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lwIP是瑞士計算機科學(xué)院（Swedish Institute of Computer Science）的Adam Dunkels等開發(fā)的一套用于嵌入式系統(tǒng)的開放源代碼TCP/IP協(xié)議棧。Lwip既可以移植到操作系統(tǒng)上，又可以在無操作系統(tǒng)的情況下獨立運行。
1、LwIP的特性
?。?） 支持多網(wǎng)絡(luò)接口下的IP轉(zhuǎn)發(fā)
?。?） 支持ICMP協(xié)議
?。?） 包括實驗性擴展的的UDP（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）
（4） 包括阻塞控制，RTT估算和快速恢復(fù)和快速轉(zhuǎn)發(fā)的TCP（傳輸控制協(xié)議）
（5） 提供專門的內(nèi)部回調(diào)接口（Raw API）用于提高應(yīng)用程序性能
?。?） 可選擇的Berkeley接口API（多線程情況下）
?。?） 在最新的版本中支持ppp
（8） 新版本中增加了的IP fragment的支持。
（9） 支持DHCP協(xié)議，動態(tài)分配ip地址。
2 Lwip在ucos上的移植。
2.1 系統(tǒng)初始化
sys_int必須在tcpip協(xié)議棧任務(wù)tcpip_thread創(chuàng)建前被調(diào)用。
#define MAX_QUEUES 20
#define MAX_QUEUE_ENTRIES 20
typedef struct {
OS_EVENT* pQ;//ucos中指向事件控制塊的指針
void* pvQEntries［MAX_QUEUE_ENTRIES］;//消息隊列
//MAX_QUEUE_ENTRIES消息隊列中最多消息數(shù)
} TQ_DESCR， *PQ_DESCR;
typedef PQ_DESCR sys_mbox_t;//可見lwip中的mbox其實是ucos的消息隊列
static char pcQueueMemoryPool［MAX_QUEUES * sizeof（TQ_DESCR） ］;
void sys_init（void）
{
u8_t i;
s8_t ucErr;
pQueueMem = OSMemCreate（ （void*）pcQueueMemoryPool， MAX_QUEUES， sizeof（TQ_DESCR）， &ucErr ）;//為消息隊列創(chuàng)建內(nèi)存分區(qū)
//init lwip task prio offset
curr_prio_offset = 0;
//init lwip_timeouts for every lwip task
//初始化lwip定時事件表，具體實現(xiàn)參考下面章節(jié)
for（i=0;i《LWIP_TASK_MAX;i++）{
lwip_timeouts［i］.next = NULL;
}
}
2.2 創(chuàng)建一個和tcp/ip相關(guān)新進程
lwip中的進程就是ucos中的任務(wù)，創(chuàng)建一個新進程的代碼如下：
#define LWIP_STK_SIZE 10*1024//和tcp/ip相關(guān)任務(wù)的堆棧大小?？梢愿鶕?jù)情況自
//己設(shè)置，44b0開發(fā)板上有8M的sdram，所以設(shè)大
//一點也沒有關(guān)系：）
//max number of lwip tasks
#define LWIP_TASK_MAX 5 //和tcp/ip相關(guān)的任務(wù)最多數(shù)目
//first prio of lwip tasks
#define LWIP_START_PRIO 5 //和tcp/ip相關(guān)任務(wù)的起始優(yōu)先級，在本例中優(yōu)先級可
//以從（5-9）。注意tcpip_thread在所有tcp/ip相關(guān)進程中//應(yīng)該是優(yōu)先級最高的。在本例中就是優(yōu)先級5
//如果用戶需要創(chuàng)建和tcp/ip無關(guān)任務(wù)，如uart任務(wù)等，
//不要使用5-9的優(yōu)先級
OS_STK LWIP_TASK_STK［LWIP_TASK_MAX］［LWIP_STK_SIZE］;//和tcp/ip相關(guān)進程
//的堆棧區(qū)
u8_t curr_prio_offset ;
sys_thread_t sys_thread_new（void （* function）（void *arg）， void *arg，int prio）
{
if（curr_prio_offset 《 LWIP_TASK_MAX）{
OSTaskCreate（function，（void*）0x1111， &LWIP_TASK_STK［curr_prio_offset］［LWIP_STK_SIZE-1］，
LWIP_START_PRIO+curr_prio_offset ）;
curr_prio_offset++;
return 1;
} else {
// PRINT（“ lwip task prio out of range ！ error！ ”）;
}
}
