LwIP應用開發筆記之十：LwIP帶操作系統基本移植

本文轉載自查看原文 2020-08-09 08:49 821 FreeRTOS/ LwIP/ 以太網

　　現在，TCP/IP協議的應用無處不在。隨着物聯網的火爆，嵌入式領域使用TCP/IP協議進行通訊也越來越廣泛。在我們的相關產品中，也都有應用，所以我們結合應用實際對相關應用作相應的總結。

1、技術准備

　　我們采用的開發平台是STM32F407和LwIP協議棧。在開始之前，我們需要做必要的准備工作。

　　首先要獲得LwIP的源碼，在網上有很多，不同版本及不同平台的都有，不過我們還是建議直接從官方網站獲得。其官方網站如下：

　　http://savannah.nongnu.org/projects/lwip/

　　其次，需要硬件平台，我們采用了STM32F407ZG+DM9161的網絡接口方式，這並不是必須的，其他硬件平台也是一樣的。

　　最后，因為我們后面要在操作系統下移植，采用的操作系統是FreeRTOS，所以還需下載FreeRTOS的源碼。同樣簡易從官網下載：

　　https://www.freertos.org/index.html

2、LwIP簡要說明

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

Raw API：為原始的 LwIP API。它通過事件回調機制進行應用開發。該 API 提供了最好的性能和優化的代碼長度，但增加了應用開發的復雜性。
Netconn API：為高層有序 API，需要實時操作系統（RTOS）的支持（提供進程間通訊的方法）。 Netconn API 支持多線程工作。
BSD Socket API：類似 Berkeley 的套接字 API （開發於 Netconn API 之上）。

　　對於以上三種接口，前一種只需要裸機即可調用，后兩種需要操作系統才能調用。所以據此LwIP存在兩種移植方式：一是，只移植內核，此時應用程序的編寫只能基於RAW/Callback API進行。二是，移植內核和上層API，此時應用程序編寫可以使用3種API，即：RAW/Callback API、Sequential API和Socket API。

3、LwIP的帶操作系統基本移植

　　帶操作系統的移植首先是建立在無操作系統移植基礎之上的。在無操作系統移植時，定義的數據類型和宏都是有效的，只需要對lwipopts.h配置文件做簡單修改，並根據sys_arch.txt移植說明文件編寫sys_arch.c和sys_arch.h兩個文件以實現操作系統模擬層就可以了。

　　操作系統模擬層的功能再以為協議棧提供郵箱、信號量、互斥量等機制，用以保證內核與上層API的通訊。這些操作系統模擬層函數均在sys.h中已經聲明，我們一般在sys_arch.c文件中完成其定義。所以，我們很清楚，帶操作系統的移植就是在無操作系統的基礎上添加操作系統模擬層。在接下來我們就看看操作系統模擬層的編寫。

　　在操作系統已經正確移植的基礎上，我們根據sys_arch.txt移植說明文件的描述，還需要移植的宏定義及函數等如下：

名稱	屬性	功能
sys_mbox_t	數據類型	指針類型，指向系統郵箱
sys_sem_t	數據類型	指針類型，指向系統信號量
sys_mutex_t	數據類型	指針類型，指向系統互斥量
sys_thread_t	數據類型	系統任務標識
SYS_MBOX_NULL	宏	郵箱指針指向的空值
SYS_SEM_NULL	宏	信號量指針指向的空值
sys_init	函數	初始化系統模擬層
sys_sem_new	函數	生成一個信號量
sys_sem_free	函數	刪除一個信號量
sys_sem_signal	函數	釋放一個信號量
sys_arch_sem_wait	函數	等待一個信號量
sys_sem_valid	函數	判斷一個信號量是否有效
sys_sem_set_invalid	函數	將一個信號量置為無效
sys_mutex_new	函數	生成一個新的互斥量
sys_mutex_free	函數	刪除一個互斥量
sys_mutex_lock	函數	鎖住一個互斥量
sys_mutex_unlock	函數	解鎖一個互斥量
sys_mutex_valid	函數	判斷一個互斥量是否有效
sys_mutex_set_invalid	函數	將一個互斥量置為無效
sys_mbox_new	函數	新建一個郵箱
sys_mbox_free	函數	刪除一個郵箱
sys_mbox_post	函數	向郵箱投遞消息，阻塞
sys_mbox_trypost	函數	嘗試向郵箱投遞消息，不阻塞
sys_arch_mbox_fetch	函數	從郵箱獲取消息，阻塞
sys_arch_mbox_tryfetch	函數	嘗試從郵箱獲取消息，不阻塞
sys_mbox_valid	函數	判斷一個郵箱是否有效
sys_mbox_set_invalid	函數	將一個郵箱設置為無效
sys_thread_new	函數	創建新進程
sys_arch_protect	函數	臨界區保護
sys_arch_unprotect	函數	退出臨界區保護

