LwIP应用开发笔记之一：LwIP无操作系统基本移植

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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的无操作系统基本移植
在移植之前，我们需要对源码有一些了解，以及清楚API如何使用，才能进行很好的移植。在源码的文件中有两个文本文件：rawapi.txt和sys_arch.txt。在rawapi.txt文件中，作者说明了怎样使用协议栈的Raw/Callback API进行编程。而在sys_arch.txt文件中，说明了如何移植，规定了移植者需要实现的函数宏定义等。接下来我们就据此来实现移植。

其实，进行无操作系统的移植，所需要做的工作并不多，一是需要定义几个协议在所需要的头文件。二是需要编写网卡的驱动程序，而写驱动程序是主要工作所在。

首先我们说需要定义的头文件。根据sys_arch.txt文件中的要求，我们需要实现cc.h、lwipopts.h和perf.h三个头文件，线描述如下：

cc.h文件主要完成协议栈内部使用的数据类型的定义，以保证平台无关性。
lwipopts.h文件包含了用户对协议栈内核参数进行的配置。
perf.h文件是实现与系统统计和测量相关的功能。
其次要实现网卡的驱动，事实上我们采用STM32F407自带的网卡，以及ST的开发库时，驱动大部分都写好了，我们只需要完成硬件IO部分的配置以及一些必要的参数配置就可以了。

接下来就是实现几个必要的函数，按照LwIP作者给出的模板，需要实现5个函数如下：

low_level_init 调用以太网驱动函数，初始化 STM32F4xx 和 STM32F2x7xx 以太网外设
low_level_output 调用以太网驱动函数以发送以太网包
low_level_input 调用以太网驱动函数以接收以太网包
ethernetif_init 初始化网络接口结构（netif）并调用low_level_init以初始化以太网外设
ethernetif_input 调用low_level_input接收包，然后将其提供给LwIP栈
以上这些函数都实现后，我们需要使协议运转起来，所以我们还需要做两件事，一是对协议及网卡初始化；二是实现对数据的轮询，当然也可使用中断方式，不过在这里我们使用查询方式。

初始化部分，除了初始化默认网络接口的参数外，需要注册2个函数，一是初始化网络接口函数ethernetif_init；一是数据包接收函数ethernet_input。实现如下：

/* LwIP初始化配置 */
void LWIP_Init_Configuration(void)
{ /* IP赋值 */
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;
/* 在无操作系统环境下初始化LwIP协议栈 */
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]);
/* 添加无操作系统的网络接口参数 */
netif_add(&gnetif, &ipaddr, &netmask, &gw, NULL, &ethernetif_init, &ethernet_input);
/* 注册缺省的网络接口 */
netif_set_default(&gnetif);
if (netif_is_link_up(&gnetif))
{
/* 连接正常时，启用网络接口 */
netif_set_up(&gnetif);
}
else
{
/* 连接故障时，停止网络接口 */
netif_set_down(&gnetif);
}
}
初始化完成需要调用ethernetif_input接收数据才能实现通讯，其实现很简单。

/* 以太网轮循处理函数 */
void EthernetProcess(void)
{
ethernetif_input(&gnetif);

/* 无操作系统超时检测 */
sys_check_timeouts();
}
这样每次查询都会检查是否有数据收到，并通过ethernet_input函数发送到协议栈进行处理。其实，可能大家会发现还有一个sys_check_timeouts()函数，它是一个超时检测函数，要求调用一个名为sys_now()的函数来返回系统时钟，而sys_now()函数是我们需要实现的，各个系统复杂程度不同，在这里我们使用了STM32的HAL库，所以实现就很简单了。

4、结论
前面已经完成了无操作系统LwIP的移植，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，说明我们的LwIP在无操作系统情况下移植正常。
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