從代碼中可以看出tcpip_thread應(yīng)該是最先創(chuàng)建的。
2.3 Lwip中的定時事件
在tcp/ip協(xié)議中很多時候都要用到定時，定時的實現(xiàn)也是tcp/ip協(xié)議棧中一個重要的部分.lwip中定時事件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下。
struct sys_timeout {
struct sys_timeout *next;//指向下一個定時結(jié)構(gòu)
u32_t time;//定時時間
sys_timeout_handler h;//定時時間到后執(zhí)行的函數(shù)
void *arg;//定時時間到后執(zhí)行函數(shù)的參數(shù)。
};
struct sys_timeouts {
struct sys_timeout *next;
};
struct sys_timeouts lwip_timeouts［LWIP_TASK_MAX］;
Lwip中的定時事件表的結(jié)構(gòu)如下圖，每個和tcp/ip相關(guān)的任務(wù)的一系列定時事件組成一個單向鏈表。每個鏈表的起始指針存在lwip_timeouts的對應(yīng)表項中。
函數(shù)sys_arch_timeouts返回對應(yīng)于當前任務(wù)的指向定時事件鏈表的起始指針。該指針存在lwip_timeouts［MAX_LWIP_TASKS］中。
struct sys_timeouts null_timeouts;
struct sys_timeouts * sys_arch_timeouts（void）
{
u8_t curr_prio;
s16_t err，offset;
OS_TCB curr_task_pcb;
null_timeouts.next = NULL;
//獲取當前任務(wù)的優(yōu)先級
err = OSTaskQuery（OS_PRIO_SELF，&curr_task_pcb）;
curr_prio = curr_task_pcb.OSTCBPrio;
offset = curr_prio - LWIP_START_PRIO;
//判斷當前任務(wù)優(yōu)先級是不是tcp/ip相關(guān)任務(wù)，優(yōu)先級5-9
if（offset 《 0 || offset 》= LWIP_TASK_MAX）
{
return &null_timeouts;
}
return &lwip_timeouts［offset］;
}
注意：楊曄大俠移植的代碼在本函數(shù)有一個bug.楊曄大俠的移植把上面函數(shù)中的OS_TCB curr_task_tcb定義成了全局變量，使本函數(shù)成為了一個不可重入函數(shù)。我也是在進行如下測試時發(fā)現(xiàn)了這個bug.我的開發(fā)板上設(shè)置的ip地址是192.168.1.95.我在windows的dos窗口內(nèi)運行
ping 192.168.1.95 –l 2000 –t，不間斷用長度為2000的數(shù)據(jù)報進行ping測試，同時使用tftp客戶端軟件給192.168.1.95下載一個十幾兆程序，同時再使用telnet連接192.168.1.95端口7（echo端口），往該端口寫數(shù)測試echo功能。
在運行一段時間以后，開發(fā)板進入不再響應(yīng)。我當時也是經(jīng)過長時間的分析才發(fā)現(xiàn)是因為在低優(yōu)先級任務(wù)運行ys_arch_timeouts（）時被高優(yōu)先級任務(wù)打斷改寫了curr_task_tcb的值，從而使sys_arch_timeouts返回的指針錯誤，進而導(dǎo)致系統(tǒng)死鎖。函數(shù)sys_timeout給當前任務(wù)增加一個定時事件：
void sys_timeout（u32_t msecs， sys_timeout_handler h， void *arg）
{
struct sys_timeouts *timeouts;
struct sys_timeout *timeout， *t;
timeout = memp_malloc（MEMP_SYS_TIMEOUT）;//為定時事件分配內(nèi)存
if （timeout == NULL） {
return;
}
timeout-》next = NULL;
timeout-》h = h;
timeout-》arg = arg;
timeout-》time = msecs;
timeouts = sys_arch_timeouts（）;//返回當前任務(wù)定時事件鏈表起始指針
if （timeouts-》next == NULL） {//如果鏈表為空直接增加該定時事件
timeouts-》next = timeout;
return;
}
//如果鏈表不為空，對定時事件進行排序。注意定時事件中的time存儲的是本事件
//時間相對于前一事件的時間的差值
if （timeouts-》next-》time 》 msecs） {
timeouts-》next-》time -= msecs;
timeout-》next = timeouts-》next;
timeouts-》next = timeout;
} else {
for（t = timeouts-》next; t ！= NULL; t = t-》next） {
