LwIP应用开发笔记之十:LwIP带操作系统基本移植
现在,TCP/IP协议的应用无处不在。随着物联网的火爆,嵌入式领域使用TCP/IP协议进行通讯也越来越广泛。在我们的相关产品中,也都有应用,所以我们结合应用实际对相关应用作相应的总结。
1、技术准备
我们采用的开发平台是STM32F407和LwIP协议栈。在开始之前,我们需要做必要的准备工作。
首先要获得LwIP的源码,在网上有很多,不同版本及不同平台的都有,不过我们还是建议直接从官方网站获得。其官方网站如下:
http://savannah.nongnu.org/projects/lwip/
其次,需要硬件平台,我们采用了STM32F407ZG+DM9161的网络接口方式,这并不是必须的,其他硬件平台也是一样的。
最后,因为我们后面要在操作系统下移植,采用的操作系统是FreeRTOS,所以还需下载FreeRTOS的源码。同样建议从官网下载:
https://www.freertos.org/index.html
2、LwIP简要说明
LwIP是一款免费的TCP/IP协议栈,但它的功能趋势十分完备。LwIP 具有三种应用编程接口 (API):
- Raw API:为原始的 LwIP API。它通过事件回调机制进行应用开发。该 API 提供了最好的性能和优化的代码长度,但增加了应用开发的复杂性。
- Netconn API:为高层有序 API,需要实时操作系统 (RTOS)的支持 (提供进程间通讯的方法)。 Netconn API 支持多线程工作。
- BSD Socket API:类似 Berkeley 的套接字 API (开发于 Netconn API 之上) 。
对于以上三种接口,前一种只需要裸机即可调用,后两种需要操作系统才能调用。所以据此LwIP存在两种移植方式:一是,只移植内核,此时应用程序的编写只能基于RAW/Callback API进行。二是,移植内核和上层API,此时应用程序编写可以使用3种API,即:RAW/Callback API、Sequential API和Socket API。
3、LwIP的带操作系统基本移植
带操作系统的移植首先是建立在无操作系统移植基础之上的。在无操作系统移植时,定义的数据类型和宏都是有效的,只需要对lwipopts.h配置文件做简单修改,并根据sys_arch.txt移植说明文件编写sys_arch.c和sys_arch.h两个文件以实现操作系统模拟层就可以了。
操作系统模拟层的功能再以为协议栈提供邮箱、信号量、互斥量等机制,用以保证内核与上层API的通讯。这些操作系统模拟层函数均在sys.h中已经声明,我们一般在sys_arch.c文件中完成其定义。所以,我们很清楚,带操作系统的移植就是在无操作系统的基础上添加操作系统模拟层。在接下来我们就看看操作系统模拟层的编写。
在操作系统已经正确移植的基础上,我们根据sys_arch.txt移植说明文件的描述,还需要移植的宏定义及函数等如下:
名称 |
属性 |
功能 |
sys_mbox_t |
数据类型 |
指针类型,指向系统邮箱 |
sys_sem_t |
数据类型 |
指针类型,指向系统信号量 |
sys_mutex_t |
数据类型 |
指针类型,指向系统互斥量 |
sys_thread_t |
数据类型 |
系统任务标识 |
SYS_MBOX_NULL |
宏 |
邮箱指针指向的空值 |
SYS_SEM_NULL |
宏 |
信号量指针指向的空值 |
sys_init |
函数 |
初始化系统模拟层 |
sys_sem_new |
函数 |
生成一个信号量 |
sys_sem_free |
函数 |
删除一个信号量 |
sys_sem_signal |
函数 |
释放一个信号量 |
sys_arch_sem_wait |
函数 |
等待一个信号量 |
sys_sem_valid |
函数 |
判断一个信号量是否有效 |
sys_sem_set_invalid |
函数 |
将一个信号量置为无效 |
sys_mutex_new |
函数 |
生成一个新的互斥量 |
sys_mutex_free |
函数 |
删除一个互斥量 |
sys_mutex_lock |
函数 |
锁住一个互斥量 |
sys_mutex_unlock |
函数 |
解锁一个互斥量 |
sys_mutex_valid |
函数 |
判断一个互斥量是否有效 |
sys_mutex_set_invalid |
函数 |
将一个互斥量置为无效 |
sys_mbox_new |
函数 |
新建一个邮箱 |
sys_mbox_free |
函数 |
删除一个邮箱 |
sys_mbox_post |
函数 |
向邮箱投递消息,阻塞 |
sys_mbox_trypost |
函数 |
尝试向邮箱投递消息,不阻塞 |
sys_arch_mbox_fetch |
函数 |
从邮箱获取消息,阻塞 |
sys_arch_mbox_tryfetch |
函数 |
尝试从邮箱获取消息,不阻塞 |
sys_mbox_valid |
函数 |
判断一个邮箱是否有效 |
sys_mbox_set_invalid |
函数 |
将一个邮箱设置为无效 |
sys_thread_new |
函数 |
创建新进程 |
sys_arch_protect |
函数 |
临界区保护 |
sys_arch_unprotect |
函数 |
退出临界区保护 |
