LWIP移植文件介紹

本文轉載自查看原文 2019-05-23 13:26 1015 LWIP

在介紹文件之前首先介紹一下DMA描述符

stm32以太網模塊接收/發送FIFO和內存之間的以太網傳輸是通過以太網DMA使用DMA描述符完成的，一共有兩個描述符列表：一個用於接收，一個用於發送，兩個列表的基址分別寫入ETH_DMARDLAR 寄存器和 ETH_DMATDLAR 寄存器中。

 1 typedef struct {
 2 __IO uint32_t Status; //狀態
 3 uint32_t ControlBufferSize; //控制和 buffer1， buffer2 的長度
 4 uint32_t Buffer1Addr; //buffer1 地址
 5 uint32_t Buffer2NextDescAddr; //buffer2 地址或下一個描述符地址
 6 uint32_t ExtendedStatus; //增強描述符狀態
 7 uint32_t Reserved1; //保留
 8 uint32_t TimeStampLow; //時間戳低位
 9 uint32_t TimeStampHigh; //時間戳高位
10 } ETH_DMADESCTypeDef;

根據DMA描述符的內容可以組成兩種結構，而stm32以太網庫提供的就是鏈接結構。即Buffer1Addr存放數據，Buffer2NextDescAddr指向下一個描述符的首地址

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描述符鏈表使能用到，相當於二維數組，第一個代表描述符的數量，此時定義的是5，第二個代表描述符 Buffer1Addr 的分配空間的大小，此時定義1500

1.lwipopts.h

用戶自己定義使用的配置文件可以對宏定義的開關選擇打開或者關閉某些功能。系統提供的配置文件opt.h有大量的條件編譯，所以還是不要動系統的默認配置。

配置信息有：LWIP_UDP/LWIP_TCP 、系統、lwip的接口編程方式，接收緩沖區的大小，是否使用socket，是否需要打印debug消息等等。

2.網卡驅動的編寫： LWIP協議棧只能通過pbuf和網卡通訊

lwip的網卡驅動的移植其實就是對以下幾個函數函數的編寫與封裝。lwip內核已經寫好了框架在ethnetif.c中，該文件默認是沒有編譯進去的（指的是LWIP官網下載的安裝包），我們需要自己填充這個文件

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）.網卡初始化函數，它主要包括mcu的片內外設

　　　① eth的初始化（自協商模式是否開啟，PHY的地址，網卡的MAC地址，接收模式是中斷還是輪訓，stm32官網開發文檔寫着中斷模式只能用於系統，不帶系統只能使用輪訓模式，但是正點原子使用的demo是中斷模式，我此次使用的是poll,是否開啟硬件校驗和PHY的通訊模式（MII/RMII））

② 將DMA發送和接收描述符初始化成鏈表結構，設置協議棧網絡接口管理netif中國與網卡屬性相關的特性，如設置MAC硬件地址，mac地址長度，最大傳輸單元，使能DMA發送和接收

（2）網卡數據包發送函數將內核數據結構體pbuf描述的數據包發送出去

（3）網卡數據包接收函數，為了讓內核更好的處理接收過來的數據，我們需要將接收到的數據封裝成pbuf的形式

（4）主要是調用low_level_input()實現從網卡讀取一個數據包，及解析數據包的類型（ARP,IP）並提交給應用層，這個函數可直接被應用程序調用

（5）在管理網絡接口netif會調用，只要是對netif某些字段進行初始化，並調用low_level_init完成相關的初始化。

下面分別講解一下這幾個函數：.

void low_level_init(struct netif *netif)

初始化了netif的hwaddr_len、hwaddr、mtu、flags，其他的上面已經很詳細的介紹，這里不再贅敘

 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)：

首先介紹一下pubuf結構體

struct pbuf {
struct pbuf *next; //指向下一個 pbuf 結構體，可以構成鏈表
void *payload; //指向該 pbuf 真正的數據區
u16_t tot_len; //當前 pbuf 和鏈表中后面所有 pbuf 的數據長度， 它們屬於一個數據包
u16_t len; //當前 pbuf 的數據長度
u8_t type; //當前 pbuf 的類型   pbuf_ram / pbuf_pool
u8_t flags; //狀態為，保留
u16_t ref; //該 pbuf 被引用的次數
};

