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。同样简易从官网下载：

　　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：

  1 /*创建一个空的邮箱。*/
  2 err_t sys_mbox_new(sys_mbox_t *mbox, int size)
  3 {
  4   osMessageQDef(QUEUE, size, void *);
  5  
  6   *mbox = osMessageCreate(osMessageQ(QUEUE), NULL);
  7  
  8 #if SYS_STATS
  9       ++lwip_stats.sys.mbox.used;
 10       if (lwip_stats.sys.mbox.max < lwip_stats.sys.mbox.used) {
 11          lwip_stats.sys.mbox.max = lwip_stats.sys.mbox.used;
 12          }
 13 #endif /* SYS_STATS */
 14  if (*mbox == NULL)
 15   return ERR_MEM;
 16  
 17  return ERR_OK;
 18 }
 19  
 20 /*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。*/
 21 void sys_mbox_free(sys_mbox_t *mbox)
 22 {
 23        if( osMessageWaiting(*mbox) )
 24        {
 25               portNOP();
 26 #if SYS_STATS
 27            lwip_stats.sys.mbox.err++;
 28 #endif /* SYS_STATS */
 29        }
 30  
 31        osMessageDelete(*mbox);
 32  
 33 #if SYS_STATS
 34      --lwip_stats.sys.mbox.used;
 35 #endif /* SYS_STATS */
 36 }
 37  
 38 /*发送消息到邮箱*/
 39 void sys_mbox_post(sys_mbox_t *mbox, void *data)
 40 {
 41   while(osMessagePut(*mbox, (uint32_t)data, osWaitForever) != osOK);
 42 }
 43  
 44 /*尝试将消息发送到邮箱*/
 45 err_t sys_mbox_trypost(sys_mbox_t *mbox, void *msg)
 46 {
 47     err_t result;
 48  
 49    if ( osMessagePut(*mbox, (uint32_t)msg, 0) == osOK)
 50    {
 51       result = ERR_OK;
 52    }
 53    else {
 54       result = ERR_MEM;
 55                     
 56 #if SYS_STATS
 57       lwip_stats.sys.mbox.err++;
 58 #endif /* SYS_STATS */
 59                     
 60    }
 61  
 62    return result;
 63 }
 64  
 65 /*阻塞进程从邮箱获取消息*/
 66 u32_t sys_arch_mbox_fetch(sys_mbox_t *mbox, void **msg, u32_t timeout)
 67 {
 68   osEvent event;
 69   uint32_t starttime = osKernelSysTick();;
 70  
 71   if(timeout != 0)
 72   {
 73     event = osMessageGet (*mbox, timeout);
 74    
 75     if(event.status == osEventMessage)
 76     {
 77       *msg = (void *)event.value.v;
 78       return (osKernelSysTick() - starttime);
 79     }
 80     else
 81     {
 82       return SYS_ARCH_TIMEOUT;
 83     }
 84   }
 85   else
 86   {
 87     event = osMessageGet (*mbox, osWaitForever);
 88     *msg = (void *)event.value.v;
 89     return (osKernelSysTick() - starttime);
 90   }
 91 }
 92  
 93 /*尝试从邮箱获取消息*/
 94 u32_t sys_arch_mbox_tryfetch(sys_mbox_t *mbox, void **msg)
 95 {
 96   osEvent event;
 97  
 98   event = osMessageGet (*mbox, 0);
 99  
100   if(event.status == osEventMessage)
101   {
102     *msg = (void *)event.value.v;
103     return ERR_OK;
104   }
105   else
106   {
107     return SYS_MBOX_EMPTY;
108   }
109 }
110  
111 /*判断一个邮箱是否有效*/
112 int sys_mbox_valid(sys_mbox_t *mbox)         
113 {     
114   if (*mbox == SYS_MBOX_NULL)
115     return 0;
116   else
117     return 1;
118 }
119  
120 /*设置一个邮箱无效*/                                             
121 void sys_mbox_set_invalid(sys_mbox_t *mbox)  
122 {                                            
123   *mbox = SYS_MBOX_NULL;                     
124 }                                             
125 
126 //  创建一个新的信号量。而 "count"参数指示该信号量的初始状态
127 err_t sys_sem_new(sys_sem_t *sem, u8_t count)
128 {
129   osSemaphoreDef(SEM);
130  
131   *sem = osSemaphoreCreate (osSemaphore(SEM), 1);
132       
133   if(*sem == NULL)
134   {
135 #if SYS_STATS
136       ++lwip_stats.sys.sem.err;
137 #endif /* SYS_STATS */ 
138               return ERR_MEM;
139   }
140       
141   if(count == 0)  // Means it can't be taken
142   {
143     osSemaphoreWait(*sem,0);
144   }
145  
146 #if SYS_STATS
147        ++lwip_stats.sys.sem.used;
148       if (lwip_stats.sys.sem.max < lwip_stats.sys.sem.used) {
149               lwip_stats.sys.sem.max = lwip_stats.sys.sem.used;
150        }
151 #endif /* SYS_STATS */
152              
153        return ERR_OK;
154 }

　　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：

 1 sys_thread_t sys_thread_new(const char *name, lwip_thread_fn thread , void *arg, int stacksize, int prio)
 2 {
 3   const osThreadDef_t os_thread_def = { (char *)name, (os_pthread)thread, (osPriority)prio, 0, stacksize};
 4   return osThreadCreate(&os_thread_def, arg);
 5 }
 6 osThreadId osThreadCreate (const osThreadDef_t *thread_def, void *argument)
 7 {
 8   TaskHandle_t handle;
 9  
10 #if( configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1 ) &&  ( configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION == 1 )
11   if((thread_def->buffer != NULL) && (thread_def->controlblock != NULL)) {
12     handle = xTaskCreateStatic((TaskFunction_t)thread_def->pthread,(const portCHAR *)thread_def->name,
13               thread_def->stacksize, argument, makeFreeRtosPriority(thread_def->tpriority),
14               thread_def->buffer, thread_def->controlblock);
15   }
16   else {
17     if (xTaskCreate((TaskFunction_t)thread_def->pthread,(const portCHAR *)thread_def->name,
18               thread_def->stacksize, argument, makeFreeRtosPriority(thread_def->tpriority),
19               &handle) != pdPASS)  {
20       return NULL;
21     }
22   }
23 #elif( configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1 )
24  
25     handle = xTaskCreateStatic((TaskFunction_t)thread_def->pthread,(const portCHAR *)thread_def->name,
26               thread_def->stacksize, argument, makeFreeRtosPriority(thread_def->tpriority),
27               thread_def->buffer, thread_def->controlblock);
28 #else
29   if (xTaskCreate((TaskFunction_t)thread_def->pthread,(const portCHAR *)thread_def->name,
30                    thread_def->stacksize, argument, makeFreeRtosPriority(thread_def->tpriority),
31                    &handle) != pdPASS)  {
32     return NULL;
33   }    
34 #endif
35  
36   return handle;
37 }

　　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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