如何在i.MX RT微控制器上初始化LWIP協(xié)議棧

在i.MX RT微控制器上初始化LWIP協(xié)議棧是一個復(fù)雜但有趣的過程，它涉及多個步驟和關(guān)鍵組件的配置。以下是該初始化流程的介紹：

LWIP協(xié)議棧與開發(fā)平臺簡介

LWIP(Light Weight IP)，是一種輕量化且開源的TCP/IP協(xié)議棧。LwIP在有限的RAM和ROM條件下，實(shí)現(xiàn)了一個完整的TCP/IP 協(xié)議棧，并且LwIP在MCU平臺上得到了非常廣泛的應(yīng)用。此外，它既可以基于操作系統(tǒng)運(yùn)行，也可以在裸機(jī)情況下運(yùn)行。

TCP/IP協(xié)議棧的模型結(jié)構(gòu)如下圖所示:

本篇文章基于i.MX RT四位數(shù)跨界MCU平臺，RT四位數(shù)跨界MCU最高主頻可達(dá)1Ghz，并且搭載了很多性能強(qiáng)勁的外設(shè)，廣泛的應(yīng)用于工業(yè)，自動化，IoT,消費(fèi)電子等領(lǐng)域，并且NXP官方提供免費(fèi)的IDE，開發(fā)工具以及SDK軟件包等，為開發(fā)者提供了全面的支持。

以太網(wǎng)接口及PHY管理接口硬件初始化

Ethernet MAC與PHY之間通過以太網(wǎng)接口連接，常見的接口有RMII，MII等。與此同時，RT四位數(shù)上的EthernetMAC外設(shè)也配備了PHY管理接口，可通過MDC MDIO來實(shí)現(xiàn)PHY相關(guān)寄存器的讀寫。

此處以RT1060舉例，在RT1060 EVK上默認(rèn)使用的是RMII以太網(wǎng)接口，對照原理圖完成RMII相關(guān)管腳的初始化。

MDC,MDIO初始化:

PHYINIT以及RESET管腳初始化，配成GPIO輸出即可:

RMII的TX_CLK由MCU提供,因此要將TX_CLK的方向配置為輸出:

至此，以太網(wǎng)接口，PHY管理接口等硬件配置基本初始化完成。

LWIP時基初始化與超時事件注冊

在LWIP中，經(jīng)常會進(jìn)行一些超時判定，例如ARP緩存表的時間管理，IP分片數(shù)據(jù)報的重裝等待超時等等，并且LwIP也提供了超時事件注冊函數(shù)sys_timeout，在RT1060官方SDK的ping bm demo中就是通過超時事件來發(fā)送ping請求。

而超時的判定需要一個時基，MCU中一般會用系統(tǒng)滴答定時器來作為時基，且時間間隔設(shè)置為1ms并開啟中斷。每一次進(jìn)中斷都會將當(dāng)前時間加1。設(shè)置滴答定時器的代碼如下圖所示。

在LWIP協(xié)議棧初始化時，也需要注冊一些超時事件，通過調(diào)用sys_timeout函數(shù)，該函數(shù)中又會調(diào)用sys_timeout_abs函數(shù)。

在sys_timeout_abs函數(shù)中會計算出超時事件即將超時的時間，并且根據(jù)超時時間將這些超時事件連接成一個鏈表，如下圖所示。當(dāng)超時發(fā)生時就會調(diào)用對應(yīng)的處理函數(shù)。

SDK中會把需要注冊的超時事件都放在一個數(shù)組中，在初始化時調(diào)用注冊函數(shù)去一個個注冊這些超時事件。超時事件數(shù)組如下圖所示。

LWIP內(nèi)存堆內(nèi)存池初始化

在LwIP中，內(nèi)存分配策略一般有兩種，一種是分配固定大小的內(nèi)存塊。如TCP 首部、UDP 首部，IP 首部，以太網(wǎng)首部等都是固定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其大小就是一個固定的值，那么我們就能采用這種方式分配這些固定大小的內(nèi)存空間，這樣子的效率就會大大提高。另一種是利用內(nèi)存堆進(jìn)行動態(tài)分配，屬于可變長度的內(nèi)存塊。

在LWIP協(xié)議棧初始化時一定要對這兩種內(nèi)存分配方式進(jìn)行初始化，方便后續(xù)協(xié)議棧進(jìn)行相關(guān)內(nèi)存分配。內(nèi)存堆初始化代碼如下所示，其中LWIP_RAM_HEAP_POINTER實(shí)際上就是分配的內(nèi)存堆數(shù)組首地址。

內(nèi)存堆數(shù)組大小為想要分配的內(nèi)存堆大小對齊后再加上兩倍的mem結(jié)構(gòu)體對齊后的大小，mem結(jié)構(gòu)體中會存放一些內(nèi)存堆相關(guān)管理信息，宏定義如下圖所示。