PS:offset的值因為當前的pbuf處於不同的協議層而不同，如raw時 offset 為0 開啟TCP時offset 為54

本質：

一個pbuf可能無法將所有的數據都發出去，所以一般將pbuf組成一個鏈表，這樣數據就會在pbuf鏈表的payload區域，遍歷pbuf鏈表將數據全部memcpy到eth的DMA發送描述符鏈表中，要注意三個地方，一個是offset區域，第二個是發送時要確保DMA發送描述符被ETH所有，不是被LWIP所有，第三個是當要發送數據大於DMA描述符鏈表所能發送的最大字節.

具體代碼實現如下：

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;
//從 pbuf 中拷貝要發送的數據
for(q=p;q!=NULL;q=q->next)
{
//判斷此發送描述符是否有效，即判斷此發送描述符是否歸以太網 DMA 所有
if((DmaTxDesc->Status&ETH_DMATXDESC_OWN)!=(uint32_t)RESET)
{
errval=ERR_USE;
goto error; //發送描述符無效，不可用
}
byteslefttocopy=q->len; //要發送的數據長度
payloadoffset=0;
//將 pbuf 中要發送的數據寫入到以太網發送描述符中，有時候我們要發送的
//數據可能大於一個以太網描述符的 Tx Buffer，因此我們需要分多次將數據
//拷貝到多個發送描述符中
while((byteslefttocopy+bufferoffset)>ETH_TX_BUF_SIZE )
{
//將數據拷貝到以太網發送描述符的 Tx Buffer 中
memcpy((uint8_t*)((uint8_t*)buffer+bufferoffset),(uint8_t*)((uint8_t*)q->payload\
+payloadoffset),(ETH_TX_BUF_SIZE-bufferoffset));
//DmaTxDsc 指向下一個發送描述符
DmaTxDesc=(ETH_DMADescTypeDef *)(DmaTxDesc->Buffer2NextDescAddr);
//檢查新的發送描述符是否有效
if((DmaTxDesc->Status&ETH_DMATXDESC_OWN)!=(uint32_t)RESET)
{
errval = ERR_USE;
goto error; //發送描述符無效，不可用
}
buffer=(uint8_t *)(DmaTxDesc->Buffer1Addr); //更新 buffer 地址，指向新
//的發送描述符的 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;
}
//拷貝剩余的數據
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:
//發送緩沖區發生下溢，一旦發送緩沖區發生下溢 TxDMA 會進入掛起狀態
if((ETH_Handler.Instance->DMASR&ETH_DMASR_TUS)!=(uint32_t)RESET)
{
//清除下溢標志
ETH_Handler.Instance->DMASR = ETH_DMASR_TUS;
//當發送幀中出現下溢錯誤的時候 TxDMA 會掛起，這時候需要向 DMATPDR 寄存器
//隨便寫入一個值來將其喚醒，此處我們寫 0
ETH_Handler.Instance->DMATPDR=0;
}
return errval;
}

low_level_output_code

struct pbuf * low_level_input(struct netif *netif)
本質：
　將網卡eth的DMA描述符中的內容復制到pbuf鏈表中，供LWIP使用，過程是判斷DMA描述符中是否有數據，獲取數據長度len，為pbuf分配（offset+len）長度的空間，然后遍歷DMA描述符鏈表進行復制，
最后復制完成將DMA描述符鏈表清空，最后將DMA描述符還給網卡，標記后即可接受新的數據。
具體代碼實現如下：

