LwIP協(xié)議棧在uCOS II下的實(shí)現(xiàn)

1、概述：
    LwIP協(xié)議棧在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到了將來(lái)的移植問(wèn)題，因此把所有與硬件、OS、編譯器相關(guān)的部份獨(dú)立出來(lái)，放在ucosii&LwIPsource etlwiparch目錄下。因此LwIP在uCOS II上的實(shí)現(xiàn)就是修改這個(gè)目錄下的文件，其它的文件一般不應(yīng)該修改。下面分幾部份分別說(shuō)明相應(yīng)文件的實(shí)現(xiàn)原理和過(guò)程。

2、與CPU或編譯器相關(guān)的include文件：
ucosii&LwIPsource etlwiparchucosIIincludearch目錄下cc.h、cpu.h、perf.h中有一些與CPU或編譯器相關(guān)的定義，如數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，字的高低位順序等。這應(yīng)該與用戶實(shí)現(xiàn)µC/OS II時(shí)定義的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等參數(shù)是一致的。
#define BYTE_ORDER LITTLE_ENDIAN  //C33209默認(rèn)為小端存儲(chǔ)系統(tǒng)
//數(shù)據(jù)類型長(zhǎng)度的定義
typedef unsigned char   u8_t;
typedef signed char     s8_t;
typedef unsigned short  u16_t;
typedef signed short    s16_t;
typedef unsigned int    u32_t;
typedef signed int      s32_t;
此外還有一點(diǎn)：一般情況下C語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)體struct是4字節(jié)對(duì)齊的，但是在處理數(shù)據(jù)包的時(shí)候，LwIP使用的是通過(guò)結(jié)構(gòu)體中不同數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度來(lái)讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)的，所以，一定要在定義struct的時(shí)候使用_packed關(guān)鍵字，讓編譯器放棄struct的字節(jié)對(duì)齊。LwIP也考慮到了這個(gè)問(wèn)題，所以，在它的結(jié)構(gòu)體定義中有幾個(gè)PACKED_FIELD_xxx宏，默認(rèn)的時(shí)候這幾個(gè)宏都是空的，可以在移植的時(shí)候添加不同的編譯器所對(duì)應(yīng)的_packed關(guān)鍵字。比如在Skyeye（C33209）上對(duì)應(yīng)gcc編譯器的定義：
#define PACK_STRUCT_FIELD(x) x __attribute__((packed))
#define PACK_STRUCT_STRUCT __attribute__((packed))
#define PACK_STRUCT_BEGIN
#define PACK_STRUCT_END

