基于μC/OS-Ⅱ和LwIP的嵌入式Web服务器实现

2011-02-03杨俊吕建平徐峰柳

电气自动化 2011年3期

杨俊吕建平徐峰柳

(苏州大学电子信息学院，江苏苏州 215006)

0 引言

随着嵌入式系统和单片机技术的发展，嵌入式以太网的设计越来越受关注。美国贝尔实验室总裁Arun Netravali等一批科学家曾经作出了预测:未来"将会产生比PC时代多出成百上千倍的瘦服务器和超级嵌入式瘦服务器，这些瘦服务器将与我们这个世界你能想象到的各种物理信息、生物信息相连接，通过Internet自动地、实时地、方便地、简单地提供给需要这些信息的对象"［1］。因此，研究和设计嵌入式网络通信将具有十分重要的价值。本文以LPC1768、DP83848CVVP芯片搭建硬件平台，构建以μC/OS-Ⅱ、LwIP为基础的软件系统，在此基础上实现web服务，从而达到通过浏览器对其进行访问的目的。

1 μC/OS-Ⅱ系统分析及移植

μC/OS-Ⅱ是由美国人Jean J.Labrosse编写的一个公开源代码的微内核嵌入式实时操作系统，其实时性能和内核的健壮性早已经在大量的实际应用中得到了证实。具有如下特点:①公开源代码，②移植性好，③可裁剪，④稳定性和可靠性高。

1.1 μC/OS-Ⅱ系统分析

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。

1.2 μC/OS-Ⅱ移植

μC/OS-Ⅱ作为操作系统，全部源代码大约是6000～7000行，文件结构如图1所示，移植主要是处理与处理器相关的源文件，即 os_cpu_c.c，os_cpu_a.s，os_cpu.h。其中 os_cpu.h 主要包含编译器相关的数据类型的定义、堆栈类型的定义以及几个宏定义和函数说明，为了便于移植，须重新定义数据类型，因为不同的编译器所提供的同一数据类型的数据长度并不相同。os_cpu_c.c文件中主要实现任务堆栈的初始化函数OSTaskStkInit()，任务创建函数通过调用函数OSTaskStkInit()初始化任务堆栈结构。在os_cpu_a.s文件中需要根据具体的硬件处理器实现几个汇编函数OSstartHighRdy()、OSCtxSw()、OSIntetxsw以及临界处理函数OS_CPU_SR_Save，OS_CPU_SR_Restore。尤其需要注意的是，由于LPC1768是cortex－m3内核，故OSCtxSw()、OSIntetxsw函数都是通过触发pendsv(可挂起中断服务)来完成，它负责μC/OS－II的全部上下文切换。

图1 μC/OS-Ⅱ系统文件结构

2 LPC1768的网络接口设计

由于LPC1768的以太网控制器只集成了介质访问控制器(MAC)，缺少物理层(PHY)，故本系统选用的 PHY芯片为DP83848CVV芯片，由 National Semiconductor公司生产，RJ45接口选用 HanRun公司生产的 HR911105A接口。DP83848CVV、HR911105A与LPC1768的硬件连接示意图如图2所示。1768的以太网模块使用RMII(简化的媒体独立接口)协议和片上MIIM(媒体独立接口管理)串行总线、MDIO(管理数据输入/输出)来实现与片外PHY之间的连接，MIMM接口可对PHY寄存器进行访问。RMII对应的引脚为 ENET_TX_EN、ENET_TXD［1:0］、ENET_RXD_［1:0］、ENET_RX_ER、ENET_CRS、ENET_REF_CLK，接口MIMM对应的引脚为ENET_MDC、ENET_MDIO。需要注意的是使用DP83848CVV芯片的RMII模式必须外接50MHz的有源晶振。

图2 LPC1768网络连接示意图

3 LwIP介绍

LwIP是瑞士计算机科学院(Swedish Institute of Computer Science)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。

3.1 LwIP协议栈的体系结构

LwIP的体系结构如图3所示，由图可知:LwIP由一些相对独立的模块组成，除TCP/IP协议的实现模块(IP、ICMP、UDP、TCP)外，还包括许多相关的支持模块，这些支持模块包括操作系统模拟层、缓冲与内存管理模块、网络接口函数以及一组Intemct校验和计算函数、API接口函数。

图3 LwIP协议栈体系结构

3.2 LwIP移植:实现操作系统模拟层

LwIP的操作系统模拟层(sys_arch)是底层操作系统和LwIP之间的一个接口，为LwIP提供信号量和邮箱2种进程间通信方式。当用户移植LwIP时，只需修改这个接口即可。主要实现以下几种类型的函数，分别是信号量操作函数、邮箱操作函数、临界保护函数、sys_thread_new()函数、sys_arch_timeouts()函数。由于μC/OS－II提供了创建任务函数、临界保护函数以及丰富的信号量和邮箱操作函数，所以只需对这些函数稍加修改，便可实现LwIP操作系统模拟层的函数。

