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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