论文-LWIP移植RTOS.doc

一． 前言
二．硬件平台
EVK1100开发板
USB摄像头
三．软件
（1） freertos移植。
（2） Lwip在freertos移植。
考虑到自己编写TCP/IP实现在开发周期和性能稳定性上的限制，而且开放代码的TCP/IP协议栈在性能上有保证和免费开源的优点，因此选择把FREERTOS与免费TCP/IP模块相结合的方法实现FREERTOS的网络功能。
LwIP的含义是Light Weight(轻型)IP协议。LwIP可以移植到操作系统上，也可以在无操作系统的情况下独立运行。LwIP TCP/IP实现的重点是在保持TCP协议主要功能的基础上减少对RAM的占用，一般它只需要几十K的RAM和40K左右的ROM就可以运行，这使LwIP协议栈适合在嵌入式系统中使用。
LwIP的进程模型如下：所有TCP/IP协议栈都在一个进程当中，这样TCP/IP协议栈就和操作系统内核分开了。而应用层程序既可以是单独的进程也可以驻留在TCP/IP进程中。如果应用程序是单独的进程，可以通过操作系统的邮箱、消息队列等和TCP/IP进程进行通讯。如果应用层程序驻留在TCP/IP进程中，那应用层程序就利用内部回调函数接口(Raw API)和TCP/IP协议栈通讯。对于FREERTOS来说进程就是一个系统任务。可以看到整个TCP/IP协议栈都在同一个任务(tcpip_thread)中。应用层程序既可以是独立的任务，如tftp--thread，tcpecho_thread)，也可以在tcpip_thread中利用原始接口(Raw API)和TCP/IP协议栈通讯。
LwIP协议栈在设计时就考虑到了移植问题，已把所有与硬件、OS、编译器相关的部分独立出来，放在/src/arch目录下。因此LwIP在FREERTOS上的实现就是修改这个目录下的文件。
(1) 数据类型定义
在LwIP的头文件/src/arch/include/arch目录下cc.h、cpu.h、perf.h文件中有一些与CPU或编译器相关的数据定义(如数据长度，字的高低位顺序等)。这应该与FREERTOS定义的数据长度等参数是一致的。
将cpu.h中的宏定义BYTE_ORDER修改为:
#define BYTE_ORDER LITTLE_ENDIAN即AT32UC3A默认为小端存储系统。
修改cc.h中数据类型长度的定义:
typedef unsigned char u8_t;
typedef signed char s8_t;
typedef unsigned short ul6_t;
typedef signed short s16_t;
typedef unsigned int u32_t;
typedef signed int s32_t;
修改cc.h中宏定义:
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的数据的，所以在定义struct的时候使用_packed关键字，让编译器放弃struct的字节对齐。LwIP在它的结构体定义中有几个PACKED_FIELD_xxx宏，默认的时候这几个宏都是空的，在移植的时候要添加不同的编译器所对应的_packed关键字。
#define PACK_STRUCT_FIELD(x) x
#define PACK_STRUCT_STRUCT _packed
#define PACK_STRUCT_BEGIN
#define PACK_STRUCT_END
(2) 操作系统相关部份
LwIP为了适应不同的操作系统，在代码中没有使用和某一种操作系统相关的系统调用和数据结构，而是在LwIP和操作系统之间加了一个操作系统封装层。操作系统封装层为操作系统服务(定时，进程同步，消息传递)提供了一个统一的接口。与操作系统移植有关的内容可以分成以下3个部分:
a、通信与同步-
LwIP采用信号量(semaphone)和消息队列(Message Queue)，作为通信与同步机制。在FREERTOS有类似的机制，这样就可以方便地对LwIP的相关函数进行重新包装。下面对这两者分别进行介绍:
1)sys_sem_t信号量
LwIP中需要使用信号量进行同步，所以在sys-arch中应实现信号量结构体sys_sem_t和处理函数:
sys_sem_new() //*创建一个信号量*//
sys_sem_free() //*释放一个信号量*//
sys_sem_signal() //*发送信号量*//
sys_sem_arches_sem_wait() //*请求信号量*//
由于FREERTOS已经实现了信号量OS_EVENT的各种操作，并且功能和LwIP上面几个函数的目的功能是完全一样的，利用下面的定义:
typedef OS_EVENT *sys_sem_t;
能够把FREERTOS信号量相关的函数重新包装成了上面的函数，这样在LwIP就可以直接使用了。
2)sys_mbox_t消息
LwIP使用消息队列来缓冲、传递数据报文。但定义消息队列结构时用sys_mbox_t表示，让人误以为是定义消息邮箱。在sys_arch中也需要实现类似于信号量中的4个处理函数:
sys_mbox_new() //*创建一个消息队列*//
sys_mbox_free() //*释放一个消息队列*//
sys_mbox_post() //*向消息队列发送消息*//
sys_arch_mbox_fetch() //*从消息队列获取消息*//
FREERTOS同样实现了消息队列结构OS_Q及其操作，但是FREERTOS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FREERTOS的基础上重新实现。为了实现对消息的管理，可以定义以下结构:
typedef struct{
OS_EVENT *pQ; //*FREERTOS中指向事件控制块的指针*//
void* pvQEntries(MAX_QUEUE_ENTREIS]; //*消息队列中最多消息数*//
}sys_mbox_t;
在以上结构中，包括OS_EVENT类型的队列指针(pQ)和队列内的消息(pvQEntries)两部分，对队列本身的管理利用FREERTOS自己的OSQ操作完成，然后使用FREERTOS中的内存管理模块实现对消息的创建、使用、删除回收，两部分综合起来形成了LwIP的消息队列功能。
下面给出各函数实现的伪代码:
sys_mbox_t sys_mbox_new(void)
{
为消息队列申请内存空间，使用函数:OSMemGet();
如果申请到内存空间，创建消息队列，使用函数:OSQCreate();
