LwIP的無操作系統(tǒng)基本移植

現(xiàn)在，TCP/IP協(xié)議的應(yīng)用無處不在。隨著物聯(lián)網(wǎng)的火爆，嵌入式領(lǐng)域使用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通訊也越來越廣泛。在我們的相關(guān)產(chǎn)品中，也都有應(yīng)用，所以我們結(jié)合應(yīng)用實(shí)際對相關(guān)應(yīng)用作相應(yīng)的總結(jié)。

1 、技術(shù)準(zhǔn)備

我們采用的開發(fā)平臺(tái)是STM32F407和LwIP協(xié)議棧。在開始之前，我們需要做必要的準(zhǔn)備工作。

首先要獲得LwIP的源碼，在網(wǎng)上有很多，不同版本及不同平臺(tái)的都有，不過我們還是建議直接從官方網(wǎng)站獲得。

其次，需要硬件平臺(tái)，我們采用了STM32F407ZG+DM9161的網(wǎng)絡(luò)接口方式，這并不是必須的，其他硬件平臺(tái)也是一樣的。

最后，因?yàn)槲覀兒竺嬉?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/527/" target="_blank">操作系統(tǒng)下移植，采用的操作系統(tǒng)是FreeRTOS，所以還需下載FreeRTOS的源碼。

2 、 LwIP****簡要說明

LwIP是一款免費(fèi)的TCP/IP協(xié)議棧，但它的功能趨勢十分完備。LwIP 具有三種應(yīng)用編程接口 （API）：

• Raw API ：為原始的 LwIP API。它通過事件回調(diào)機(jī)制進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)。該 API 提供了最好的性能和優(yōu)化的代碼長度，但增加了應(yīng)用開發(fā)的復(fù)雜性。
• Netconn API ：為高層有序 API，需要實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) （RTOS）的支持 （提供進(jìn)程間通訊的方法）。 Netconn API 支持多線程工作。
• BSD Socket API ：類似 Berkeley 的套接字 API （開發(fā)于 Netconn API 之上） 。

對于以上三種接口，前一種只需要裸機(jī)即可調(diào)用，后兩種需要操作系統(tǒng)才能調(diào)用。所以據(jù)此LwIP存在兩種移植方式：一是，只移植內(nèi)核，此時(shí)應(yīng)用程序的編寫只能基于RAW/Callback API進(jìn)行。二是，移植內(nèi)核和上層API，此時(shí)應(yīng)用程序編寫可以使用3種API，即：RAW/Callback API、Sequential API和Socket API。

3 、 LwIP****的無操作系統(tǒng)基本移植

在移植之前，我們需要對源碼有一些了解，以及清楚API如何使用，才能進(jìn)行很好的移植。在源碼的文件中有兩個(gè)文本文件：rawapi.txt和sys_arch.txt。在rawapi.txt文件中，作者說明了怎樣使用協(xié)議棧的Raw/Callback API進(jìn)行編程。而在sys_arch.txt文件中，說明了如何移植，規(guī)定了移植者需要實(shí)現(xiàn)的函數(shù)宏定義等。接下來我們就據(jù)此來實(shí)現(xiàn)移植。

其實(shí)，進(jìn)行無操作系統(tǒng)的移植，所需要做的工作并不多，一是需要定義幾個(gè)協(xié)議在所需要的頭文件。二是需要編寫網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)程序，而寫驅(qū)動(dòng)程序是主要工作所在。

首先我們說需要定義的頭文件。根據(jù)sys_arch.txt文件中的要求，我們需要實(shí)現(xiàn)cc.h、lwipopts.h和perf.h三個(gè)頭文件，線描述如下：

• cc.h文件主要完成協(xié)議棧內(nèi)部使用的數(shù)據(jù)類型的定義，以保證平臺(tái)無關(guān)性。
• lwipopts.h文件包含了用戶對協(xié)議棧內(nèi)核參數(shù)進(jìn)行的配置。
• perf.h文件是實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)和測量相關(guān)的功能。

其次要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)，事實(shí)上我們采用STM32F407自帶的網(wǎng)卡，以及ST的開發(fā)庫時(shí)，驅(qū)動(dòng)大部分都寫好了，我們只需要完成硬件IO部分的配置以及一些必要的參數(shù)配置就可以了。

接下來就是實(shí)現(xiàn)幾個(gè)必要的函數(shù)，按照LwIP作者給出的模板，需要實(shí)現(xiàn)5個(gè)函數(shù)如下：

• **low_level_init **調(diào)用以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)函數(shù)，初始化 STM32F4xx 和 STM32F2x7xx 以太網(wǎng)外設(shè)
• **low_level_output **調(diào)用以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)函數(shù)以發(fā)送以太網(wǎng)包
• low_level_input 調(diào)用以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)函數(shù)以接收以太網(wǎng)包
• ethernetif_init 初始化網(wǎng)絡(luò)接口結(jié)構(gòu) （netif）并調(diào)用low_level_init以初始化以太網(wǎng)外設(shè)
• ethernetif_input 調(diào)用low_level_input接收包，然后將其提供給LwIP棧

