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LwIP应用开发笔记之十:LwIP带操作系统基本移植

作者:互联网

  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

2LwIP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):

  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。

3LwIP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

邮箱指针指向的空值

SYS_SEM_NULL

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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标签:之十,LwIP,操作系统,thread,sys,邮箱,mbox,def,函数
来源: https://www.cnblogs.com/foxclever/p/13461593.html