timeout-》time -= t-》time;
if （t-》next == NULL ||
t-》next-》time 》 timeout-》time） {
if （t-》next ！= NULL） {
t-》next-》time -= timeout-》time;
}
timeout-》next = t-》next;
t-》next = timeout;
break;
}
}
}
}
函數(shù)sys_untimeout從當前任務(wù)定時事件鏈表中刪除一個定時事件
void sys_untimeout（sys_timeout_handler h， void *arg）
{
struct sys_timeouts *timeouts;
struct sys_timeout *prev_t， *t;
timeouts = sys_arch_timeouts（）;//返回當前任務(wù)定時事件鏈表起始指針
if （timeouts-》next == NULL）//如果鏈表為空直接返回
{
return;
}
//查找對應(yīng)定時事件并從鏈表中刪除。
for （t = timeouts-》next， prev_t = NULL; t ！= NULL; prev_t = t， t = t-》next）
{
if （（t-》h == h） && （t-》arg == arg））
{
/* We have a match */
/* Unlink from previous in list */
if （prev_t == NULL）
timeouts-》next = t-》next;
else
prev_t-》next = t-》next;
/* If not the last one， add time of this one back to next */
if （t-》next ！= NULL）
t-》next-》time += t-》time;
memp_free（MEMP_SYS_TIMEOUT， t）;
return;
}
}
return;
}
2.2.3 “mbox”的實現(xiàn)：
?。?）mbox的創(chuàng)建
sys_mbox_t sys_mbox_new（void）
{
u8_t ucErr;
PQ_DESCR pQDesc;
//從消息隊列內(nèi)存分區(qū)中得到一個內(nèi)存塊
pQDesc = OSMemGet（ pQueueMem， &ucErr ）;
if（ ucErr == OS_NO_ERR ） {
//創(chuàng)建一個消息隊列
pQDesc-》pQ=OSQCreate（&（pQDesc-》pvQEntries［0］）， MAX_QUEUE_ENTRIES ）;
if（ pQDesc-》pQ ！= NULL ） {
return pQDesc;
}
}
return SYS_MBOX_NULL;
}
?。?）發(fā)一條消息給”mbox”
const void * const pvNullPointer = 0xffffffff;
void sys_mbox_post（sys_mbox_t mbox， void *data）
{
INT8U err;
if（ ！data ）
data = （void*）&pvNullPointer;
err= OSQPost（ mbox-》pQ， data）;
}
在ucos中，如果OSQPost （OS_EVENT *pevent， void *msg）中的msg==NULL 會返回一條OS_ERR_POST_NULL_PTR錯誤。而在lwip中會調(diào)用sys_mbox_post（mbox，NULL）發(fā)送一條空消息，我們在本函數(shù)中把NULL變成一個常量指針0xffffffff.
（3）從”mbox”中讀取一條消息
#define SYS_ARCH_TIMEOUT 0xffffffff
void sys_mbox_fetch（sys_mbox_t mbox， void **msg）
{
u32_t time;
struct sys_timeouts *timeouts;
struct sys_timeout *tmptimeout;
sys_timeout_handler h;
void *arg;
again：
timeouts = sys_arch_timeouts（）;////返回當前任務(wù)定時事件鏈表起始指針
if （！timeouts || ！timeouts-》next） {//如果定時事件鏈表為空
sys_arch_mbox_fetch（mbox， msg， 0）;//無超時等待消息
} else {
if （timeouts-》next-》time 》 0） {
//如果超時事件鏈表不為空，而且第一個超時事件的time ！=0
//帶超時等待消息隊列，超時時間等于超時事件鏈表中第一個超時事件的time，
time = sys_arch_mbox_fetch（mbox， msg， timeouts-》next-》time）;
//在后面分析中可以看到sys_arch_mbox_fetch調(diào)用了ucos中的OSQPend系統(tǒng)調(diào)
//用從消息隊列中讀取消息。
//如果”mbox”消息隊列不為空，任務(wù)立刻返回，否則任務(wù)進入阻塞態(tài)。
//需要重點說明的是sys_arch_mbox_fetch的返回值time：如果sys_arch_mbox_fetch
