LwIP在微控制系统中的移植与应用

摘要：随着物联网技术及IOT的发展，传感器节点有接入互联网的需求，本文设计了一种基于嵌入式TCP/IP协议栈lwip的轻量级实现方案。详细分析了嵌入式TCP/IP协议栈LwIP的架构和原理，结合实际应用的特点实现了LwIP协议栈在STM32微处理器上的移植和适配。实验结果表明，基于LwIP协议栈的传感系统满足了网络化交互需求。

关键词：TCP/IP LwIP 微控制器

中D分类号：TP316.81 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）10-0002-01

随着计算机互联技术与物联网技术的发展，一些像传感器一类的轻便设备可以接入互联网，以便随时监控；这些轻便设备的特点是体积小，内部运算及存储资源有限，因此就必须在资源受限的情况下实现及处理Internet协议。基于这种趋势，各种用于嵌入式系统的小型协议栈应运而生，如uC/IP、uIP、LwIP和TinyTCP等，这几种协议栈均源自BSD TCP/IP。其中，LwIP[1]（轻量级TCP/IP协议栈，Lightweight TCP/IP protocol stack）是由瑞士计算机科学院Adam Dunkels等人开发的一套用于嵌入式系统的开源TCP/IP协议栈。LwIP最小限度的使用系统资源，通过共享内存的方式实现应用层与底层协议之间的通讯。应用层通过了解底层协议使用的缓冲处理机制将使应用层可以更加有效的重复使用缓冲区，同时，应用与网络代码可以使用相同的内存区，应用层可以直接读写内部缓冲区，从而避免了内存复制产生的性能损失，一般只需几十K的RAM和40K左右的ROM就可以运行。

与其他的TCP/IP实现一样，LwIP也是以分层的协议为参照设计的，它除了实现IP/ICMP/UDP/TCP等模块还包括许多相关支持模块，如操作系统模拟层、缓冲与内存管理子系统、网络接口函数及API概要说明。

1 硬件设计

本项目的需求是将微控制系统接入互联网以便服务器发起对前端设备的控制，采用的STM32F107[2-3]微控制器是意法半导体公司生产的基于ARM Cortex-M3内核的STM系列的32位互连型微处理器。处理器内置嵌套向量中断控制器（NVIC），并且使用尾联技术，使得中断的响应只要6个时钟周期，从而大大提高了中断事件的处理速度，并且STM32F107系列芯片内部集成了一个10/100 Mbps以太网媒体控制器（MAC）。支持MII和RMII两种接口规范。本文设计中采用RMII模式。系统硬件可分为电源模块、MCU模块、继电器控制模块、网络数据收发模块。其中电源模块负责整个系统的供电；MCU模块负责系统内的运算及控制逻辑；视频模块负责将摄像头视频传输到服务器的任务；继电器控制模块主要负责前端执行器的开合状态等；网络数据收发模块负责与服务器进行网络数据的交互；系统结构框图如图1所示。

2 LwIP协议栈的移植

移植LwIP需要在STM32F107系统上修改模拟层的实现，包括定时器、进程同步及消息传递机制等系统服务的实现。

2.1 消息传递机制的移植

ethernetif_input（）函数用于从底层物理网卡读取报文，并将该报文向上传递给LwIP协议栈函数ethernet_input（）进行处理。

low_level_input（）函数用于从内存中申请一个新的pbuf，并把接收到数据报文内容拷贝至该pbuf中。

low_level_output（）函数将pbuf中的数据帧通过底层发送函数发送出去。

至此，消息传递机制的移植工作就完成了，用户修改LwIP协议栈提供的系统模拟层函数即可。

2.2 定时器及IO的移植

STM32F107的以太网模块实现了局域网CSMA/CD的子层，支持10/100Mbps的数据传输速率，支持全双工和半双工两种操作模式。以太网模块底层驱动的实现主要由初始化函数ETH_BSP_Config（）完成，通过设置定时器及IO配置，完成底层通信的移植。

3 结语

基于STM32F107微控制器的网络协议栈的移植，可以使得物联网系统内的前端节点在无操作系统支持的环境下接入网络，从而完成网络通信控制。

参考文献

[1]DunkelsA.Design and Implementation of the LwIPTCP/IP Stack [D].Stockholm， Sweden： SwedishInstitute of Computer Science， 2001.

[2]刘火良，杨森.STM32库开发实战指南[M].北京：机械工业出版社，2013.

[3]李志明，檀永，徐石明.STM32嵌入式系统开发实战指南[M].北京：机械工业出版社，2013.

收稿日期：2016-09-20

作者简介：薛建彬（1986―），男，山西汾阳人，硕士，助理工程师，研究方向：嵌入式系统应用。