LwIP應用開發筆記之一：LwIP無操作系統基本移植

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、技術準備

我們採用的開發平臺是STM32F407和LwIP協議棧。在開始之前，我們需要做必要的準備工作。

首先要獲得LwIP的源碼，在網上有很多，不同版本及不同平臺的都有，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，需要硬件平臺，我們採用了STM32F407ZG+DM9161的網絡接口方式，這並不是必須的，其他硬件平臺也是一樣的。

最後，因爲我們後面要在操作系統下移植，採用的操作系統是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：爲原始的 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複雜性。
•  Netconn API：爲高層有序 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，後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的無操作系統基本移植

在移植之前，我們需要對源碼有一些瞭解，以及清楚API如何使用，才能進行很好的移植。在源碼的文件中有兩個文本文件：rawapi.txt和sys_arch.txt。在rawapi.txt文件中，作者說明了怎樣使用協議棧的Raw/Callback API進行編程。而在sys_arch.txt文件中，說明了如何移植，規定了移植者需要實現的函數宏定義等。接下來我們就據此來實現移植。

其實，進行無操作系統的移植，所需要做的工作並不多，一是需要定義幾個協議在所需要的頭文件。二是需要編寫網卡的驅動程序，而寫驅動程序是主要工作所在。

首先我們說需要定義的頭文件。根據sys_arch.txt文件中的要求，我們需要實現cc.h、lwipopts.h和perf.h三個頭文件，線描述如下：

• cc.h文件主要完成協議棧內部使用的數據類型的定義，以保證平臺無關性。
• lwipopts.h文件包含了用戶對協議棧內核參數進行的配置。
• perf.h文件是實現與系統統計和測量相關的功能。

其次要實現網卡的驅動，事實上我們採用STM32F407自帶的網卡，以及ST的開發庫時，驅動大部分都寫好了，我們只需要完成硬件IO部分的配置以及一些必要的參數配置就可以了。

接下來就是實現幾個必要的函數，按照LwIP作者給出的模板，需要實現5個函數如下：

• low_level_init 調用以太網驅動函數，初始化 STM32F4xx 和 STM32F2x7xx 以太網外設
• low_level_output 調用以太網驅動函數以發送以太網包
• low_level_input 調用以太網驅動函數以接收以太網包
• ethernetif_init 初始化網絡接口結構 （netif）並調用low_level_init以初始化以太網外設
• ethernetif_input 調用low_level_input接收包，然後將其提供給LwIP棧

以上這些函數都實現後，我們需要使協議運轉起來，所以我們還需要做兩件事，一是對協議及網卡初始化；二是實現對數據的輪詢，當然也可使用中斷方式，不過在這裏我們使用查詢方式。

初始化部分，除了初始化默認網絡接口的參數外，需要註冊2個函數，一是初始化網絡接口函數ethernetif_init；一是數據包接收函數ethernet_input。實現如下：

/* LwIP初始化配置 */
void LWIP_Init_Configuration(void)
{  /* IP賦值 */
  IP_ADDRESS[0] = 192;
  IP_ADDRESS[1] = 168;
  IP_ADDRESS[2] = 2;
  IP_ADDRESS[3] = 110;
  NETMASK_ADDRESS[0] = 255;
  NETMASK_ADDRESS[1] = 255;
  NETMASK_ADDRESS[2] = 255;
  NETMASK_ADDRESS[3] = 0;
  GATEWAY_ADDRESS[0] = 192;
  GATEWAY_ADDRESS[1] = 168;
  GATEWAY_ADDRESS[2] = 2;
  GATEWAY_ADDRESS[3] = 1;
    /* 在無操作系統環境下初始化LwIP協議棧 */
  lwip_init();
  /* 固定IP地址初始化(IPv4) */
  IP4_ADDR(&ipaddr, IP_ADDRESS[0], IP_ADDRESS[1], IP_ADDRESS[2], IP_ADDRESS[3]);
  IP4_ADDR(&netmask, NETMASK_ADDRESS[0], NETMASK_ADDRESS[1] , NETMASK_ADDRESS[2], NETMASK_ADDRESS[3]);
  IP4_ADDR(&gw, GATEWAY_ADDRESS[0], GATEWAY_ADDRESS[1], GATEWAY_ADDRESS[2], GATEWAY_ADDRESS[3]);
  /* 添加無操作系統的網絡接口參數 */
  netif_add(&gnetif, &ipaddr, &netmask, &gw, NULL, &ethernetif_init, &ethernet_input);
  /* 註冊缺省的網絡接口 */
  netif_set_default(&gnetif);
  if (netif_is_link_up(&gnetif))
  {
    /* 連接正常時，啓用網絡接口 */
    netif_set_up(&gnetif);
  }
  else
  {
    /* 連接故障時，停止網絡接口 */
    netif_set_down(&gnetif);
  }
}

初始化完成需要調用ethernetif_input接收數據才能實現通訊，其實現很簡單。
 

/* 以太網輪循處理函數 */
void EthernetProcess(void)
{
  ethernetif_input(&gnetif);

  /* 無操作系統超時檢測 */
  sys_check_timeouts();
}

這樣每次查詢都會檢查是否有數據收到，並通過ethernet_input函數發送到協議棧進行處理。其實，可能大家會發現還有一個sys_check_timeouts()函數，它是一個超時檢測函數，要求調用一個名爲sys_now()的函數來返回系統時鐘，而sys_now()函數是我們需要實現的，各個系統複雜程度不同，在這裏我們使用了STM32的HAL庫，所以實現就很簡單了。

4、結論

前面已經完成了無操作系統LwIP的移植，那怎麼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。接下來我們採用ping命令測試網絡鏈接：

上圖顯示網絡連接正常，說明我們的LwIP在無操作系統情況下移植正常。

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