ucos+lwip應(yīng)用心得

經(jīng)過幾天調(diào)試除掉幾個(gè)bug以后,ucos+lwip在我的44b0+8019開發(fā)板上終于跑得比較穩(wěn)定了.一只覺得lwip是一個(gè)不錯(cuò)的開放源碼的tcp/ip 協(xié)議棧,想把自己對(duì)lwip的移植和理解寫出來.但是由于最近比較忙,lwip的移植也是利用業(yè)余時(shí)間做的,今天寫好了第一部分(lwip的 process model)先貼上來,如果大家有興趣我再接著往下寫.另外我的移植參看了skyeye揚(yáng)曄大俠的代碼,大家可以去看看揚(yáng)曄大俠的lwip在ucos上移植的文章和代碼. lwip應(yīng)用心得 lwIP是瑞士計(jì)算機(jī)科學(xué)院(Swedish Institute of Computer Science)的Adam Dunkels等開發(fā)的一套用于嵌入式系統(tǒng)的開放源代碼TCP/IP協(xié)議棧。Lwip既可以移植到操作系統(tǒng)上,又可以在無操作系統(tǒng)的情況下獨(dú)立運(yùn)行. LwIP的特性如下： (1) 支持多網(wǎng)絡(luò)接口下的IP轉(zhuǎn)發(fā) (2) 支持ICMP協(xié)議 (3) 包括實(shí)驗(yàn)性擴(kuò)展的的UDP(用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議) (4) 包括阻塞控制，RTT估算和快速恢復(fù)和快速轉(zhuǎn)發(fā)的TCP(傳輸控制協(xié)議) (5) 提供專門的內(nèi)部回調(diào)接口(Raw API)用于提高應(yīng)用程序性能 (6) 可選擇的Berkeley接口API(多線程情況下) (7) 在最新的版本中支持ppp (8) 新版本中增加了的IP fragment的支持. (9) 支持DHCP協(xié)議,動(dòng)態(tài)分配ip地址. 現(xiàn)在網(wǎng)上最新的版本是V0.6.4 1.lwip的進(jìn)程模型(process model) tcp/ip協(xié)議棧的process model一般有幾種方式. 1.tcp/ip協(xié)議的每一層是一個(gè)單獨(dú)進(jìn)程.鏈路層是一個(gè)進(jìn)程,ip層是一個(gè)進(jìn)

程,tcp層是一個(gè)進(jìn)程.這樣的好處是網(wǎng)絡(luò)協(xié) 議的每一層都非常清晰,代碼的調(diào)試和理解都非常容易.但是最大的壞處數(shù)據(jù)跨層傳遞時(shí)會(huì)引起上下文切換(context switch). 對(duì)于接收一個(gè)TCP segment要引起3次context switch(從網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序到鏈路層進(jìn)程,從鏈路層進(jìn)程到ip層進(jìn)程,從ip層進(jìn)程 到TCP進(jìn)程).通常對(duì)于操作系統(tǒng)來說,任務(wù)切換是要浪費(fèi)時(shí)間的.過頻的context swich是不可取的. 2.另外一種方式是TCP/IP協(xié)議棧在操作系統(tǒng)內(nèi)核當(dāng)中.應(yīng)用程序通過操作系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用(system call)和協(xié)議棧來進(jìn)行通訊. 這樣TCP/IP的協(xié)議棧就限定于特定的操作系統(tǒng)內(nèi)核了.如windows就是這種方式. 3.lwip的process model:所有tcp/ip協(xié)議棧都在一個(gè)進(jìn)程當(dāng)中,這樣tcp/ip協(xié)議棧就和操作系統(tǒng)內(nèi)核分開了.而應(yīng)用層程序既可以 是單獨(dú)的進(jìn)程也可以駐留在tcp/ip進(jìn)程中.如果應(yīng)用程序是單獨(dú)的進(jìn)程可以通過操作系統(tǒng)的郵箱,消息隊(duì)列等和tcp/ip進(jìn)程進(jìn)行通訊. 如果應(yīng)用層程序駐留tcp/ip進(jìn)程中,那應(yīng)用層程序就利用內(nèi)部回調(diào)函數(shù)口(Raw API)和tcp/ip協(xié)議棧通訊.對(duì)于ucos來說進(jìn)程就是一個(gè)系統(tǒng)任務(wù).lwip的process model請(qǐng)參看下圖.在圖中可以看到整個(gè)tcp/ip協(xié)議棧都在同一個(gè)任務(wù)(tcpip_thread)中.應(yīng)用層程序既可以是獨(dú)立的任務(wù)(如圖中的 tftp_thread,tcpecho_thread),也可以在tcpip_thread中(如圖左上角)中利用內(nèi)部回調(diào)函數(shù)口(Raw API)和tcp/ip協(xié)議棧通訊