从上表中我们可以发现,这些变量和函数主要是面向信号量、互斥量及邮箱,包括新建、删除、释放、获取等各类操作,我们需要根据操作系统的规定来实现这些函数,我们在这里使用的FreeRTOS,所以我根据FreeRTOS对信号量、互斥量及邮箱的操作来实现这些函数。我们列举邮箱的各操作函数实现如下:
/*创建一个空的邮箱。*/
err_t sys_mbox_new(sys_mbox_t *mbox, int size)
{
osMessageQDef(QUEUE, size, void *);
*mbox = osMessageCreate(osMessageQ(QUEUE), NULL);
#if SYS_STATS
++lwip_stats.sys.mbox.used;
if (lwip_stats.sys.mbox.max < lwip_stats.sys.mbox.used) {
lwip_stats.sys.mbox.max = lwip_stats.sys.mbox.used;
}
#endif /* SYS_STATS */
if (*mbox == NULL)
return ERR_MEM;
return ERR_OK;
}
/*重新分配一个邮箱。如果邮箱被释放时,邮箱中仍有消息,在lwIP中这是出现编码错误的指示,并通知开发人员。*/
void sys_mbox_free(sys_mbox_t *mbox)
{
if( osMessageWaiting(*mbox) )
{
/* Line for breakpoint. Should never break here! */
portNOP();
#if SYS_STATS
lwip_stats.sys.mbox.err++;
#endif /* SYS_STATS */
}
osMessageDelete(*mbox);
#if SYS_STATS
--lwip_stats.sys.mbox.used;
#endif /* SYS_STATS */
}
/*发送消息到邮箱*/
void sys_mbox_post(sys_mbox_t *mbox, void *data)
{
while(osMessagePut(*mbox, (uint32_t)data, osWaitForever) != osOK);
}
/*尝试将消息发送到邮箱*/
err_t sys_mbox_trypost(sys_mbox_t *mbox, void *msg)
{
err_t result;
if ( osMessagePut(*mbox, (uint32_t)msg, 0) == osOK)
{
result = ERR_OK;
}
else {
// could not post, queue must be full
result = ERR_MEM;
#if SYS_STATS
lwip_stats.sys.mbox.err++;
#endif /* SYS_STATS */
}
return result;
}
/*阻塞进程从邮箱获取消息*/
u32_t sys_arch_mbox_fetch(sys_mbox_t *mbox, void **msg, u32_t timeout)
{
osEvent event;
uint32_t starttime = osKernelSysTick();;
if(timeout != 0)
{
event = osMessageGet (*mbox, timeout);
if(event.status == osEventMessage)
{
*msg = (void *)event.value.v;
return (osKernelSysTick() - starttime);
}
else
{
return SYS_ARCH_TIMEOUT;
}
}
else
{
event = osMessageGet (*mbox, osWaitForever);
*msg = (void *)event.value.v;
return (osKernelSysTick() - starttime);
}
}
/*尝试从邮箱获取消息*/
u32_t sys_arch_mbox_tryfetch(sys_mbox_t *mbox, void **msg)
{
osEvent event;
event = osMessageGet (*mbox, 0);
if(event.status == osEventMessage)
{
*msg = (void *)event.value.v;
return ERR_OK;
}
else
{
return SYS_MBOX_EMPTY;
}
}
/*判断一个邮箱是否有效*/
int sys_mbox_valid(sys_mbox_t *mbox)
{
if (*mbox == SYS_MBOX_NULL)
return 0;
else
return 1;
}
/*设置一个邮箱无效*/
void sys_mbox_set_invalid(sys_mbox_t *mbox)
{
*mbox = SYS_MBOX_NULL;
}
// 创建一个新的信号量。而 "count"参数指示该信号量的初始状态
err_t sys_sem_new(sys_sem_t *sem, u8_t count)
{
osSemaphoreDef(SEM);
*sem = osSemaphoreCreate (osSemaphore(SEM), 1);
