ucos+lwip应用心得
经过几天调试除掉几个bug以后,ucos+lwip在我的44b0+8019开发板上终于跑得比较稳定了.一只觉得lwip是一个不错的开放源码的tcp/ip 协议栈,想把自己对lwip的移植和理解写出来.但是由于最近比较忙,lwip的移植也是利用业余时间做的,今天写好了第一部分(lwip的 process model)先贴上来,如果大家有兴趣我再接着往下写.另外我的移植参看了skyeye扬晔大侠的代码,大家可以去看看扬晔大侠的lwip在ucos上移植的文章和代码.lwip应用心得
lwIP是瑞士计算机科学院（Swedish Institute of Computer Science）的Adam Dunkels等开发的一套用于嵌入式系统的开放源代码TCP/IP协议栈。Lwip既可以移植到操作系统上,又可以
在无操作系统的情况下独立运行.
LwIP的特性如下：
(1) 支持多网络接口下的IP转发
(2) 支持ICMP协议
(3) 包括实验性扩展的的UDP（用户数据报协议）
(4) 包括阻塞控制，RTT估算和快速恢复和快速转发的TCP（传输控制协议）
(5) 提供专门的内部回调接口（Raw API）用于提高应用程序性能
(6) 可选择的Berkeley接口API（多线程情况下）
(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协议,动态分配ip地址.
现在网上最新的版本是V0.6.4
1.lwip的进程模型(process model)
tcp/ip协议栈的process model一般有几种方式.
1.tcp/ip协议的每一层是一个单独进程.链路层是一个进程,ip层是一个进程,tcp层是一个进程.这样的好处是网络协
议的每一层都非常清晰,代码的调试和理解都非常容易.但是最大的坏处数据跨层传递时会引起上下文切换(context switch).
对于接收一个TCP segment要引起3次context switch(从网卡驱动程序到链路层进程,从链路层进程到ip层进程,从ip层进程
到TCP进程).通常对于操作系统来说,任务切换是要浪费时间的.过频的context swich是不可取的.
2.另外一种方式是TCP/IP协议栈在操作系统内核当中.应用程序通过操作系统的系统调用(system call)和协议栈来进行通讯.
这样TCP/IP的协议栈就限定于特定的操作系统内核了.如windows就是这种方式.
3.lwip的process model:所有tcp/ip协议栈都在一个进程当中,这样tcp/ip协议栈就和操作系统内核分开了.而应用层程序既可以
是单独的进程也可以驻留在tcp/ip进程中.如果应用程序是单独的进程可以通过操作系统的邮箱,消息队列等和tcp/ip进程进行通讯.
如果应用层程序驻留tcp/ip进程中,那应用层程序就利用内部回调函数口(Raw API)和tcp/ip协议栈通讯.对于ucos来说进程就是一个系统任务.lwip的process model请参看下图.在图中可以看到整个tcp/ip协议栈都在同一个任务(tcpip_thread)中.应用层程序既可以是独立的任务(如图中的tftp_thread,tcpecho_thread),也可以在tcpip_thread中(如图左上角)中利用内部回调函数口(Raw API)和tcp/ip协议栈通讯
2 Port Lwip to uCos
在这个项目中我用的硬件平台是s3c44b0x+rtl8019.ucos在44b0上的移植在网上有很多大侠非常详尽的讲解和移植代码.我就不敢罗嗦了.需要说明的一点是lwip会为每个网络连接动态分配一些信号量(semaphone)和消息队列(Message Queue),当连接断开时会删掉这些semaphone和Queue.而Ucos-2.0不支持semaphone和Queue的删除,所以要选择一些较高版本的ucos.我用的是ucos-2.51.
2.1 Lwip的操作系统封装层(operating system.emulation layer)
Lwip为了适应不同的操作系统,在代码中没有使用和某一个操作系统相关的系统调用和数据结构.而是在lwip和操作系统之间增加了一个操作系统封装层.操作系统封装层为操作系统服务(定时,进程同步,消息传递)提供了一个统一的接口.在lwip中进程同步使用semaphone和消息传递采用”mbox”(其实在ucos的实现中我们使用的是Message Queue来实现lwip中的”mbox”,下面大家可以看到这一点)
Operating system emulation layer的原代码在…/lwip/src/core/sys.c中.而和具体的操作系统相关的代码在../lwip/src/arch/sys_arch.c中.