2 Port Lwip to uCos 在這個(gè)項(xiàng)目中我用的硬件平臺(tái)是s3c44b0x+rtl8019.ucos在44b0上的移植在網(wǎng)上有很多大俠非常詳盡的講解和移植代碼.我就不敢羅嗦了.需要說明的一點(diǎn)是lwip會(huì)為每個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接動(dòng)態(tài)分配一些信號(hào)量(semaphone)和消息隊(duì)列(Message Queue),當(dāng)連接斷開時(shí)會(huì)刪掉這些semaphone和Queue.而Ucos-2.0不支持semaphone和Queue的刪除,所以要選擇一些較高版本的ucos.我用的是ucos-2.51. 2.1 Lwip的操作系統(tǒng)封裝層(operating system.emulation layer) Lwip為了適應(yīng)不同的操作系統(tǒng),在代碼中沒有使用和某一個(gè)操作系統(tǒng)相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu).而是在lwip和操作系統(tǒng)之間增加了一個(gè)操作系統(tǒng)封裝層. 操作系統(tǒng)封裝層為操作系統(tǒng)服務(wù)(定時(shí),進(jìn)程同步,消息傳遞)提供了一個(gè)統(tǒng)一的接口.在lwip中進(jìn)程同步使用semaphone和消息傳遞采用”mbox”(其實(shí)在ucos的實(shí)現(xiàn)中我們使用的是Message Queue來實(shí)現(xiàn)lwip中的”mbox”,下面大家可以看到這一點(diǎn)) Operating system emulation layer的原代碼在…/lwip/src/core/sys.c中.而和具體的操作系統(tǒng)相關(guān)的代碼在../lwip/src/arch /sys_arch.c中. 操作系統(tǒng)封裝層的主要函數(shù)如下: void sys_init(void)//系統(tǒng)初始化 sys_thread_t sys_thread_new(void (* function)(void *arg), void *arg,int prio)//創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程 sys_mbox_t sys_mbox_new(void)//創(chuàng)建一個(gè)郵箱 void sys_mbox_free(sys_mbox_t mbox)//釋放并刪除一個(gè)郵箱 void sys_mbox_post(sys_mbox_t mbox, void *data) //發(fā)送一個(gè)消息到郵箱 void sys_mbox_fetch(sys_mbox_t mbox, void **msg)//等待郵箱中的消息 sys_sem_t sys_sem_new(u8_t count)//創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)量 void sys_sem_free(sys_sem_t sem)//釋放并刪除一個(gè)信號(hào)量 void sys_sem_signal(sys_sem_t sem)//發(fā)送一個(gè)信號(hào)量 void sys_sem_wait(sys_sem_t sem)//等待一個(gè)信號(hào)量 void sys_timeout(u32_t msecs, sys_timeout_handler h, void *arg)//設(shè)置一個(gè)超時(shí)事件 void sys_untimeout(sys_timeout_handler h, void *arg)//刪除一個(gè)超時(shí)事件 … 關(guān)于操作系統(tǒng)封裝層的信息可以閱讀lwip的doc目錄下面的sys_arch.txt.文件. 2.2 Lwip在ucos上的移植. 2.2.1 系統(tǒng)初始化 sys_int必須在tcpip協(xié)議棧任務(wù)tcpip_thread創(chuàng)建前被調(diào)用. #define MAX_QUEUES 20 #define MAX_QUEUE_ENTRIES 20 typedef struct { OS_EVENT* pQ;//ucos中指向事件控制塊的指針 void* pvQEntries[MAX_QUEUE_ENTRIES];//消息隊(duì)列 //MAX_QUEUE_ENTRIES消息隊(duì)列中最多消息數(shù) } TQ_DESCR, *PQ_DESCR; typedef PQ_DESCR sys_mbox_t;//可見lwip中的mbox其實(shí)是ucos的消息隊(duì)列 static char pcQueueMemoryPool[MAX_QUEUES * sizeof(TQ_DESCR) ]; void sys_init(void) { u8_t i; s8_t ucErr; pQueueMem = OSMemCreate( (void*)pcQueueMemoryPool, MAX_QUEUES, sizeof(TQ_DESCR), %26;amp;ucErr );//為消息隊(duì)列創(chuàng)建內(nèi)存分區(qū) //init lwip task prio offset curr_prio_offset = 0; //init lwip_timeouts for every lwip task //初始化lwip定時(shí)事件表,具體實(shí)現(xiàn)參考下面章節(jié) for(i=0;i 函數(shù)sys_arch_timeouts返回對(duì)應(yīng)于當(dāng)前任務(wù)的指向定時(shí)事件鏈表的起始指針.