 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) //判斷是否接收到數據
13 return NULL;
14 len=ETH_Handler.RxFrameInfos.length; //獲取接收到的以太網幀長度
15 buffer=(uint8_t *)ETH_Handler.RxFrameInfos.buffer; //獲取接收到的以太網幀的數據 buffer
16 if(len>0) p=pbuf_alloc(PBUF_RAW,len,PBUF_POOL); //申請 pbuf
17 if(p!=NULL) //pbuf 申請成功
18 {
19 dmarxdesc=ETH_Handler.RxFrameInfos.FSRxDesc; //獲取接收描述符鏈表中
20 //的第一個描述符
21 bufferoffset = 0;
22 for(q=p;q!=NULL;q=q->next)
23 {
24 byteslefttocopy=q->len;
25 payloadoffset=0;
26 //將接收描述符中 Rx Buffer 的數據拷貝到 pbuf 中
27 while((byteslefttocopy+bufferoffset)>ETH_RX_BUF_SIZE )
28 {
29 //將數據拷貝到 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 指向下一個接收描述符
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 //拷貝剩余的數據
41 memcpy((uint8_t*)((uint8_t*)q->payload+payloadoffset),\
42 (uint8_t*)((uint8_t*)buffer+bufferoffset),byteslefttocopy);
43 bufferoffset=bufferoffset+byteslefttocopy;
44 }
45 }
46 //釋放 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; //標記描述符歸 DMA 所有
51 dmarxdesc=(ETH_DMADescTypeDef *)(dmarxdesc->Buffer2NextDescAddr);
52 }
53 ETH_Handler.RxFrameInfos.SegCount =0; //清除段計數器
54 //接收緩沖區不可用
55 if((ETH_Handler.Instance->DMASR&ETH_DMASR_RBUS)!=(uint32_t)RESET)
56 {
57 //清除接收緩沖區不可用標志
58 ETH_Handler.Instance->DMASR = ETH_DMASR_RBUS;
59 //當接收緩沖區不可用的時候 RxDMA 會進去掛起狀態，通過向 DMARPDR
60 //寫入任意一個值來喚醒 Rx DMA
61 ETH_Handler.Instance->DMARPDR=0;
62 }
63 return p;
64 }

low_level_input_code

void ethernetif_input(struct netif *netif)
主要是對low_level_inpu()的封裝，然后傳入指定的網卡結構中

 1 err_t ethernetif_input(struct netif *netif)
 2 {
 3 err_t err;
 4 struct pbuf *p;
 5 p=low_level_input(netif); //調用 low_level_input 函數接收數據
 6 if(p==NULL) return ERR_MEM;
 7 err=netif->input(p, netif); //調用 netif 結構體中的 input 字段(一個函數)來處理數據包
 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)
主要是對low_level_init()的封裝，初始化了netif的相關字段，注冊IP層發送函數

 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"; //初始化名稱
 6 #endif
 7 netif->name[0]=IFNAME0; //初始化變量 netif 的 name 字段
 8 netif->name[1]=IFNAME1; //在文件外定義這里不用關心具體值
 9 netif->output=etharp_output;//IP 層發送數據包函數
10 netif->linkoutput=low_level_output;//ARP 模塊發送數據包函數
11 low_level_init(netif); //底層硬件初始化函數
12 return ERR_OK;
13 }

ethernetif_init

3.系統時鍾

系統通過調用函數sys_check_timerouts來處理內核的各種定時時間比如ARP、TCP等，該函數要求移植者實現一個函數sys_now來返回當前的系統時間，通過差值判斷是否時間到達，從而調用相關的函數處理定時事件。在本次移植中，用的hal庫自帶的tick（1ms）來實現，也可以用全局變量和定時器來實現

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

4.LWIP初始化過程

       lwip_init()      初始化LWIP內核
            ↓
     IP4_ADDR()         將ip/netmask/gw數值整合成一個ip4_addr_t變量
            ↓
    netif_add()         此函數主要設置ip/netmask/gw 和調用ethernetif_init函數，當有消息來的時候調用ethernet_input。這兩個函數會在后面文章介紹,一種網卡設備添加一次
            ↓
netif_set_default()     將此網卡設置為默認網口
            ↓
    netif_set_up()      開啟網口，在添加網口設備后就會將NETIF_IS_LINK_UP_FLAG 置1，后面會詳細講解 netif_set_link_up和netif_set_up的區別

因為此次是用的是poll模式，所以要在主循環調用ethnetif_input()和sys_sys_check_timerouts(); 確保內核是工作的。完成這一步，板子就能夠ping通了

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參考文章：

正點原子的《STM32F7 LWIP開發手冊》

《嵌入式網絡那些事：LwIP協議棧深度剖析與演練》

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