LWIP移植文件介绍

本文转载自查看原文 2019-05-23 13:26 1015 LWIP

在介绍文件之前首先介绍一下DMA描述符

stm32以太网模块接收/发送FIFO和内存之间的以太网传输是通过以太网DMA使用DMA描述符完成的，一共有两个描述符列表：一个用于接收，一个用于发送，两个列表的基址分别写入ETH_DMARDLAR 寄存器和 ETH_DMATDLAR 寄存器中。

 1 typedef struct {
 2 __IO uint32_t Status; //状态
 3 uint32_t ControlBufferSize; //控制和 buffer1， buffer2 的长度
 4 uint32_t Buffer1Addr; //buffer1 地址
 5 uint32_t Buffer2NextDescAddr; //buffer2 地址或下一个描述符地址
 6 uint32_t ExtendedStatus; //增强描述符状态
 7 uint32_t Reserved1; //保留
 8 uint32_t TimeStampLow; //时间戳低位
 9 uint32_t TimeStampHigh; //时间戳高位
10 } ETH_DMADESCTypeDef;

根据DMA描述符的内容可以组成两种结构，而stm32以太网库提供的就是链接结构。即Buffer1Addr存放数据，Buffer2NextDescAddr指向下一个描述符的首地址

uint8_t Rx_Buff[ETH_RXBUFNB][ETH_RX_BUF_SIZE]；
uint8_t Tx_Buff[ETH_TXBUFNB][ETH_TX_BUF_SIZE]；
上面就是在初始化DMA描述符链表使能用到，相当于二维数组，第一个代表描述符的数量，此时定义的是5，第二个代表描述符 Buffer1Addr 的分配空间的大小，此时定义1500

1.lwipopts.h

用户自己定义使用的配置文件可以对宏定义的开关选择打开或者关闭某些功能。系统提供的配置文件opt.h有大量的条件编译，所以还是不要动系统的默认配置。

配置信息有：LWIP_UDP/LWIP_TCP 、系统、lwip的接口编程方式，接收缓冲区的大小，是否使用socket，是否需要打印debug消息等等。

2.网卡驱动的编写： LWIP协议栈只能通过pbuf和网卡通讯

lwip的网卡驱动的移植其实就是对以下几个函数函数的编写与封装。lwip内核已经写好了框架在ethnetif.c中，该文件默认是没有编译进去的（指的是LWIP官网下载的安装包），我们需要自己填充这个文件

1 static void low_level_init(struct netif *netif)
2 static err_t low_level_output(struct netif *netif, struct pbuf *p)
3 static struct pbuf * low_level_input(struct netif *netif)
4 void ethernetif_input(struct netif *netif)
5 err_t ethernetif_init(struct netif *netif)

（1）.网卡初始化函数，它主要包括mcu的片内外设

　　　① eth的初始化（自协商模式是否开启，PHY的地址，网卡的MAC地址，接收模式是中断还是轮训，stm32官网开发文档写着中断模式只能用于系统，不带系统只能使用轮训模式，但是正点原子使用的demo是中断模式，我此次使用的是poll,是否开启硬件校验和PHY的通讯模式（MII/RMII））

② 将DMA发送和接收描述符初始化成链表结构，设置协议栈网络接口管理netif中国与网卡属性相关的特性，如设置MAC硬件地址，mac地址长度，最大传输单元，使能DMA发送和接收

（2）网卡数据包发送函数将内核数据结构体pbuf描述的数据包发送出去

（3）网卡数据包接收函数，为了让内核更好的处理接收过来的数据，我们需要将接收到的数据封装成pbuf的形式

（4）主要是调用low_level_input()实现从网卡读取一个数据包，及解析数据包的类型（ARP,IP）并提交给应用层，这个函数可直接被应用程序调用

（5）在管理网络接口netif会调用，只要是对netif某些字段进行初始化，并调用low_level_init完成相关的初始化。

下面分别讲解一下这几个函数：.

void low_level_init(struct netif *netif)