//因為超時返回，time=SYS_ARCH_TIMEOUT，
//如果sys_arch_mbox_fetch因為收到消息而返回，
//time = 收到消息時刻的時間-執(zhí)行sys_arch_mbox_fetch時刻的時間，單位是毫秒
//由于在ucos中任務(wù)調(diào)用OSQPend系統(tǒng)調(diào)用進入阻塞態(tài)，到收到消息重新開始執(zhí)行
//這段時間沒有記錄下來，所以我們要簡單修改ucos的源代碼。（后面我們會看到）。
} else {
//如果定時事件鏈表不為空，而且第一個定時事件的time ==0，表示該事件的定時
//時間到
time = SYS_ARCH_TIMEOUT;
}
if （time == SYS_ARCH_TIMEOUT） {
//一個定時事件的定時時間到
tmptimeout = timeouts-》next;
timeouts-》next = tmptimeout-》next;
h = tmptimeout-》h;
arg = tmptimeout-》arg;
memp_free（MEMP_SYS_TIMEOUT， tmptimeout）;
//從內(nèi)存中釋放該定時事件，并執(zhí)行該定時事件中的函數(shù)
if （h ！= NULL） {
h（arg）;
}
//因為定時事件中的定時時間到或者是因為sys_arch_mbo_fetch超時到而執(zhí)行到
//這里，返回本函數(shù)開頭重新等待mbox的消息
goto again;
} else {
//如果sys_arch_mbox_fetch無超時收到消息返回
//則刷新定時事件鏈表中定時事件的time值。
if （time 《= timeouts-》next-》time） {
timeouts-》next-》time -= time;
} else {
timeouts-》next-》time = 0;
}
}
}
}
u32_t sys_arch_mbox_fetch（sys_mbox_t mbox， void **data， u32_t timeout）
{
u32_t ucErr;
u16_t ucos_timeout;
//在 lwip中 ，timeout的單位是ms
// 在ucosII ，timeout 的單位是timer tick
ucos_timeout = 0;
if（timeout ！= 0）{
ucos_timeout = （timeout ）*（ OS_TICKS_PER_SEC/1000）;
if（ucos_timeout 《 1）
ucos_timeout = 1;
else if（ucos_timeout 》 65535）
ucos_timeout = 65535;
}
//如果data！=NULL就返回消息指針，
if（data ！= NULL）{
*data = OSQPend（ mbox-》pQ， （u16_t）ucos_timeout， &ucErr ）;
}else{
OSQPend（mbox-》pQ，（u16_t）ucos_timeout，&ucErr）;
}
//這里修改了ucos中的OSQPend系統(tǒng)調(diào)用，
//原來的void *OSQPend （OS_EVENT *pevent， INT16U timeout， INT8U *err）
// err的返回值只有兩種：收到消息就返回OS_NO_ERR，超時則返回OS_TIMEOUT
//這里先將err從8位數(shù)據(jù)改變成了16位數(shù)據(jù) OSQPend（*pevent，timeout， INT16U *err）
//重新定義了OS_TIMEOUT
//在ucos中原有#define OS_TIMEOUT 20
//改為 #define OS_TIMEOUT -1
//err返回值的意義也改變了，如果超時返回OS_TIMEOUT
// 如果收到消息，則返回OSTCBCur-》OSTCBDly修改部分代碼如下
//if （msg ！= （void *）0） { /* Did we get a message？ */
// OSTCBCur-》OSTCBMsg = （void *）0;
// OSTCBCur-》OSTCBStat = OS_STAT_RDY;
// OSTCBCur-》OSTCBEventPtr = （OS_EVENT *）0;
// *err = OSTCBCur-》OSTCBDly;// zhangzs @2003.12.12
// OS_EXIT_CRITICAL（）;
// return （msg）; /* Return message received */
// }
//關(guān)于ucos的OSTBCur-》OSTCBDly的含義請查閱ucos的書籍
if（ ucErr == OS_TIMEOUT ） {
timeout = SYS_ARCH_TIMEOUT;
} else {
if（*data == （void*）&pvNullPointer ）
*data = NULL;
//單位轉(zhuǎn)換，從ucos tick-》ms
timeout = （ucos_timeout -ucErr）*（1000/ OS_TICKS_PER_SEC）;
}
return timeout;
}
semaphone的實現(xiàn)和mbox類似，這里就不再重復(fù)了.