不難看出在內(nèi)存堆初始化代碼中實(shí)際上就是初始化了兩個mem結(jié)構(gòu)體。第一個mem結(jié)構(gòu)體在內(nèi)存堆起始地址處，next成員為MEM_SIZE_ALIGNED, prev和used成員皆初始化為0。

第二個mem結(jié)構(gòu)體ram_end設(shè)置為內(nèi)存堆首地址偏移MEM_SIZE_ALIGNED處，used變量設(shè)置為1，next和prev皆指向偏移MEM_SIZE_ALIGNED的位置。

內(nèi)存池初始化函數(shù)為memp_init，如下圖所示。它使用輪詢的方式調(diào)用memp_init_pool去初始化每一類內(nèi)存池，memp_pools數(shù)組中存放了初始化過的memp結(jié)構(gòu)體。

在memp_init_pool中會根據(jù)初始化過的memp結(jié)構(gòu)體中的一些參數(shù)，比如下圖中所示的num，num代表有多少個內(nèi)存塊，memp_init_pool中會根據(jù)num將內(nèi)存塊連接成單鏈表。

網(wǎng)卡掛載及初始化

調(diào)用netif_add來掛載網(wǎng)卡，netif結(jié)構(gòu)體是抽象出來的網(wǎng)卡結(jié)構(gòu)體，IP地址，網(wǎng)關(guān)，子網(wǎng)掩碼等都會保存在該結(jié)構(gòu)體中。網(wǎng)卡初始化函數(shù)也會作為參數(shù)之一傳入netif_add函數(shù)，并在netif_add函數(shù)中被調(diào)用。在該初始化函數(shù)中最終會完成以下幾部分初始化:

1.以太網(wǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的初始化，包括rx_buffer,tx_buffer, buffer descriptor，buffer descriptor ring。初始化這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以便在接收發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)時使用。

2.phy的初始化，初始化以太網(wǎng)外設(shè)中的MDC MDIO，如下圖所示。

通過MDC MDIO去操作PHY相關(guān)的寄存器，例如去配置PHY的百兆千兆模式，軟復(fù)位PHY，檢查自動協(xié)商，連接狀態(tài)以及配置LED等等。確保PHY工作在想要的狀態(tài)下，部分初始化PHY的代碼如下所示。

3.設(shè)置netif相關(guān)參數(shù)，例如MAC地址長度，MTU，flags,以及網(wǎng)絡(luò)接口層輸入，網(wǎng)絡(luò)接口層輸出函數(shù)等。

4.初始化Ethernet MAC外設(shè)，去配置以太網(wǎng)外設(shè)中的接口類型，速度，工作模式，中斷等等。部分配置代碼如下所示。

LWIP不同API初始化

在完成上述初始化流程之后，還需要調(diào)用一些LwIP提供的API，LwIP常用的API有RAW API, Socket API, NETCONN API三種，前者是不需要基于操作系統(tǒng)的，后兩者需要基于操作系統(tǒng)運(yùn)行。這三種API在初始化時也是不同的，Socket API和NETCONN API類似，此處以RT1060 SDK中的ping demo來舉例說明。

首先是RAW API，在raw.c中定義了一個raw_pcb結(jié)構(gòu)體，初始化時會定義一個新的raw_pcb結(jié)構(gòu)體并插入raw_pcbs鏈表。并且給新定義的raw_pcb賦初值，如下圖所示，通過raw_recv綁定ping_recv函數(shù)。通過raw_bind綁定IP地址，并且注冊一個超時事件，超時時就調(diào)用ping_timeout函數(shù)，參數(shù)為ping_pcb。在ping_timeout函數(shù)中會發(fā)送ping請求。

當(dāng)LWIP跑在操作系統(tǒng)上時，LWIP協(xié)議棧是作為一個獨(dú)立線程存在的。因此，在初始化時要創(chuàng)建tcpip_thread線程。用戶代碼與tcpip_thread線程之間是通過郵箱進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互的。因此，在初始化時也需要創(chuàng)建一個郵箱。

在使用Socket API時，首先要調(diào)用lwip_socket函數(shù)向內(nèi)核申請一個套接字，然后調(diào)用setsockopt設(shè)置套接字的一些選項(xiàng)。接著就可以調(diào)用lwip_sendto函數(shù)去發(fā)送數(shù)據(jù)包。調(diào)用recvfrom函數(shù)接收數(shù)據(jù)包。

至此，在i.MX RT使用LwIP協(xié)議棧初始化流程介紹完畢，通過理解和實(shí)踐這些步驟，開發(fā)者可以在i.MX RT微控制器上成功初始化LWIP協(xié)議棧，并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能。

總體看來，整個初始化流程還是相對復(fù)雜的，這個過程不僅涉及硬件驅(qū)動編程和TCP/IP協(xié)議棧的配置，還需要對內(nèi)存管理、中斷處理、超時檢查等關(guān)鍵知識點(diǎn)有深入的理解。感興趣的讀者可以下載RT四位數(shù)的SDK深入了解。