操作系统封装层的主要函数如下:
void sys_init(void)//系统初始化
sys_thread_t sys_thread_new(void (* function)(void *arg), void *arg,int prio)//创建一个新进程
sys_mbox_t sys_mbox_new(void)//创建一个邮箱
void sys_mbox_free(sys_mbox_t mbox)//释放并删除一个邮箱
void sys_mbox_post(sys_mbox_t mbox, void *data) //发送一个消息到邮箱
void sys_mbox_fetch(sys_mbox_t mbox, void **msg)//等待邮箱中的消息
sys_sem_t sys_sem_new(u8_t count)//创建一个信号量
void sys_sem_free(sys_sem_t sem)//释放并删除一个信号量
void sys_sem_signal(sys_sem_t sem)//发送一个信号量
void sys_sem_wait(sys_sem_t sem)//等待一个信号量
void sys_timeout(u32_t msecs, sys_timeout_handler h, void *arg)//设置一个超时事件
void sys_untimeout(sys_timeout_handler h, void *arg)//删除一个超时事件
…
关于操作系统封装层的信息可以阅读lwip的doc目录下面的sys_arch.txt.文件.
2.2 Lwip在ucos上的移植.
2.2.1 系统初始化
sys_int必须在tcpip协议栈任务tcpip_thread创建前被调用.
#define MAX_QUEUES 20
#define MAX_QUEUE_ENTRIES 20
typedef struct {
OS_EVENT* pQ;//ucos中指向事件控制块的指针
void* pvQEntries[MAX_QUEUE_ENTRIES];//消息队列
//MAX_QUEUE_ENTRIES消息队列中最多消息数
} TQ_DESCR, *PQ_DESCR;
typedef PQ_DESCR sys_mbox_t;//可见lwip中的mbox其实是ucos的消息队列
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), &ucErr );//为消息队列创建内存分区
//init lwip task prio offset
curr_prio_offset = 0;
//init lwip_timeouts for every lwip task
//初始化lwip定时事件表,具体实现参考下面章节
for(i=0;i<LWIP_TASK_MAX;i++){
lwip_timeouts[i].next = NULL;
}
}
2.2.2 创建一个和tcp/ip相关新进程:
lwip中的进程就是ucos中的任务,创建一个新进程的代码如下:
#define LWIP_STK_SIZE 10*1024//和tcp/ip相关任务的堆栈大小.可以根据情况自
//己设置,44b0开发板上有8M的sdram,所以设大
//一点也没有关系:)
//max number of lwip tasks
#define LWIP_TASK_MAX 5 //和tcp/ip相关的任务最多数目
//first prio of lwip tasks
#define LWIP_START_PRIO 5 //和tcp/ip相关任务的起始优先级,在本例中优先级可
//以从(5-9).注意tcpip_thread在所有tcp/ip相关进程中//应该是优先级最高的.在本例中就是优先级5
//如果用户需要创建和tcp/ip无关任务,如uart任务等,
//不要使用5-9的优先级
OS_STK LWIP_TASK_STK[LWIP_TASK_MAX][LWIP_STK_SIZE];//和tcp/ip相关进程
//的堆栈区
u8_t curr_prio_offset
sys_thread_t sys_thread_new(void (* function)(void *arg), void *arg,int prio)
{
if(curr_prio_offset < LWIP_TASK_MAX){
OSTaskCreate(function,(void*)0x1111, &LWIP_TASK_STK[curr_prio_offset][LWIP_STK_SIZE-1],
LWIP_START_PRIO+curr_prio_offset );
curr_prio_offset++;
return 1;
} else {
// PRINT(" lwip task prio out of range ! error! ");
}
}
从代码中可以看出tcpip_thread应该是最先创建的.
2.2.3 Lwip中的定时事件
在tcp/ip协议中很多时候都要用到定时,定时的实现也是tcp/ip协议栈中一个重要的部分.lwip中定时事件的数据结构如下.
struct sys_timeout {
struct sys_timeout *next;//指向下一个定时结构
u32_t time;//定时时间
sys_timeout_handler h;//定时时间到后执行的函数
void *arg;//定时时间到后执行函数的参数.
};
struct sys_timeouts {
struct sys_timeout *next;
};
struct sys_timeouts lwip_timeouts[LWIP_TASK_MAX];
Lwip中的定时事件表的结构如下图,每个和tcp/ip相关的任务的一系列定时事件组成一个单向链表.每个链表的起始指针存在lwip_timeouts的对应表项中.
函数sys_arch_timeouts返回对应于当前任务的指向定时事件链表的起始指针.该指针存在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;
//获取当前任务的优先级
err = OSTaskQuery(OS_PRIO_SELF,&curr_task_pcb);
curr_prio = curr_task_pcb.OSTCBPrio;
offset = curr_prio - LWIP_START_PRIO;
//判断当前任务优先级是不是tcp/ip相关任务,优先级5-9
if(offset < 0 || offset >= LWIP_TASK_MAX)
{
return &null_timeouts;
}
return &lwip_timeouts[offset];
}
注意:杨晔大侠移植的代码在本函数有一个bug.杨晔大侠的移植把上面函数中的OS_TCB curr_task_tcb定义成了全局变量,使本函数成为了一个不可重入函数.我也是在进行如下测试时发现了这个bug.我的开发板上设置的ip地址是192.168.1.95.我在windows的dos窗口内运行
ping 192.168.1.95
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