初始化了netif的hwaddr_len、hwaddr、mtu、flags，其他的上面已经很详细的介绍，这里不再赘叙

 1 static void low_level_init(struct netif *netif)
 2 { 
 3   uint32_t regvalue = 0;
 4   HAL_StatusTypeDef hal_eth_init_status;
 5   
 6 /* Init ETH */
 7 
 8    uint8_t MACAddr[6] ;
 9   heth.Instance = ETH;
10   heth.Init.AutoNegotiation = ETH_AUTONEGOTIATION_ENABLE;
11   heth.Init.PhyAddress = LAN8742A_PHY_ADDRESS;
12   MACAddr[0] = 0x02;
13   MACAddr[1] = 0x00;
14   MACAddr[2] = 0x00;
15   MACAddr[3] = 0x00;
16   MACAddr[4] = 0x00;
17   MACAddr[5] = 0x00;
18   heth.Init.MACAddr = &MACAddr[0];
19   heth.Init.RxMode = ETH_RXPOLLING_MODE;
20   heth.Init.ChecksumMode = ETH_CHECKSUM_BY_HARDWARE;
21   heth.Init.MediaInterface = ETH_MEDIA_INTERFACE_RMII;
22 
23   /* USER CODE BEGIN MACADDRESS */
24     
25   /* USER CODE END MACADDRESS */
26 
27   hal_eth_init_status = HAL_ETH_Init(&heth);
28 
29   if (hal_eth_init_status == HAL_OK)
30   {
31     /* Set netif link flag */  
32     netif->flags |= NETIF_FLAG_LINK_UP;
33   }
34   /* Initialize Tx Descriptors list: Chain Mode */
35   HAL_ETH_DMATxDescListInit(&heth, DMATxDscrTab, &Tx_Buff[0][0], ETH_TXBUFNB);
36      
37   /* Initialize Rx Descriptors list: Chain Mode  */
38   HAL_ETH_DMARxDescListInit(&heth, DMARxDscrTab, &Rx_Buff[0][0], ETH_RXBUFNB);
39  
40 #if LWIP_ARP || LWIP_ETHERNET 
41 
42   /* set MAC hardware address length */
43   netif->hwaddr_len = ETH_HWADDR_LEN;
44   
45   /* set MAC hardware address */
46   netif->hwaddr[0] =  heth.Init.MACAddr[0];
47   netif->hwaddr[1] =  heth.Init.MACAddr[1];
48   netif->hwaddr[2] =  heth.Init.MACAddr[2];
49   netif->hwaddr[3] =  heth.Init.MACAddr[3];
50   netif->hwaddr[4] =  heth.Init.MACAddr[4];
51   netif->hwaddr[5] =  heth.Init.MACAddr[5];
52   
53   /* maximum transfer unit */
54   netif->mtu = 1500;
55   
56   /* Accept broadcast address and ARP traffic */
57   /* don't set NETIF_FLAG_ETHARP if this device is not an ethernet one */
58   #if LWIP_ARP
59     netif->flags |= NETIF_FLAG_BROADCAST | NETIF_FLAG_ETHARP;
60   #else 
61     netif->flags |= NETIF_FLAG_BROADCAST;
62   #endif /* LWIP_ARP */
63   
64   /* Enable MAC and DMA transmission and reception */
65   HAL_ETH_Start(&heth);
66 
67 /* USER CODE BEGIN PHY_PRE_CONFIG */ 
68     
69 /* USER CODE END PHY_PRE_CONFIG */
70   
71 
72   /* Read Register Configuration */
73   HAL_ETH_ReadPHYRegister(&heth, PHY_ISFR, &regvalue);
74   regvalue |= (PHY_ISFR_INT4);
75 
76   /* Enable Interrupt on change of link status */ 
77   HAL_ETH_WritePHYRegister(&heth, PHY_ISFR , regvalue );
78   
79   /* Read Register Configuration */
80   HAL_ETH_ReadPHYRegister(&heth, PHY_ISFR , &regvalue);
81 
82 
83 #endif /* LWIP_ARP || LWIP_ETHERNET */
84 
85 
86 }

low_level_init

low_level_output(struct netif *netif, struct pbuf *p)：

首先介绍一下pubuf结构体

struct pbuf {
struct pbuf *next; //指向下一个 pbuf 结构体，可以构成链表
void *payload; //指向该 pbuf 真正的数据区
u16_t tot_len; //当前 pbuf 和链表中后面所有 pbuf 的数据长度， 它们属于一个数据包
u16_t len; //当前 pbuf 的数据长度
u8_t type; //当前 pbuf 的类型   pbuf_ram / pbuf_pool
u8_t flags; //状态为，保留
u16_t ref; //该 pbuf 被引用的次数
};

