LwIP协议栈开发嵌入式网络的三种方法分析
摘要 轻量级的TCP/IP协议栈LwIP，提供了三种应用程序设计方法，且很容易被移植到多任务的操作系统中。本文结合μC/OS-II这一实时操作系统，以建立TCP服务器端通信为例，分析三种方法以及之间的关系，着重介绍基于raw API的应用程序设计。最后在ST公司STM32F107微处理器平台上验证，并给出了测试结果。
关键词 LwIP协议栈；μC/OS-II；嵌入式网络；STM32F107；
随着嵌入式系统功能的多样化以及网络在各个领域的中的广泛应用，具备网络功能的嵌入式设备拥有更高的使用价值和更强的通用性。然而大部分嵌入式设备使用经济型处理器，受内存和速度限制，资源有限，不需要也不可能完整实现所有的TCP/IP协议，有时只需要满足实际需求就行。LwIP是由瑞典计算机科学研究院开发的轻量型TCP/IP协议栈，其特点是保持了以太网的基本功能，通过优化减少了对存储资源的占用。LwIP是免费、开源的，任何人可以使用，能够在裸机的环境下运行，当然设计的时候也考虑了将来的移植问题，可以很容易移植到多任务操作系统中。本文介绍了以ARM微处理器STM32F107和PHY接口DP83848为平台，构建的嵌入式系统中，采用LwIP和嵌入式操作系统μC/OS-II，使用协议栈提供的三种应用程序接口，实现嵌入式设备的网络通信功能。
1 LwIP和μC/OS-II介绍
1.1 LwIP协议栈
LwIP协议是瑞士计算机科学院的Adam Dunkels等开发的一套用于嵌入式系统的开放源代码TCP/IP协议栈。LwIP含义是light weight(轻型)IP协议，在实现时保持了TCP协议的主要功能基础上减少对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协议栈很适合在低端嵌入式系统中使用。
LwIP协议栈的设计才用分层结构的思想，每一个协议都作为一个模块来实现，提供一些与其它协议的接口函数。所有的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。而应用程序既可以是单独的进程也可以驻留在TCP/IP进程中，它们之间利用ICP机制进行通讯。如果应用程序是单独的线程可以通过操作系统的邮箱、消息队列等，与协议栈进程通讯。如果应用程序驻留在协议栈进程中，则应用程序可以通过内部回调函数和协议栈进程通讯。
1.2 μC/OS-II实时操作系统
μC/OS-II是一个源码公开、可移植、可固化、可裁剪及占先式的实时多任务操作系统，是专门为嵌入式应用设计的实时操作系统内核，已广泛的应用在各种嵌入式系统中。
μC/OS-II是多任务系统，内核负责管理各个任务，每个任务都有其优先级，μC/OS-II最多可以管理64个任务，其每个任务都拥有自己独立的堆栈。μC/OS-II提供了非常丰富的系统服务功能，比如信号量、消息邮箱、消息队列、事件标志、内存管理和时间管理等，这些功能可以帮助用户实现非常复杂的应用。
1.3 LwIP协议栈移植到μC/OS-II
LwIP协议栈在设计的时候就考虑到了将来的移植问题，因此把所有与硬件、操作系统、编译器有关的部分都全部独立起来，形成了一个操作系统模拟层。操作系统模拟层用进程间的信号量、邮箱机制处理通信问题，而μC/OS-II是一个基于任务调度的嵌入式实时操作系统，因此移植LwIP协议栈到μC/OS-II，是很容易实现的。
2 LwIP开发嵌入式网络应用程序
LwIP提供了三种应用程序接口：
（1） 低水平的，基于内核/回调函数的API（后面称 RAW API）
（2） 高水平的，连续的API（后面称LwIP API）
（3） BSD风格的套接字API（后面称BSD socket）