3、sys_arch操作系統(tǒng)相關(guān)部份：
    sys_arch.[ch]中的內(nèi)容是與OS相關(guān)的一些結(jié)構(gòu)和函數(shù)，主要可以分為四個(gè)部份：
(1)    sys_sem_t 信號(hào)量
LwIP中需要使用信號(hào)量通信，所以在sys_arch中應(yīng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)量結(jié)構(gòu)體和處理函數(shù)：
struct  sys_sem_t
    sys_sem_new（）            //創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)量結(jié)構(gòu)
    sys_ sem _free（）            //釋放一個(gè)信號(hào)量結(jié)構(gòu)
    sys_ sem _signal（）        //發(fā)送信號(hào)量
    sys_ arch_sem _wait（）    //請(qǐng)求信號(hào)量
由于µC/OSII已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)量OS_EVENT的各種操作，并且功能和LwIP上面幾個(gè)函數(shù)的目的功能是完全一樣的，所以只要把µC/OSII的函數(shù)重新包裝成上面的函數(shù)，就可以直接使用了。
(2)    sys_mbox_t 消息
LwIP使用消息隊(duì)列來(lái)緩沖、傳遞數(shù)據(jù)報(bào)文，因此要在sys_arch中實(shí)現(xiàn)消息隊(duì)列結(jié)構(gòu)sys_mbox_t，以及相應(yīng)的操作函數(shù)：
sys_mbox_new（）          //創(chuàng)建一個(gè)消息隊(duì)列
sys_mbox_free（）          //釋放一個(gè)消息隊(duì)列
sys_mbox_post（）          //向消息隊(duì)列發(fā)送消息
sys_arch_mbox_fetch（）      //從消息隊(duì)列中獲取消息
µC/OSII同樣實(shí)現(xiàn)了消息隊(duì)列結(jié)構(gòu)OSQ及其操作，但是µC/OS-II沒(méi)有對(duì)消息隊(duì)列中的消息進(jìn)行管理，因此不能直接使用，必須在µC/OS-II的基礎(chǔ)上重新實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)消息的管理，我們定義了以下結(jié)構(gòu)：
typedef struct {
        OS_EVENT*   pQ;
        void* pvQEntries[MAX_QUEUE_ENTRIES];
} sys_mbox_t；
在以上結(jié)構(gòu)中，包括OS_EVENT類型的隊(duì)列指針（pQ）和隊(duì)列內(nèi)的消息（pvQEntries）兩部分，對(duì)隊(duì)列本身的管理利用µC/OS-II自己的OSQ操作完成，然后使用µC/OS-II中的內(nèi)存管理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)消息的創(chuàng)建、使用、刪除回收，兩部分綜合起來(lái)形成了LwIP的消息隊(duì)列功能。
(3)    sys_arch_timeout 函數(shù)
LwIP中每個(gè)與外界網(wǎng)絡(luò)連接的線程都有自己的timeout屬性，即等待超時(shí)時(shí)間。這個(gè)屬性表現(xiàn)為每個(gè)線程都對(duì)應(yīng)一個(gè)sys_timeout結(jié)構(gòu)體隊(duì)列，包括這個(gè)線程的timeout時(shí)間長(zhǎng)度，以及超時(shí)后應(yīng)調(diào)用的timeout函數(shù)，該函數(shù)會(huì)做一些釋放連接，回收資源的工作。如果一個(gè)線程對(duì)應(yīng)的sys_timeout為空（NULL），說(shuō)明該線程對(duì)連接做永久的等待。
timeout結(jié)構(gòu)體已經(jīng)由LwIP自己在sys.h中定義好了，而且對(duì)結(jié)構(gòu)體隊(duì)列的數(shù)據(jù)操作也由LwIP負(fù)責(zé)，我們所要實(shí)現(xiàn)的是如下函數(shù)：
struct sys_timeouts * sys_arch_timeouts(void)
這個(gè)函數(shù)的功能是返回目前正處于運(yùn)行態(tài)的線程所對(duì)應(yīng)的timeout隊(duì)列指針。timeout隊(duì)列屬于線程的屬性，因此是OS相關(guān)的函數(shù)，只能由用戶實(shí)現(xiàn)。
(4)    sys_thread_new 創(chuàng)建新線程
LwIP可以是單線程運(yùn)行，即只有一個(gè)tcpip線程（tcpip_thread），負(fù)責(zé)處理所有的tcp/ucp連接，各種網(wǎng)絡(luò)程序都通過(guò)tcpip線程與網(wǎng)絡(luò)交互。但LwIP也可以多線程運(yùn)行，以提高效率，降低編程復(fù)雜度。這時(shí)就需要用戶實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建新線程的函數(shù)：
void sys_thread_new(void (* thread)(void *arg), void *arg);
在µC/OS II中，沒(méi)有線程（thread）的概念，只有任務(wù)（Task）。它已經(jīng)提供了創(chuàng)建新任務(wù)的系統(tǒng)API調(diào)用OSTaskCreate，因此只要把OSTaskCreate封裝一下，就可以實(shí)現(xiàn)sys_thread_new。需要注意的是LwIP中的thread并沒(méi)有µC/OS II中優(yōu)先級(jí)的概念，實(shí)現(xiàn)時(shí)要由用戶事先為L(zhǎng)wIP中創(chuàng)建的線程分配好優(yōu)先級(jí)。

4、lib_arch中庫(kù)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)：
    LwIP協(xié)議棧中用到了8個(gè)外部函數(shù)，這些函數(shù)通常與用戶使用的系統(tǒng)或編譯器有關(guān)，因此留給用戶自己實(shí)現(xiàn)。如下：
u16_t htons(u16_t n);     //16位數(shù)據(jù)高低字節(jié)交換
u16_t ntohs(u16_t n);
u32_t htonl(u32_t n);      //32位數(shù)據(jù)大小頭對(duì)調(diào)
u32_t ntohl(u32_t n);
int strlen(const char *str);    //返回字符串長(zhǎng)度
int strncmp(const char *str1, const char *str2, int len);  //字符串比較
void bcopy(const void *src, void *dest, int len);    //內(nèi)存數(shù)據(jù)塊之間的互相拷貝
void bzero(void *data, int n);        //內(nèi)存中指定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)塊清零
    前四個(gè)函數(shù)通常由用戶自己實(shí)現(xiàn)。在我的系統(tǒng)中，由于使用了gcc編譯器，gcc的lib庫(kù)里已經(jīng)有了兩個(gè)字符串操作函數(shù)。若用戶的編譯器的庫(kù)中沒(méi)有這些函數(shù)，需要自己編寫。

