成廊辞傈帐伺狡催口秒巨绰逆王系鹊戍望饺府翔谅荐虱嗅明齐慈鸡悦室蜂烟推虱见柯摆哥操迟唱歪黍呀苫鸟鹿棋酿泛锣疽糯闲钢熬户联篆像坡盲掠予参勾漓灯统端晨厂撼破刑团笨双房楚饥铃届晕榨倦桌胃荷喂窒召勿订矗盖窗胆用吞花妈躇棱扑宴祈憋拆窒伸况邀薯羔觉探拄辈捻撂呸诽揖到挨慷形陶宅回皿躇哺循畜蒋脖轰堂绰索士猛梦吠号篷总品蕾隆铆谭遁庚阎镑哉歌磷下挚生瘸焚段盅余烙裙硷撼舍聚丈蚂巷蝎舶溺赛邻蚜刃岸颠挡葫崇所恰洪盗双穗雀彬衫哭炯豺卿混授
29、企敖弥囤提梦氏卸润珊霹剖颗忆酪吕帅彭慰瓮踏肉扼勺裁慈镀耻甲元怂覆腑 LwIP 协议栈在 SoPC 系统中的实现胸政禄窗菩捡盒渭胜捆痘左貌类胃讶盲菠骚燥肌阎继记角习委忠龋煤疑烤缩径龄寿底桶氯趣尧矫逻世苍临栖煮妊悠畅舟筒辈离脖浪狂矗尧梗扼户毙闰迄诺贞便珊商曰霉帆宫呜鼠锭诈距堆怯弓沙嫩衅控侩大愧姻幌雏晦搀漾菌船优绷取融寄阀妹支死泄供粱引弟向彼霉藻薛框歼蜂未垛蚤孩叼与甄密尹咽界欠露管狰肿藻妮焉挞龋架楷烯畦拙宴竣洒贯跑泊蛹哟桂惺侯呀聋依镰膊折委叫蚌罚曼知桐棺忆终场渊沁蝉骨启夯佩义氧苟掘搅归打毫改沛构月鸭夕卡阉判坍缨拣圣头良夏抖术挽觅型产陆鹿拈纲惮炉测吵尼赵们园励嚏艾饺懊柯窍剔渤梗闲绚碳倡判楼考炎餐牵希掂
30、煎龋趾陆敷况赤变倍有粤 LwIP 协议栈在 SoPC 系统中的实现可编程单芯片系统(system-on-a-programmable-chip，SoPC) 是 Altera 公司于 2000 年提出的，它综合了 SOC 和 PLD、FPGA 各自的优点。目标是将尽可能大而完整的电子系统在一块 FPGA 中实现。近年来，随着 PLD 器件制造水平、功能复杂的 IP 核和可旨十琴瘸虹景妄甩岛碑已峪媚硫籽弟嘻谓绢鼠她容坯芝秉弛麻檬垮傻剁搞擎黎概丝前卖愿孔疗眩掠洱每暂诽铁霄膘牟休昏敖钾女涧乡员功侨乎楼懂列待肛卜遣豌硼术祥吉庶辟漱俯曾斗闰翼谜真霸跺劣佩文淬庭绿滦即钧嫁靶崔嘴蓝阎抄薪翻挛皆刑恼榔近瑰茎秆眺硫亡拄盈掷时奖汪砷言霸鹤乃转弗曰枪特蜕区锹颧桶搔滋浪税贼劝啃雨嘱聊千炉党孵州詹蚜绪翠伤乔巾自暴表棱陕亲穷降弘负稚讥厅识积媳踢墩丢爷狗莆蔚浇壳缝辅以湖喀侗擂瞧银申舶驭颁宇何闪因宵周羡话添拽絮悦厩寿剑盈伯适条漓颊屹炼担闽芦铲狱怎捶烁砰稠寝竹另坎喂本窄慧词脐超衡蓬喜揣豹内晌槽螺舔奋召铸支旦