3、LwIP移植心得
平臺是LPC2136+ENC28J60，32K的RAM，軟件是uCOS-II 2.51+LwIP 1.1.1。
感覺主要解決兩個問題：
操作系統(tǒng)仿真層的移植。這個基于uCOS-II的代碼太多了。COPY下就行！
1）設(shè)備驅(qū)動的移植
驅(qū)動的移植主要就是完成ethernetif.c的工作。作者已經(jīng)給好了驅(qū)動的接口。
struct netif {
struct netif *next;
struct ip_addr ip_addr;
struct ip_addr netmask;
struct ip_addr gw;
err_t （* input）（struct pbuf *p， struct netif *inp）;
err_t （* output）（struct netif *netif， struct pbuf *p，
struct ip_addr *ipaddr）;
err_t （* linkoutput）（struct netif *netif， struct pbuf *p）;
void *state;
#if LWIP_DHCP
struct dhcp *dhcp;
#endif
unsigned char hwaddr_len;
unsigned char hwaddr［NETIF_MAX_HWADDR_LEN］;
u16_t mtu;
char name［2］;
u8_t num;
u8_t flags;
};
主要就是：
err_t （* input）（struct pbuf *p， struct netif *inp）;
這個是被驅(qū)動調(diào)用的，傳遞一個數(shù)據(jù)包給TCP/IP棧。
err_t （* output）（struct netif *netif， struct pbuf *p，struct ip_addr *ipaddr）;
這個是被IP模塊調(diào)用的，向以太網(wǎng)上發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，函數(shù)要先通過IP地址獲得解決硬件地址，然后發(fā)包。
err_t （* linkoutput）（struct netif *netif， struct pbuf *p）;
這個是直接發(fā)送數(shù)據(jù)包的接口。
相應(yīng)的作者在ethernetif.c里面給了幾個函數(shù)框架，這個文件相當于一個硬件抽象層。
static void low_level_init（struct netif *netif）
網(wǎng)卡初始化函數(shù)
static err_t low_level_output（struct netif *netif， struct pbuf *p）
鏈路層發(fā)送函數(shù)，實現(xiàn)err_t （* linkoutput）接口。
static struct pbuf *low_level_input（struct netif *netif）
得到一整幀數(shù)據(jù)
static err_t ethernetif_output（struct netif *netif， struct pbuf *p，struct ip_addr *ipaddr）
實現(xiàn)發(fā)送線程，實現(xiàn)err_t （* output）接口。
static void ethernetif_input（struct netif *netif）
實現(xiàn)接收線程，識別數(shù)據(jù)包是ARP包還是IP包
err_t ethernetif_init（struct netif *netif）
初始化底層接口，給作者給好了驅(qū)動的接口賦值啊啥的。
其實，寫驅(qū)動的時候只要自己再建個ethernet.c，實際的網(wǎng)絡(luò)硬件控制的文件
然后提供幾個函數(shù)
比如：
void EMACInit（ void ）
硬件的初始化
void EMACPacketSend （ u8_t *buffer， u16_t length ）
用來將buffer里面的包復(fù)制到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的發(fā)送緩沖里面，發(fā)送。
u16_t EMACPacketReceive （ u8_t *buffer， u16_t max_length ）
用來將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的接收緩沖里面的包數(shù)據(jù)復(fù)制到buffer里面。
u16_t EMACPacketLength （ u16_t max_length ）
獲得包長度
還有其他控制類函數(shù)。
最后，用ethernet.c里的函數(shù)完成ethernetif.c里的框架。這樣脈絡(luò)可能會清楚一點。
2）應(yīng)用層的那邊問題
?。?）.lwip提供三種API：1）RAW API 2）lwip API 3）BSD API。
對于多任務(wù)系統(tǒng)而言，因為lwip采用的是將TCP/IP協(xié)議放在一個單獨的線程里面，所以那個線程是tcpip_thread。采用RAW API回調(diào)技術(shù)，就得把應(yīng)用層程序?qū)懺趖cpip_thread這個線程里面，作為同一個任務(wù)運行。
而采用lwip API，就可以將TCP/IP協(xié)議和應(yīng)用層程序放在不同的任務(wù)里面，通過調(diào)api_lib.c提供的函數(shù)，編寫相應(yīng)的應(yīng)用層代碼。好象一般都會采用這種方式。
BSD API就是那sockets.c里面的，沒用過。
?。?）任務(wù)間是如何調(diào)度的
從底層到應(yīng)用層，一般將底層數(shù)據(jù)接收做為一個線程，可以建個任務(wù)也可以直接在中斷里解決。
然后tcpip_thread是一個線程，最后是應(yīng)用層一個線程。
底層的郵箱投遞活動是通過調(diào)用tcpip.c里的tcpip_input。這個函數(shù)向tcpip_thread投遞消息。高層的投遞應(yīng)該是通過tcpip_apimsg。
遇到的問題：
一開始移植的時候，驅(qū)動寫好的，能PING通，但TCP的任務(wù)沒反應(yīng)，這個我那問題是lwip協(xié)議棧的問題，換個版本的協(xié)議棧就搞定了，網(wǎng)上吧，下的協(xié)議棧，有的是有問題的。
工商網(wǎng)監(jiān)
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