該指針存在 lwip_timeouts[MAX_LWIP_TASKS]中. struct sys_timeouts null_timeouts; struct sys_timeouts * sys_arch_timeouts(void) { u8_t curr_prio; s16_t err,offset; OS_TCB curr_task_pcb; null_timeouts.next = NULL; //獲取當(dāng)前任務(wù)的優(yōu)先級(jí) err = OSTaskQuery(OS_PRIO_SELF,%26;amp;curr_task_pcb); curr_prio = curr_task_pcb.OSTCBPrio; offset = curr_prio - LWIP_START_PRIO; //判斷當(dāng)前任務(wù)優(yōu)先級(jí)是不是tcp/ip相關(guān)任務(wù),優(yōu)先級(jí)5-9 if(offset < 0 || offset >= LWIP_TASK_MAX) { return %26;amp;null_timeouts; } return %26;amp;lwip_timeouts[offset]; } 注意:楊曄大俠移植的代碼在本函數(shù)有一個(gè)bug.楊曄大俠的移植把上面函數(shù)中的OS_TCB curr_task_tcb定義成了全局變量,使本函數(shù)成為了一個(gè)不可重入函數(shù).我也是在進(jìn)行如下測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)了這個(gè)bug.我的開發(fā)板上設(shè)置的ip地址是 192.168.1.95.我在windows的dos窗口內(nèi)運(yùn)行 ping 192.168.1.95 –l 2000 –t,不間斷用長(zhǎng)度為2000的數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行ping測(cè)試,同時(shí)使用tftp客戶端軟件給192.168.1.95下載一個(gè)十幾兆程序,同時(shí)再使用 telnet連接192.168.1.95端口7(echo端口),往該端口寫數(shù)測(cè)試echo功能. 在運(yùn)行一段時(shí)間以后,開發(fā)板進(jìn)入不再響應(yīng).我當(dāng)時(shí)也是經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的分析才發(fā)現(xiàn)是因?yàn)樵诘蛢?yōu)先級(jí)任務(wù)運(yùn)行ys_arch_timeouts()時(shí)被高優(yōu)先級(jí)任務(wù)打斷改寫了curr_task_tcb的值,從而使sys_arch_timeouts返回的指針錯(cuò)誤,進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)死鎖.函數(shù) sys_timeout給當(dāng)前任務(wù)增加一個(gè)定時(shí)事件: void sys_timeout(u32_t msecs, sys_timeout_handler h, void *arg) { struct sys_timeouts *timeouts; struct sys_timeout *timeout, *t; timeout = memp_malloc(MEMP_SYS_TIMEOUT);//為定時(shí)事件分配內(nèi)存 if (timeout == NULL) { return; } timeout->next = NULL; timeout->h = h; timeout->arg = arg; timeout->time = msecs; timeouts = sys_arch_timeouts();//返回當(dāng)前任務(wù)定時(shí)事件鏈表起始指針 if (timeouts->next == NULL) {//如果鏈表為空直接增加該定時(shí)事件 timeouts->next = timeout; return; } //如果鏈表不為空,對(duì)定時(shí)事件進(jìn)行排序.注意定時(shí)事件中的time存儲(chǔ)的是本事件 //時(shí)間相對(duì)于前一事件的時(shí)間的差值 if (timeouts->next->time > msecs) { timeouts->next->time -= msecs; timeout->next = timeouts->next; timeouts->next = timeout; } else { for(t = timeouts->next; t != NULL; t = t->next) { timeout->time -= t->time; if (t->next == NULL || t->next->time > timeout->time) { if (t->next != NULL) { t->next->time -= timeout->time; } timeout->next = t->next; t->next = timeout; break; } } } } 函數(shù)sys_untimeout從當(dāng)前任務(wù)定時(shí)事件鏈表中刪除一個(gè)定時(shí)事件 void sys_untimeout(sys_timeout_handler h, void *arg) { struct sys_timeouts *timeouts; struct sys_timeout *prev_t, *t; timeouts = sys_arch_timeouts();//返回當(dāng)前任務(wù)定時(shí)事件鏈表起始指針 