3.3 LwIP协议栈的TCP通信流程

TCP属于传输层协议，它为应用层提供可靠的字节流服务，建立在TCP协议之上的应用层协议有 HTTP等。本文采用的是HTTP协议。基本的TCP处理过程被分割为6个功能函数来实现:tcp_input()、tcp_process()、tcp_receive()、tcp_write、tcp_enqueue、tcp_output。实现框图如图4所示。

图4 TCP层通信流程

3.4 LwIP主线程tcpip_thread

主线程tcpip_thread是一个主控循环，底层接口函数通过tcpip_thread和lwip的内部函数进行通信，比如在进行tcp传输时，底层接口函数通过传递邮箱mbox的方式进入到tcpip_thread，然后在该函数中，进入tcp层的tcpip_input函数中，实现tcp层的传输。

3.5 LwIP API

LwIP API专为LwIP设计，所以它可以充分利用LwIP的内部结构以实现其设计目标，不需要在应用程序和协议栈之间复制数据，因此应用程序可以巧妙地直接处理内部缓冲区。LwIP API使用2种数据类型，分别为:①、netbuf，描述网络缓存的数据类型，对应的函数为netbuf_new()、netbuf_delete()、netbuf_alloc()等;②、netconn，描述网络连接的数据类型，对应的函数为netconn_new，netconn_delete()、netconn_bind，netconn_connect()、netconn_accept()等。LwIP的上层应用程序是基于LwIP API编写的。

4 HTTP协议

超文本传送协议(HTTP)是实现www的应用层协议，HTTP负责web服务器与web客户(浏览器)之间的实际超文本文档的传送。

4.1 HTML 语言

网页就是一个HTML语法格式的纯文本文档，HTML是网络所基于的标准的格式化语言。HTML文档与网页在浏览器的显示并不相同，浏览器显示的是对HTML文档的解释。

4.2 HTTP 报文格式

一个HTTP事物包含一个HTTP请求和一个HTTP应答报文，这两种报文都遵循一个通用结构，被称为HTTP报文格式，如图5所示。由图可知，请求行是HTTP请求报文的起始行，用于指示命令或客户要求服务器执行的动作、方法、要引用的资源以及客户使用的HTTP版本。该行格式如下:＜IMETHOD＞＜I请求的URI＞＜IHTTP版本＞，其中方法(method)告知服务器要执行的动作。方法的种类有"get"、"post"、"HEAD"等。本系统实现的是利用"get"请求向服务器提取网页。

图5 HTTP报文格式

5 系统实现

本系统的实现是通过在μC/OS-Ⅱ下建立的4个任务完成，分别是:①起始任务task_start()，优先级为0，用于创建其他3个任务并进行LwIP、EMAC的初始化，执行之后被挂起，永不再执行;② 底层硬件接收任务ethernetif_input()，优先级为4;③ tcpip_thread()任务，优先级为1;④ http_server任务，优先级为10。任务②、③、④依靠μC/OS-Ⅱ下的信号量sem和邮箱mbox进入就绪态，否则被挂起。如图6所示:

图6 ethernetif_input、tcpip_thread、http_server通信流程

当本系统上电时，由于此时浏览器并没有发送数据，网络接口没有数据，故没用中断发生，sem和mbox无法投递，所以此时这3个任务完全由μC/OS－II内核的系统定时器中断依据优先级而发生切换，程序流程如图7。tcpip_thread的优先级最高，tcpip_thread首先被运行，但由于没有邮箱被投递，故该任务随之被挂起，在内核调度的作用下，ethernetif_input()任务开始运行，同理，sem也没有投递，随之挂起，然后进入到http_server任务，随之也被挂起，此时系统进入空闲任务，等待中断的发生，即等待浏览器的访问。

图7 未发生中断时，系统程序流程图

web服务器的实现:

http_server任务是基于lwip API编程的，程序流程如图8所示，由图可以看出，在进入到netconn_accept函数时，等待邮箱accept_mbox的到来，否则被挂起。accept_mbox邮箱是在浏览器和服务器三次握手之后由accept_function()投递，此时程序进入netconn_recv()函数，等待recv_mbox的到来。recv_mbox的投递发生在数据被传至tcp层时，由 recv_tcp函数投递的。一旦 recv_mbox被 post，则进入到netbuf_data()函数，用于获得接收数据指针，这个指针指向netbuf的第一个数据片段且这个片段包含HTTP请求，若是"get"请求，则发送网页，若不是则关闭连接，等待下一个连接到来。