可以在协议栈中通过对宏定义的不同配置，来决定使用哪种方式。其中BSD socket方式不是很成熟，RAW API需要编写回调函数，协议栈推荐使用LwIP API这种方式，但是三种方式到了底层都是通过回调函数实现的。本文直接从RAW API入手，以建立TCP服务器端通信为例，详述底层的调用，然后再讲述后面的两种是如何封装而成的。
2.1基于RAW API的应用程序设计步骤
使用RAW API进行TCP/IP编程，可以使应用程序的代码和协议栈的代码很好地结合起来。程序的执行机制是以回调函数为基础的事件驱动的，同时回调函数也是被TCP/IP代码直接调用的，回调函数、数据发送函数都需要自己编写。这种方式是唯一的一种支持设备裸机运行，又可以完成网络通信完成系统功能。裸机运行实际相当于是一个线程，而协议栈代码和应用程序代码通过先后次序处理，完成数据流转。
图1是使用RAW API方式，多任务系统实现TCP服务器端通信的步骤。
图1 RAW API方式应用程序设计
LwIP协议栈中的tcp块结构有两种TCP_PCB和TCP_PCB_LISTEN，前者在内存池中的默认个数是5，后者是8，其中listen型的结构占用少量的内存，专门用于处理在侦听状态的tcp块结构。tcp_listen函数中，释放tcp_new创建的块结构，而是返回一个listen型的tcp块结构。客户端连接，到达TCP层，在tcp_listen_input函数中，重新创建一个TCP_PCB块结构，专门用于和客户端通信。侦听到客户端连接，完成三次握手后，回调自己编写的接收函数，然后将全局的指针指向与客户端通信的块结构，在数据发送时，使用这个指针，就是在用这个块结构与客户端通信。
由上面看出，这种方式最大的特点是减少了任务之间的切换，只要数据来到协议栈线程，通过回调的方式就可以完成数据的处理。
2.2 基于LwIP API的应用程序设计
LwIP API方式的编程，是基于上面的RAW API的，封装了一个netconn的结构，所有操作不在针对TCP块结构，而变成了netconn型的结构变量。操作都需要协议栈去处理，应用程序与协议栈通信，通过发送消息方式进行，因此这种方式会造成频繁的任务切换，速度相比RAW API慢了许多，使用步骤如图2所示。
图2 LwIP API方式应用程序设计
2.3 基于BSD socket的应用程序设计
BSD socket相当于对LwIP API做了一层封装，而netconn结构有一个变量是socket，这样两者很容易结合起来。Socket方式很容易被理解，编写应用程序也较为容易，但是效率低，消耗的资源更多，使用步骤如
图3 BSD socket方式应用程序设计
3 实际应用与验证
本次验证中使用的开发板，微处理器采用ST公司推出的STM32F107，以太网PHY芯片采用DP83848.STM32F107是一款基于ARM Cortex-M3内核的32位处理器，是面向网络互连型应用的，最大工作频率为72MHz，内置了MAC控制器，可以方便地与以太网PHY芯片连接，构成以太网接口。以太网PHY芯片DP83848采用RMII模式与STM32F107连接。RMII模式可以减少接口之间的引脚连接，降低了绘制电路板的复杂性，同时空闲的引脚可用作其它用途，以太网接口如图4所示。
图4 STM32F107 MAC与DP83848连接图
在开发板上，移植好LwIP协议栈和μC/OS-II操作系统，应用程序中创建一个Web服务器，绑定本地IP地址192.168.1.241、端口80。在自己编写的数据接收函数中，利用两个字符型数据分别保存HTTP1.0响应消息的相关信息和要在客户端网页中显示的信息。侦听到客户端连接后，判断接收到数据的前5个字节，解析HTTP报头，如果请求方不是GET请求就中断连接，否则将那两个字符型数据的内容一次传送给客户端。在客户端PC机浏览器的地址栏中输入http://192.168.1.241/后，PC的显示结果如图5所示。
图5 开发板web服务器验证图