if (timeouts->next == NULL)//如果鏈表為空直接返回 { return; } //查找對(duì)應(yīng)定時(shí)事件并從鏈表中刪除. for (t = timeouts->next, prev_t = NULL; t != NULL; prev_t = t, t = t->next) { if ((t->h == h) %26;amp;%26;amp; (t->arg == arg)) { /* We have a match */ /* Unlink from previous in list */ if (prev_t == NULL) timeouts->next = t->next; else prev_t->next = t->next; /* If not the last one, add time of this one back to next */ if (t->next != NULL) t->next->time += t->time; memp_free(MEMP_SYS_TIMEOUT, t); return; } } return; } 2.2.3 “mbox”的實(shí)現(xiàn): (1)mbox的創(chuàng)建 sys_mbox_t sys_mbox_new(void) { u8_t ucErr; PQ_DESCR pQDesc; //從消息隊(duì)列內(nèi)存分區(qū)中得到一個(gè)內(nèi)存塊 pQDesc = OSMemGet( pQueueMem, %26;amp;ucErr ); if( ucErr == OS_NO_ERR ) { //創(chuàng)建一個(gè)消息隊(duì)列 pQDesc->pQ=OSQCreate(%26;amp;(pQDesc->pvQEntries[0]), MAX_QUEUE_ENTRIES ); if( pQDesc->pQ != NULL ) { return pQDesc; } } return SYS_MBOX_NULL; } (2)發(fā)一條消息給”mbox” const void * const pvNullPointer = 0xffffffff; void sys_mbox_post(sys_mbox_t mbox, void *data) { INT8U err; if( !data ) data = (void*)%26;amp;pvNullPointer; err= OSQPost( mbox->pQ, data); } 在ucos中,如果OSQPost (OS_EVENT *pevent, void *msg)中的msg==NULL 會(huì)返回一條OS_ERR_POST_NULL_PTR錯(cuò)誤.而在lwip中會(huì)調(diào)用sys_mbox_post(mbox,NULL)發(fā)送一條空消息,我們?cè)诒竞瘮?shù)中把NULL變成一個(gè)常量指針0xffffffff. (3)從”mbox”中讀取一條消息 #define SYS_ARCH_TIMEOUT 0xffffffff void sys_mbox_fetch(sys_mbox_t mbox, void **msg) { u32_t time; struct sys_timeouts *timeouts; struct sys_timeout *tmptimeout; sys_timeout_handler h; void *arg; again: timeouts = sys_arch_timeouts();////返回當(dāng)前任務(wù)定時(shí)事件鏈表起始指針 if (!timeouts || !timeouts->next) {//如果定時(shí)事件鏈表為空 sys_arch_mbox_fetch(mbox, msg, 0);//無超時(shí)等待消息 } else { if (timeouts->next->time > 0) { //如果超時(shí)事件鏈表不為空,而且第一個(gè)超時(shí)事件的time !=0 //帶超時(shí)等待消息隊(duì)列,超時(shí)時(shí)間等于超時(shí)事件鏈表中第一個(gè)超時(shí)事件的time, time = sys_arch_mbox_fetch(mbox, msg, timeouts->next->time); //在后面分析中可以看到sys_arch_mbox_fetch調(diào)用了ucos中的OSQPend系統(tǒng)調(diào) //用從消息隊(duì)列中讀取消息. //如果”mbox”消息隊(duì)列不為空,任務(wù)立刻返回,否則任務(wù)進(jìn)入阻塞態(tài). //需要重點(diǎn)說明的是sys_arch_mbox_fetch的返回值time:如果sys_arch_mbox_fetch //因?yàn)槌瑫r(shí)返回,time=SYS_ARCH_TIMEOUT, //如果sys_arch_mbox_fetch因?yàn)槭盏较⒍祷? //time = 收到消息時(shí)刻的時(shí)間-執(zhí)行sys_arch_mbox_fetch時(shí)刻的時(shí)間,單位是毫秒 //由于在ucos中任務(wù)調(diào)用OSQPend系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入阻塞態(tài),到收到消息重新開始執(zhí)行 //這段時(shí)間沒有記錄下來,所以我們要簡(jiǎn)單修改ucos的源代碼.