if(*sem == NULL)
{
#if SYS_STATS
++lwip_stats.sys.sem.err;
#endif /* SYS_STATS */
return ERR_MEM;
}
if(count == 0) // Means it can't be taken
{
osSemaphoreWait(*sem,0);
}
#if SYS_STATS
++lwip_stats.sys.sem.used;
if (lwip_stats.sys.sem.max < lwip_stats.sys.sem.used) {
lwip_stats.sys.sem.max = lwip_stats.sys.sem.used;
}
#endif /* SYS_STATS */
return ERR_OK;
}
此外还有一些函数也是协议栈需要的函数,特别是sys_thread_new函数,不但协议栈在初始化是需要用到,在后续我们实现各类基于LwIP的应用时也需要用到,其实现如下:
sys_thread_t sys_thread_new(const char *name, lwip_thread_fn thread , void *arg, int stacksize, int prio)
{
const osThreadDef_t os_thread_def = { (char *)name, (os_pthread)thread, (osPriority)prio, 0, stacksize};
return osThreadCreate(&os_thread_def, arg);
}
osThreadId osThreadCreate (const osThreadDef_t *thread_def, void *argument)
{
TaskHandle_t handle;
#if( configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1 ) && ( configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION == 1 )
if((thread_def->buffer != NULL) && (thread_def->controlblock != NULL)) {
handle = xTaskCreateStatic((TaskFunction_t)thread_def->pthread,(const portCHAR *)thread_def->name,
thread_def->stacksize, argument, makeFreeRtosPriority(thread_def->tpriority),
thread_def->buffer, thread_def->controlblock);
}
else {
if (xTaskCreate((TaskFunction_t)thread_def->pthread,(const portCHAR *)thread_def->name,
thread_def->stacksize, argument, makeFreeRtosPriority(thread_def->tpriority),
&handle) != pdPASS) {
return NULL;
}
}
#elif( configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1 )
handle = xTaskCreateStatic((TaskFunction_t)thread_def->pthread,(const portCHAR *)thread_def->name,
thread_def->stacksize, argument, makeFreeRtosPriority(thread_def->tpriority),
thread_def->buffer, thread_def->controlblock);
#else
if (xTaskCreate((TaskFunction_t)thread_def->pthread,(const portCHAR *)thread_def->name,
thread_def->stacksize, argument, makeFreeRtosPriority(thread_def->tpriority),
&handle) != pdPASS) {
return NULL;
}
#endif
return handle;
}
至此,基于FreeRTOS操作系统的LwIP移植结算完成了,我们编译下载就可以对其进行验证。
4、结论
前面已经移植了基于操作系统的LwIP,那怎么知道我们的移植是否成功呢?接下来我们对它进行必要的验证。
首先我们查看目标板在网络上的配置是否正确。我们打开命令行窗口,运行ipconfig命令,查看MAC地址和IP地址配置:
我们配置的MAC地址00:08:E1:00:00:00和IP地址192.168.2.110显示正常。接下来我们采用ping命令测试网络链接:
上图显示网络连接正常,经此测试,说明我们的LwIP在有操作系统情况下移植正常。
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