　　從上表中我們可以發現，這些變量和函數主要是面向信號量、互斥量及郵箱，包括新建、刪除、釋放、獲取等各類操作，我們需要根據操作系統的規定來實現這些函數，我們在這里使用的FreeRTOS，所以我根據FreeRTOS對信號量、互斥量及郵箱的操作來實現這些函數。我們列舉郵箱的各操作函數實現如下：

  1 /*創建一個空的郵箱。*/
  2 err_t sys_mbox_new(sys_mbox_t *mbox, int size)
  3 {
  4   osMessageQDef(QUEUE, size, void *);
  5  
  6   *mbox = osMessageCreate(osMessageQ(QUEUE), NULL);
  7  
  8 #if SYS_STATS
  9       ++lwip_stats.sys.mbox.used;
 10       if (lwip_stats.sys.mbox.max < lwip_stats.sys.mbox.used) {
 11          lwip_stats.sys.mbox.max = lwip_stats.sys.mbox.used;
 12          }
 13 #endif /* SYS_STATS */
 14  if (*mbox == NULL)
 15   return ERR_MEM;
 16  
 17  return ERR_OK;
 18 }
 19  
 20 /*重新分配一個郵箱。如果郵箱被釋放時，郵箱中仍有消息，在lwIP中這是出現編碼錯誤的指示，並通知開發人員。*/
 21 void sys_mbox_free(sys_mbox_t *mbox)
 22 {
 23        if( osMessageWaiting(*mbox) )
 24        {
 25               portNOP();
 26 #if SYS_STATS
 27            lwip_stats.sys.mbox.err++;
 28 #endif /* SYS_STATS */
 29        }
 30  
 31        osMessageDelete(*mbox);
 32  
 33 #if SYS_STATS
 34      --lwip_stats.sys.mbox.used;
 35 #endif /* SYS_STATS */
 36 }
 37  
 38 /*發送消息到郵箱*/
 39 void sys_mbox_post(sys_mbox_t *mbox, void *data)
 40 {
 41   while(osMessagePut(*mbox, (uint32_t)data, osWaitForever) != osOK);
 42 }
 43  
 44 /*嘗試將消息發送到郵箱*/
 45 err_t sys_mbox_trypost(sys_mbox_t *mbox, void *msg)
 46 {
 47     err_t result;
 48  
 49    if ( osMessagePut(*mbox, (uint32_t)msg, 0) == osOK)
 50    {
 51       result = ERR_OK;
 52    }
 53    else {
 54       result = ERR_MEM;
 55                     
 56 #if SYS_STATS
 57       lwip_stats.sys.mbox.err++;
 58 #endif /* SYS_STATS */
 59                     
 60    }
 61  
 62    return result;
 63 }
 64  
 65 /*阻塞進程從郵箱獲取消息*/
 66 u32_t sys_arch_mbox_fetch(sys_mbox_t *mbox, void **msg, u32_t timeout)
 67 {
 68   osEvent event;
 69   uint32_t starttime = osKernelSysTick();;
 70  
 71   if(timeout != 0)
 72   {
 73     event = osMessageGet (*mbox, timeout);
 74    
 75     if(event.status == osEventMessage)
 76     {
 77       *msg = (void *)event.value.v;
 78       return (osKernelSysTick() - starttime);
 79     }
 80     else
 81     {
 82       return SYS_ARCH_TIMEOUT;
 83     }
 84   }
 85   else
 86   {
 87     event = osMessageGet (*mbox, osWaitForever);
 88     *msg = (void *)event.value.v;
 89     return (osKernelSysTick() - starttime);
 90   }
 91 }
 92  
 93 /*嘗試從郵箱獲取消息*/
 94 u32_t sys_arch_mbox_tryfetch(sys_mbox_t *mbox, void **msg)
 95 {
 96   osEvent event;
 97  
 98   event = osMessageGet (*mbox, 0);
 99  
100   if(event.status == osEventMessage)
101   {
102     *msg = (void *)event.value.v;
103     return ERR_OK;
104   }
105   else
106   {
107     return SYS_MBOX_EMPTY;
108   }
109 }
110  
111 /*判斷一個郵箱是否有效*/
112 int sys_mbox_valid(sys_mbox_t *mbox)         
113 {     
114   if (*mbox == SYS_MBOX_NULL)
115     return 0;
116   else
117     return 1;
118 }
119  
120 /*設置一個郵箱無效*/                                             
121 void sys_mbox_set_invalid(sys_mbox_t *mbox)  
122 {                                            
123   *mbox = SYS_MBOX_NULL;                     
124 }                                             
125 
126 //  創建一個新的信號量。而 "count"參數指示該信號量的初始狀態
127 err_t sys_sem_new(sys_sem_t *sem, u8_t count)
128 {
129   osSemaphoreDef(SEM);
130  
131   *sem = osSemaphoreCreate (osSemaphore(SEM), 1);
132       
133   if(*sem == NULL)
134   {
135 #if SYS_STATS
136       ++lwip_stats.sys.sem.err;
137 #endif /* SYS_STATS */ 
138               return ERR_MEM;
139   }
140       
141   if(count == 0)  // Means it can't be taken
142   {
143     osSemaphoreWait(*sem,0);
144   }
145  
146 #if SYS_STATS
147        ++lwip_stats.sys.sem.used;
148       if (lwip_stats.sys.sem.max < lwip_stats.sys.sem.used) {
149               lwip_stats.sys.sem.max = lwip_stats.sys.sem.used;
150        }
151 #endif /* SYS_STATS */
152              
153        return ERR_OK;
154 }