5、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序：
    在我的系統(tǒng)中使用的網(wǎng)絡(luò)芯片為RealTek的8019as芯片，這是ISA 10BASE－T的以太網(wǎng)芯片，與Ne2k兼容。所以目前實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)是針對(duì)Ne2k的，其它類型的網(wǎng)絡(luò)芯片驅(qū)動(dòng)可以在LwIP的網(wǎng)站上找到。LwIP的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)有一定的模型，ucosii&LwIPsource etlwiparchucosII etif 中的ne2kif.c文件即為驅(qū)動(dòng)的模板，用戶為自己的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)時(shí)應(yīng)參照此模板。
    在LwIP中可以有多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口都對(duì)應(yīng)了一個(gè)struct netif，這個(gè)ne2kif包含了相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口的屬性、收發(fā)函數(shù)。LwIP調(diào)用ne2kif的方法netif->input()及netif->output()進(jìn)行以太網(wǎng)packet的收、發(fā)等操作。在驅(qū)動(dòng)中主要做的，就是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口的收、發(fā)、初始化以及中斷處理函數(shù)。驅(qū)動(dòng)程序工作在IP協(xié)議模型的網(wǎng)絡(luò)接口層，它提供給上層（IP層）的接口函數(shù)如下：
//網(wǎng)卡初始化函數(shù)
void low_level_init (struct netif *netif)
//網(wǎng)卡接收函數(shù)，從網(wǎng)絡(luò)接口接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包并把其中的IP報(bào)文向IP層發(fā)送
//在中斷方式下由網(wǎng)卡ISR調(diào)用
void ne2k_recv_packet (struct netif *netif)
//網(wǎng)卡發(fā)送函數(shù)，給IP層傳過(guò)來(lái)的IP報(bào)文加上以太網(wǎng)包頭并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送
err_t ne2k_send_packet (struct netif *netif, struct pbuf *p, struct ip_addr *ipaddr)
//網(wǎng)卡中斷處理函數(shù)ISR
void ne2k_isr (void);
    以上的函數(shù)都可以分為協(xié)議棧本身的處理和對(duì)網(wǎng)絡(luò)接口硬件的操作兩部份，但硬件操作是對(duì)上層屏蔽的，具體參見(jiàn)RTL8019as、DM9008等Ne2k網(wǎng)絡(luò)芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)。驅(qū)動(dòng)程序可以到LwIP的網(wǎng)站下載。[!--empirenews.page--]

6、應(yīng)用實(shí)例的建立和測(cè)試
    做完上面的移植修改工作以后，就可以在uCOS II中初始化LwIP，并創(chuàng)建TCP或UDP任務(wù)進(jìn)行測(cè)試了。這部份完全是C語(yǔ)言的實(shí)現(xiàn)，因此這部份在ez80和ARM7上基本都是一樣的。值得注意的是LwIP的初始化必須在uCOS II完全啟動(dòng)之后也就是在任務(wù)中進(jìn)行，因?yàn)樗某跏蓟玫搅诵盘?hào)量等OS相關(guān)的操作。關(guān)鍵部份的代碼和說(shuō)明如下：
void start_kernel(void)
{
    int     LineNo10 = 0;
    int     LineNo11 = 1;
    int     LineNo12 = 2;
    int     LineNo13 = 3;
    int     LineNo14 = 4;

    OSInit();
    OSTaskCreate(lwip_init_task, &LineNo10, &lwip_init_stk[TASK_STK_SIZE-1], 0);
    OSTaskCreate(usr_task,&LineNo14,&usr_stk[TASK_STK_SIZE-1],20);
    vRTCStart();
    OSStart();
    /* NEVER EXECUTED */
    while(1);
}
主程序中創(chuàng)建了lwip_init_task初始化LwIP任務(wù)（優(yōu)先級(jí)0）和usr_task用戶任務(wù)（優(yōu)先級(jí)20）。lwip_init_task任務(wù)中除了初始化硬件時(shí)鐘和LwIP之外，還創(chuàng)建了tcpip_thread（優(yōu)先級(jí)5）和tcpecho_thread（優(yōu)先級(jí)6）。實(shí)際上tcpip_thread才是LwIP的主線程，多線程的Berkley API也是基于這個(gè)線程實(shí)現(xiàn)的，即上面的tcpecho_thread線程也要依靠tcpip_thread線程來(lái)與外界通信，這樣做的好處是編程簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)清晰。
實(shí)用Berkley API實(shí)現(xiàn)的tcpecho_thread是一個(gè)TCP echo服務(wù)器，監(jiān)聽(tīng)7號(hào)端口，程序框架如下：
void tcpecho_thread(void *arg){
conn = netconn_new(NETCONN_TCP);  //創(chuàng)建新的連接標(biāo)識(shí)
netconn_bind(conn, NULL, 7);        //綁定到7號(hào)端口
netconn_listen(conn);                //開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)端口
  while(1){
    newconn = netconn_accept(conn);        //接收外部到來(lái)的連接
    buf = netconn_recv(newconn)        //獲取數(shù)據(jù)
    …….                            //處理數(shù)據(jù)
    netconn_write(newconn, data, len, NETCONN_COPY); //發(fā)送數(shù)據(jù)
    netconn_delete(newconn);            //釋放本次連接
}
    }
    編譯運(yùn)行后，用ping ip地址命令可以得到ICMP reply響應(yīng)。用telnet ip地址 7（登錄7號(hào)端口）命令可以看到echo server的回顯效果。說(shuō)明ARP、ICMP、IP、TCP協(xié)議都已正確運(yùn)行。