以上這些函數(shù)都實(shí)現(xiàn)后，我們需要使協(xié)議運(yùn)轉(zhuǎn)起來，所以我們還需要做兩件事，一是對協(xié)議及網(wǎng)卡初始化；二是實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的輪詢，當(dāng)然也可使用中斷方式，不過在這里我們使用查詢方式。

初始化部分，除了初始化默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)接口的參數(shù)外，需要注冊2個(gè)函數(shù)，一是初始化網(wǎng)絡(luò)接口函數(shù) ethernetif_init ； 一是數(shù)據(jù)包接收函數(shù) ethernet_input 。 實(shí)現(xiàn)如下：

1 /* LwIP初始化配置 */
 2 void LWIP_Init_Configuration(void)
 3 {
 4   /* IP賦值 */
 5   IP_ADDRESS[0] = 192;
 6   IP_ADDRESS[1] = 168;
 7   IP_ADDRESS[2] = 2;
 8   IP_ADDRESS[3] = 110;
 9   NETMASK_ADDRESS[0] = 255;
10   NETMASK_ADDRESS[1] = 255;
11   NETMASK_ADDRESS[2] = 255;
12   NETMASK_ADDRESS[3] = 0;
13   GATEWAY_ADDRESS[0] = 192;
14   GATEWAY_ADDRESS[1] = 168;
15   GATEWAY_ADDRESS[2] = 2;
16   GATEWAY_ADDRESS[3] = 1;
17  
18   /* 在無操作系統(tǒng)環(huán)境下初始化LwIP協(xié)議棧 */
19   lwip_init();
20  
21   /* 固定IP地址初始化(IPv4) */
22   IP4_ADDR(&ipaddr, IP_ADDRESS[0], IP_ADDRESS[1], IP_ADDRESS[2], IP_ADDRESS[3]);
23   IP4_ADDR(&netmask, NETMASK_ADDRESS[0], NETMASK_ADDRESS[1] , NETMASK_ADDRESS[2], NETMASK_ADDRESS[3]);
24   IP4_ADDR(&gw, GATEWAY_ADDRESS[0], GATEWAY_ADDRESS[1], GATEWAY_ADDRESS[2], GATEWAY_ADDRESS[3]);
25  
26   /* 添加無操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口參數(shù) */
27   netif_add(&gnetif, &ipaddr, &netmask, &gw, NULL, ðernetif_init, ðernet_input);
28  
29   /* 注冊缺省的網(wǎng)絡(luò)接口 */
30   netif_set_default(&gnetif);
31  
32   if (netif_is_link_up(&gnetif))
33   {
34     /* 連接正常時(shí)，啟用網(wǎng)絡(luò)接口 */
35     netif_set_up(&gnetif);
36   }
37   else
38   {
39     /* 連接故障時(shí)，停止網(wǎng)絡(luò)接口 */
40     netif_set_down(&gnetif);
41   }
42  
43 }
44 初始化完成需要調(diào)用ethernetif_input接收數(shù)據(jù)才能實(shí)現(xiàn)通訊，其實(shí)現(xiàn)很簡單。
45 /* 以太網(wǎng)輪循處理函數(shù) */
46 void EthernetProcess(void)
47 {
48   ethernetif_input(&gnetif);
49  
50   /* 無操作系統(tǒng)超時(shí)檢測 */
51   sys_check_timeouts();
52  
53 }

這樣每次查詢都會(huì)檢查是否有數(shù)據(jù)收到，并通過ethernet_input函數(shù)發(fā)送到協(xié)議棧進(jìn)行處理。其實(shí)，可能大家會(huì)發(fā)現(xiàn)還有一個(gè) sys_check_timeouts() 函數(shù)，它是一個(gè)超時(shí)檢測函數(shù)，要求調(diào)用一個(gè)名為 sys_now() 的函數(shù)來返回系統(tǒng)時(shí)鐘，而 sys_now() 函數(shù)是我們需要實(shí)現(xiàn)的，各個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜程度不同，在這里我們使用了STM32的HAL庫，所以實(shí)現(xiàn)就很簡單了。

4 、結(jié)論

前面已經(jīng)完成了無操作系統(tǒng)LwIP的移植，那怎么知道我們的移植是否成功呢？接下來我們對它進(jìn)行必要的驗(yàn)證。

首先我們查看目標(biāo)板在網(wǎng)絡(luò)上的配置是否正確。我們打開命令行窗口，運(yùn)行ipconfig命令，查看MAC地址和IP地址配置：

我們配置的MAC地址00：08：E1：00：00：00和IP地址192.168.2.110顯示正常。接下來我們采用ping命令測試網(wǎng)絡(luò)鏈接：

上圖顯示網(wǎng)絡(luò)連接正常，說明我們的LwIP在無操作系統(tǒng)情況下移植正常。