PS:offset的值因为当前的pbuf处于不同的协议层而不同，如raw时 offset 为0 开启TCP时offset 为54

本质：

一个pbuf可能无法将所有的数据都发出去，所以一般将pbuf组成一个链表，这样数据就会在pbuf链表的payload区域，遍历pbuf链表将数据全部memcpy到eth的DMA发送描述符链表中，要注意三个地方，一个是offset区域，第二个是发送时要确保DMA发送描述符被ETH所有，不是被LWIP所有，第三个是当要发送数据大于DMA描述符链表所能发送的最大字节.

具体代码实现如下：

static err_t low_level_output(struct netif *netif, struct pbuf *p)
{
err_t errval;
struct pbuf *q;
uint8_t *buffer=(uint8_t *)(ETH_Handler.TxDesc->Buffer1Addr);
__IO ETH_DMADescTypeDef *DmaTxDesc;
uint32_t framelength = 0;
uint32_t bufferoffset = 0;
uint32_t byteslefttocopy = 0;
uint32_t payloadoffset = 0;
DmaTxDesc = ETH_Handler.TxDesc;
bufferoffset = 0;
//从 pbuf 中拷贝要发送的数据
for(q=p;q!=NULL;q=q->next)
{
//判断此发送描述符是否有效，即判断此发送描述符是否归以太网 DMA 所有
if((DmaTxDesc->Status&ETH_DMATXDESC_OWN)!=(uint32_t)RESET)
{
errval=ERR_USE;
goto error; //发送描述符无效，不可用
}
byteslefttocopy=q->len; //要发送的数据长度
payloadoffset=0;
//将 pbuf 中要发送的数据写入到以太网发送描述符中，有时候我们要发送的
//数据可能大于一个以太网描述符的 Tx Buffer，因此我们需要分多次将数据
//拷贝到多个发送描述符中
while((byteslefttocopy+bufferoffset)>ETH_TX_BUF_SIZE )
{
//将数据拷贝到以太网发送描述符的 Tx Buffer 中
memcpy((uint8_t*)((uint8_t*)buffer+bufferoffset),(uint8_t*)((uint8_t*)q->payload\
+payloadoffset),(ETH_TX_BUF_SIZE-bufferoffset));
//DmaTxDsc 指向下一个发送描述符
DmaTxDesc=(ETH_DMADescTypeDef *)(DmaTxDesc->Buffer2NextDescAddr);
//检查新的发送描述符是否有效
if((DmaTxDesc->Status&ETH_DMATXDESC_OWN)!=(uint32_t)RESET)
{
errval = ERR_USE;
goto error; //发送描述符无效，不可用
}
buffer=(uint8_t *)(DmaTxDesc->Buffer1Addr); //更新 buffer 地址，指向新
//的发送描述符的 Tx Buffer
byteslefttocopy=byteslefttocopy-(ETH_TX_BUF_SIZE-bufferoffset);
payloadoffset=payloadoffset+(ETH_TX_BUF_SIZE-bufferoffset);
framelength=framelength+(ETH_TX_BUF_SIZE-bufferoffset);
bufferoffset=0;
}
//拷贝剩余的数据
memcpy( (uint8_t*)((uint8_t*)buffer+bufferoffset),(uint8_t*)((uint8_t*)q->payload\
+payloadoffset),byteslefttocopy );
bufferoffset=bufferoffset+byteslefttocopy;
framelength=framelength+byteslefttocopy;
}
HAL_ETH_TransmitFrame(&ETH_Handler,framelength);
errval = ERR_OK;
error:
//发送缓冲区发生下溢，一旦发送缓冲区发生下溢 TxDMA 会进入挂起状态
if((ETH_Handler.Instance->DMASR&ETH_DMASR_TUS)!=(uint32_t)RESET)
{
//清除下溢标志
ETH_Handler.Instance->DMASR = ETH_DMASR_TUS;
//当发送帧中出现下溢错误的时候 TxDMA 会挂起，这时候需要向 DMATPDR 寄存器
//随便写入一个值来将其唤醒，此处我们写 0
ETH_Handler.Instance->DMATPDR=0;
}
return errval;
}