(后面我們會(huì)看到). } else { //如果定時(shí)事件鏈表不為空,而且第一個(gè)定時(shí)事件的time ==0,表示該事件的定時(shí) //時(shí)間到 time = SYS_ARCH_TIMEOUT; } if (time == SYS_ARCH_TIMEOUT) { //一個(gè)定時(shí)事件的定時(shí)時(shí)間到 tmptimeout = timeouts->next; timeouts->next = tmptimeout->next; h = tmptimeout->h; arg = tmptimeout->arg; memp_free(MEMP_SYS_TIMEOUT, tmptimeout); //從內(nèi)存中釋放該定時(shí)事件,并執(zhí)行該定時(shí)事件中的函數(shù) if (h != NULL) { h(arg); } //因?yàn)槎〞r(shí)事件中的定時(shí)時(shí)間到或者是因?yàn)閟ys_arch_mbo_fetch超時(shí)到而執(zhí)行到 //這里,返回本函數(shù)開頭重新等待mbox的消息 goto again; } else { //如果sys_arch_mbox_fetch無超時(shí)收到消息返回 //則刷新定時(shí)事件鏈表中定時(shí)事件的time值. if (time <= timeouts->next->time) { timeouts->next->time -= time; } else { timeouts->next->time = 0; } } } } u32_t sys_arch_mbox_fetch(sys_mbox_t mbox, void **data, u32_t timeout) { u32_t ucErr; u16_t ucos_timeout; //在 lwip中 ,timeout的單位是ms // 在ucosII ,timeout 的單位是timer tick ucos_timeout = 0; if(timeout != 0){ ucos_timeout = (timeout )*( OS_TICKS_PER_SEC/1000); if(ucos_timeout < 1) ucos_timeout = 1; else if(ucos_timeout > 65535) ucos_timeout = 65535; } //如果data!=NULL就返回消息指針, if(data != NULL){ *data = OSQPend( mbox->pQ, (u16_t)ucos_timeout, %26;amp;ucErr ); }else{ OSQPend(mbox->pQ,(u16_t)ucos_timeout,%26;amp;ucErr); } //這里修改了ucos中的OSQPend系統(tǒng)調(diào)用, //原來的void *OSQPend (OS_EVENT *pevent, INT16U timeout, INT8U *err) // err的返回值只有兩種:收到消息就返回OS_NO_ERR,超時(shí)則返回OS_TIMEOUT //這里先將err從8位數(shù)據(jù)改變成了16位數(shù)據(jù) OSQPend(*pevent,timeout, INT16U *err) //重新定義了OS_TIMEOUT //在ucos中原有#define OS_TIMEOUT 20 //改為 #define OS_TIMEOUT -1 //err返回值的意義也改變了,如果超時(shí)返回OS_TIMEOUT // 如果收到消息,則返回OSTCBCur->OSTCBDly修改部分代碼如下 //if (msg != (void *)0) { /* Did we get a message? */ // OSTCBCur->OSTCBMsg = (void *)0; // OSTCBCur->OSTCBStat = OS_STAT_RDY; // OSTCBCur->OSTCBEventPtr = (OS_EVENT *)0; // *err = OSTCBCur->OSTCBDly;// zhangzs @2003.12.12 // OS_EXIT_CRITICAL(); // return (msg); /* Return message received */ // } //關(guān)于ucos的OSTBCur->OSTCBDly的含義請(qǐng)查閱ucos的書籍 if( ucErr == OS_TIMEOUT ) { timeout = SYS_ARCH_TIMEOUT; } else { if(*data == (void*)%26;amp;pvNullPointer ) *data = NULL; //單位轉(zhuǎn)換,從ucos tick->ms timeout = (ucos_timeout -ucErr)*(1000/ OS_TICKS_PER_SEC); } return timeout; } semaphone的實(shí)現(xiàn)和mbox類似,這里就不再重復(fù)了. --- function getRandomKey(num) { var Pkey,i,Seed; Pkey = ""; for (i=1;i<=num;i++) { Seed = Math.floor((Math.random() * 10)); Pkey = Pkey + Seed; } return Pkey; } var rkey = getRandomKey(6); function fengfeng() { document.write(" "); } fengfeng();