如果消息队列创建成功，返回消息队列指针;
如果没有申请到内存空间，返回空指针;
}
void sys_mbox_free(sys_mbox_t mbox)
{
清空消息队列，使用函数:OSQFlush();
删除消息队列，使用函数:OSQDel();
释放消息队列占用的内存，使用函数:OSMemPut();
}
void sys_mbox_post(sys_mbox_t mbox，void *data)
{
向消息队列发送一则消息，使用函数:OSQPost();
}
u32_t sys_arch_mbox_fetch(sys_mbox_t mbox，void**data，u32_t timeout)
{
计算等待消息的时间;
如果接收消息的指针不为空，则等待消息队列中的消息，使用函数:OSQPend();把消息放到*data中;
如果接收消息的指针为空，则等待消息队列中的消息，使用函数:
OSQPend();而不对*data赋值;
如果超时，超时变量赋值SYS_ARCH_TIMEOUT;
如果没有超时，判断，如果指针*data与空闲指针相等，则*data赋值NULL，超时变量赋值1;
返回超时变量的值;
}
b、LwIP中的定时事件的修改
在tcp/ip协议中很多时候都要用到定时功能，定时的实现也是tcp/ip协议栈中一个重要的部分。LwIP中定时事件的数据结构如下:
struct sys_timeout{
struct sys_timeout *next; //*指向一F一个定时结构*//
u32_t time; //*定时时间*//
sys_timeout_handle_h ; //*定时时间到后执行的函数*//
void *arg; //*定时时间到执行的函数参数*//
};
struct sys_timeouts{
struct sys_timeout *next;
};
struct sys_timeouts lwip_timeouts[LWIP_TASK_MAX];
每个和tcp/ip相关的任务的一系列定时事件组成一个单向链表。每个链表的起始指针存在lwip_timeouts的对应表项中。LWIP_TASK_MAX是宏，定义了最大LWPI任务数。
LwIP中每个与外界网络连接的线程都有自己的定时(timeout)属性，即等待超时时间。这个属性表现为每个线程都对应一个sys_timeout结构体队列，包括这个线程的timeout时间长度，以及超时后应调用的定时函数，该函数会做一些释放连接，回收资源的工作。如果一个线程对应的sys_timeout为空(NULL)，说明该线程对连接做永久的等待。
sys_timeout结构体已经由LwIP自己在sys.h中定义好了，而且对结构体队列的数据操作也由LwIP负责，我们所要实现的是如下函数:
struct sys_timeouts *sys_arch_timeouts(void)
这个函数的功能是返回目前正处于运行态的任务所对应的定时队列指针。利用FREERTOS的任务控制块结构，获取当前任务的优先级并判断是不是TCP/IP相关任务，然后返回相应的队列指针。
c、LwIP线程的创建
LwIP可以是单线程运行，即只有一个TCP/IP线程(tcpip_thread)，负责处理所有的TCP/UDP连接，各种网络程序都通过TCP/UDP线程与网络交互。但LwIP也可以多线程运行，以提高效率，降低编程复杂度。这时就需要用户实现创建新线程的函数:
void sys_thread_new(void(*thread)(void*arg)，void*arg);
在FREERTOS中，没有线程(thread)的概念，只有任务(Task)。它已经提供了创建新任务的系统API调用OSTaskCreate，因此只要把OSTaskCreate封装一下，就可以实现sys_thread_new。需要注意的是LwIP中的线程没有FREERTOS中优先级的概念，实现时要事先为LwPI中创建的线程分配好优先级。
创建一个新进程的代码如下:
#define LWIP_STK_SIZE 10*1024//*和tcp/ip相关任务的堆栈大小.可以根据情况自己设置*//
#define LWIP_TASK_MAX 5 //*和tcp/ip相关的任务最多数目*//
#define LWIP_START_PRIO 5 //*和tcp/ip相关任务的起始优先级，tcpip_thread在所有tcp/ip相关进程中应该是优先级最高的*//
OS_STKLWIP_TASK_STK[LWIP_TASK_MAX][LWIP_STK_SIZE]; //*和tcp/ip相关进程的堆栈区*//
u8_t curr_prio_offset;
sys_thread_t sys_thread_new(void(*function)(void*arg)，void*arg，int prio)
{
if(curr_prio_offset<LWIP_TASK_MAX)
OSTaskCreate(function,(void*)oxl111,&LWIP_TASK_STK[curr_prio_offset][LWIP_STK_SIZE-l]，LWIP_START_PRIO+curr_prio_offset):
curr_prio_offset++:
return l;
else{
//PRNIT(“lwip task prio out of range!error!”);
}
}
从代码中可以看出tcpip_thread应该是最先创建的。
(3)库函数的实现
LwIP协议栈中用到了8个外部函数，这些函数通常与用户使用的系统或编译器有关，因此留给用户自己实现。如下:
ul6_t htons(u16_t n); //*16位数据高低字节交换*//
ul6_t ntohs(ul6_t n);
u32_t htonl(u32_t n);//*32位数据大小头对调*//
u32_t ntohl(u32_t n);
int strlen(const char *str);//*返回字符串长度*//
int strncmp(const char*strl，const char*srt2，int len);//*字符串比较*//
void bcopy(const void*src，void*dest，intlen); //内存数据块之间的互相拷贝
void bzero(void *data，int n);*//内存中指定长度的数据块清零*//
前四个函数需要实现。
（3） Freertos下usb摄像头驱动。
（4） 文件系统。
（5） 服务器应用程序。
四．系统