low_level_output_code

struct pbuf * low_level_input(struct netif *netif)
本质：
　将网卡eth的DMA描述符中的内容复制到pbuf链表中，供LWIP使用，过程是判断DMA描述符中是否有数据，获取数据长度len，为pbuf分配（offset+len）长度的空间，然后遍历DMA描述符链表进行复制，
最后复制完成将DMA描述符链表清空，最后将DMA描述符还给网卡，标记后即可接受新的数据。
具体代码实现如下：

 1 static struct pbuf * low_level_input(struct netif *netif)
 2 {
 3 struct pbuf *p = NULL;
 4 struct pbuf *q;
 5 uint16_t len;
 6 uint8_t *buffer;
 7 __IO ETH_DMADescTypeDef *dmarxdesc;
 8 uint32_t bufferoffset=0;
 9 uint32_t payloadoffset=0;
10 uint32_t byteslefttocopy=0;
11 uint32_t i=0;
12 if(HAL_ETH_GetReceivedFrame(&ETH_Handler)!=HAL_OK) //判断是否接收到数据
13 return NULL;
14 len=ETH_Handler.RxFrameInfos.length; //获取接收到的以太网帧长度
15 buffer=(uint8_t *)ETH_Handler.RxFrameInfos.buffer; //获取接收到的以太网帧的数据 buffer
16 if(len>0) p=pbuf_alloc(PBUF_RAW,len,PBUF_POOL); //申请 pbuf
17 if(p!=NULL) //pbuf 申请成功
18 {
19 dmarxdesc=ETH_Handler.RxFrameInfos.FSRxDesc; //获取接收描述符链表中
20 //的第一个描述符
21 bufferoffset = 0;
22 for(q=p;q!=NULL;q=q->next)
23 {
24 byteslefttocopy=q->len;
25 payloadoffset=0;
26 //将接收描述符中 Rx Buffer 的数据拷贝到 pbuf 中
27 while((byteslefttocopy+bufferoffset)>ETH_RX_BUF_SIZE )
28 {
29 //将数据拷贝到 pbuf 中
30 memcpy((uint8_t*)((uint8_t*)q->payload+payloadoffset),\
31 (uint8_t*)((uint8_t*)buffer+bufferoffset),(ETH_RX_BUF_SIZE-bufferoffset));
32 //dmarxdesc 指向下一个接收描述符
33 dmarxdesc=(ETH_DMADescTypeDef *)(dmarxdesc->Buffer2NextDescAddr);
34 //更新 buffer 地址，指向新的接收描述符的 Rx Buffer
35 buffer=(uint8_t *)(dmarxdesc->Buffer1Addr);
36 byteslefttocopy=byteslefttocopy-(ETH_RX_BUF_SIZE-bufferoffset);
37 payloadoffset=payloadoffset+(ETH_RX_BUF_SIZE-bufferoffset);
38 bufferoffset=0;
39 }
40 //拷贝剩余的数据
41 memcpy((uint8_t*)((uint8_t*)q->payload+payloadoffset),\
42 (uint8_t*)((uint8_t*)buffer+bufferoffset),byteslefttocopy);
43 bufferoffset=bufferoffset+byteslefttocopy;
44 }
45 }
46 //释放 DMA 描述符
47 dmarxdesc=ETH_Handler.RxFrameInfos.FSRxDesc;
48 for(i=0;i<ETH_Handler.RxFrameInfos.SegCount; i++)
49 {
50 dmarxdesc->Status|=ETH_DMARXDESC_OWN; //标记描述符归 DMA 所有
51 dmarxdesc=(ETH_DMADescTypeDef *)(dmarxdesc->Buffer2NextDescAddr);
52 }
53 ETH_Handler.RxFrameInfos.SegCount =0; //清除段计数器
54 //接收缓冲区不可用
55 if((ETH_Handler.Instance->DMASR&ETH_DMASR_RBUS)!=(uint32_t)RESET)
56 {
57 //清除接收缓冲区不可用标志
58 ETH_Handler.Instance->DMASR = ETH_DMASR_RBUS;
59 //当接收缓冲区不可用的时候 RxDMA 会进去挂起状态，通过向 DMARPDR
60 //写入任意一个值来唤醒 Rx DMA
61 ETH_Handler.Instance->DMARPDR=0;
62 }
63 return p;
64 }