　　此外還有一些函數也是協議棧需要的函數，特別是sys_thread_new函數，不但協議棧在初始化是需要用到，在后續我們實現各類基於LwIP的應用時也需要用到，其實現如下：

 1 sys_thread_t sys_thread_new(const char *name, lwip_thread_fn thread , void *arg, int stacksize, int prio)
 2 {
 3   const osThreadDef_t os_thread_def = { (char *)name, (os_pthread)thread, (osPriority)prio, 0, stacksize};
 4   return osThreadCreate(&os_thread_def, arg);
 5 }
 6 osThreadId osThreadCreate (const osThreadDef_t *thread_def, void *argument)
 7 {
 8   TaskHandle_t handle;
 9  
10 #if( configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1 ) &&  ( configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION == 1 )
11   if((thread_def->buffer != NULL) && (thread_def->controlblock != NULL)) {
12     handle = xTaskCreateStatic((TaskFunction_t)thread_def->pthread,(const portCHAR *)thread_def->name,
13               thread_def->stacksize, argument, makeFreeRtosPriority(thread_def->tpriority),
14               thread_def->buffer, thread_def->controlblock);
15   }
16   else {
17     if (xTaskCreate((TaskFunction_t)thread_def->pthread,(const portCHAR *)thread_def->name,
18               thread_def->stacksize, argument, makeFreeRtosPriority(thread_def->tpriority),
19               &handle) != pdPASS)  {
20       return NULL;
21     }
22   }
23 #elif( configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1 )
24  
25     handle = xTaskCreateStatic((TaskFunction_t)thread_def->pthread,(const portCHAR *)thread_def->name,
26               thread_def->stacksize, argument, makeFreeRtosPriority(thread_def->tpriority),
27               thread_def->buffer, thread_def->controlblock);
28 #else
29   if (xTaskCreate((TaskFunction_t)thread_def->pthread,(const portCHAR *)thread_def->name,
30                    thread_def->stacksize, argument, makeFreeRtosPriority(thread_def->tpriority),
31                    &handle) != pdPASS)  {
32     return NULL;
33   }    
34 #endif
35  
36   return handle;
37 }

　　至此，基於FreeRTOS操作系統的LwIP移植結算完成了，我們編譯下載就可以對其進行驗證。

4、結論

　　前面已經移植了基於操作系統的LwIP，那怎么知道我們的移植是否成功呢？接下來我們對它進行必要的驗證。

　　首先我們查看目標板在網絡上的配置是否正確。我們打開命令行窗口，運行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命令測試網絡鏈接：

　　上圖顯示網絡連接正常，經此測試，說明我們的LwIP在有操作系統情況下移植正常。

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