low_level_input_code

void ethernetif_input(struct netif *netif)
主要是对low_level_inpu()的封装，然后传入指定的网卡结构中

 1 err_t ethernetif_input(struct netif *netif)
 2 {
 3 err_t err;
 4 struct pbuf *p;
 5 p=low_level_input(netif); //调用 low_level_input 函数接收数据
 6 if(p==NULL) return ERR_MEM;
 7 err=netif->input(p, netif); //调用 netif 结构体中的 input 字段(一个函数)来处理数据包
 8 if(err!=ERR_OK)
 9 {
10 LWIP_DEBUGF(NETIF_DEBUG,("ethernetif_input: IP input error\n"));
11 pbuf_free(p);
12 p = NULL;
13 }
14 return err;
15 }

ethernetif_input

err_t ethernetif_init(struct netif *netif)
主要是对low_level_init()的封装，初始化了netif的相关字段，注册IP层发送函数

 1 err_t ethernetif_init(struct netif *netif)
 2 {
 3 LWIP_ASSERT("netif!=NULL",(netif!=NULL));
 4 #if LWIP_NETIF_HOSTNAME //LWIP_NETIF_HOSTNAME
 5 netif->hostname="lwip"; //初始化名称
 6 #endif
 7 netif->name[0]=IFNAME0; //初始化变量 netif 的 name 字段
 8 netif->name[1]=IFNAME1; //在文件外定义这里不用关心具体值
 9 netif->output=etharp_output;//IP 层发送数据包函数
10 netif->linkoutput=low_level_output;//ARP 模块发送数据包函数
11 low_level_init(netif); //底层硬件初始化函数
12 return ERR_OK;
13 }

ethernetif_init

3.系统时钟

系统通过调用函数sys_check_timerouts来处理内核的各种定时时间比如ARP、TCP等，该函数要求移植者实现一个函数sys_now来返回当前的系统时间，通过差值判断是否时间到达，从而调用相关的函数处理定时事件。在本次移植中，用的hal库自带的tick（1ms）来实现，也可以用全局变量和定时器来实现

1 u32_t sys_now(void)
2 {
3   return HAL_GetTick();
4 }

4.LWIP初始化过程

       lwip_init()      初始化LWIP内核
            ↓
     IP4_ADDR()         将ip/netmask/gw数值整合成一个ip4_addr_t变量
            ↓
    netif_add()         此函数主要设置ip/netmask/gw 和调用ethernetif_init函数，当有消息来的时候调用ethernet_input。这两个函数会在后面文章介绍,一种网卡设备添加一次
            ↓
netif_set_default()     将此网卡设置为默认网口
            ↓
    netif_set_up()      开启网口，在添加网口设备后就会将NETIF_IS_LINK_UP_FLAG 置1，后面会详细讲解 netif_set_link_up和netif_set_up的区别

因为此次是用的是poll模式，所以要在主循环调用ethnetif_input()和sys_sys_check_timerouts(); 确保内核是工作的。完成这一步，板子就能够ping通了

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参考文章：

正点原子的《STM32F7 LWIP开发手册》

《嵌入式网络那些事：LwIP协议栈深度剖析与演练》

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