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lwip分析
lwip分析
2008年05月08日星期四17:
11
lwIP是瑞士计算机科学院(SwedishInstituteofComputerScience)的AdamDunkels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(RawAPI)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IPfragment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V1.3.0
1.lwip的进程模型(processmodel)
tcp/ip协议栈的processmodel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(contextswitch).
对于接收一个TCPsegment要引起3次contextswitch(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contextswich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(systemcall)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processmodel:
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(RawAPI)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processmodel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(RawAPI)和tcp/ip协议栈通讯
2.1Lwip的操作系统封装层(operatingsystem.emulationlayer)
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MessageQueue来实现lwip中的”mbox”,下面大家可以看到这一点)
Operatingsystememulationlayer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:
voidsys_init(void)//系统初始化
sys_thread_tsys_thread_new(void(*function)(void*arg),void*arg,intprio)//创建一个新进程
sys_mbox_tsys_mbox_new(void)//创建一个邮箱
void sys_mbox_free(sys_mbox_tmbox)//释放并删除一个邮箱
void sys_mbox_post(sys_mbox_tmbox,void*data)//发送一个消息到邮箱
voidsys_mbox_fetch(sys_mbox_tmbox,void**msg)//等待邮箱中的消息
sys_sem_tsys_sem_new(u8_tcount)//创建一个信号量
voidsys_sem_free(sys_sem_tsem)//释放并删除一个信号量
voidsys_sem_signal(sys_sem_tsem)//发送一个信号量
voidsys_sem_wait(sys_sem_tsem)//等待一个信号量
voidsys_timeout(u32_tmsecs,sys_timeout_handlerh,void*arg)//设置一个超时事件
voidsys_untimeout(sys_timeout_handlerh,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
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.
#defineMAX_QUEUES 20
#defineMAX_QUEUE_ENTRIES 20
typedefstruct{
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;
typedefPQ_DESCR sys_mbox_t;//可见lwip中的mbox其实是ucos的消息队列
staticcharpcQueueMemoryPool[MAX_QUEUES*sizeof(TQ_DESCR)];
voidsys_init(void)
{
u8_ti;
s8_t ucErr;
pQueueMem=OSMemCreate((void*)pcQueueMemoryPool,MAX_QUEUES,sizeof(TQ_DESCR),&ucErr);//为消息队列创建内存分区
//initlwiptaskpriooffset
curr_prio_offset=0;
//initlwip_timeoutsforeverylwiptask
//初始化lwip定时事件表,具体实现参考下面章节
for(i=0;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: #defineLWIP_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: ) //maxnumberoflwiptasks #defineLWIP_TASK_MAX 5//和tcp/ip相关的任务最多数目 //firstpriooflwiptasks #defineLWIP_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_STKLWIP_TASK_STK[LWIP_TASK_MAX][LWIP_STK_SIZE];//和tcp/ip相关进程 //的堆栈区 u8_tcurr_prio_offset; sys_thread_tsys_thread_new(void(*function)(void*arg),void*arg,intprio) { if(curr_prio_offset OSTaskCreate(function,(void*)0x1111,&LWIP_TASK_STK[curr_prio_offset][LWIP_STK_SIZE-1], LWIP_START_PRIO+curr_prio_offset); curr_prio_offset++; return1; }else{ //PRINT("lwiptaskpriooutofrange! error! "); } } 从代码中可以看出tcpip_thread应该是最先创建的. 2.2.3Lwip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. structsys_timeout{ structsys_timeout*next;//指向下一个定时结构 u32_ttime;//定时时间 sys_timeout_handlerh;//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. }; structsys_timeouts{ structsys_timeout*next; }; structsys_timeoutslwip_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. structsys_timeoutsnull_timeouts; structsys_timeouts*sys_arch_timeouts(void) { u8_tcurr_prio; s16_terr,offset; OS_TCBcurr_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]; } 函数sys_timeout给当前任务增加一个定时事件: voidsys_timeout(u32_tmsecs,sys_timeout_handlerh,void*arg) { structsys_timeouts*timeouts; structsys_timeout*timeout,*t; timeout=memp_malloc(MEMP_SYS_TIMEOUT);//为定时事件分配内存 if(timeout==NULL){ return; } timeout->next=NULL; timeout->h=h; timeout->arg=arg; timeout->time=msecs; timeouts=sys_arch_timeouts();//返回当前任务定时事件链表起始指针 if(timeouts->next==NULL){//如果链表为空直接增加该定时事件 timeouts->next=timeout; return; } //如果链表不为空,对定时事件进行排序.注意定时事件中的time存储的是本事件 //时间相对于前一事件的时间的差值 if(timeouts->next->time>msecs){ timeouts->next->time-=msecs; timeout->next=timeouts->next; timeouts->next=timeout; }else{ for(t=timeouts->next;t! =NULL;t=t->next){ timeout->time-=t->time; if(t->next==NULL|| t->next->time>timeout->time){ if(t->next! =NULL){ t->next->time-=timeout->time; } timeout->next=t->next; t->next=timeout; break; } } } } 函数sys_untimeout从当前任务定时事件链表中删除一个定时事件 voidsys_untimeout(sys_timeout_handlerh,void*arg) { structsys_timeouts*timeouts; structsys_timeout*prev_t,*t; timeouts=sys_arch_timeouts();//返回当前任务定时事件链表起始指针 if(timeouts->next==NULL)//如果链表为空直接返回 { return; } //查找对应定时事件并从链表中删除. for(t=timeouts->next,prev_t=NULL;t! =NULL;prev_t=t,t=t->next) { if((t->h==h)&&(t->arg==arg)) { /*Wehaveamatch*/ /*Unlinkfrompreviousinlist*/ if(prev_t==NULL) timeouts->next=t->next; else prev_t->next=t->next; /*Ifnotthelastone,addtimeofthisonebacktonext*/ if(t->next! =NULL) t->next->time+=t->time; memp_free(MEMP_SYS_TIMEOUT,t); return; } } return; } 2.2.3 “mbox”的实现: (1)mbox的创建 sys_mbox_tsys_mbox_new(void) { u8_t ucErr; PQ_DESCR pQDesc; //从消息队列内存分区中得到一个内存块 pQDesc=OSMemGet(pQueueMem,&ucErr); if(ucErr==OS_NO_ERR){ //创建一个消息队列 pQDesc->pQ=OSQCreate(&(pQDesc->pvQEntries[0]),MAX_QUEUE_ENTRIES); if(pQDesc->pQ! =NULL){ returnpQDesc; } } returnSYS_MBOX_NULL; } (2)发一条消息给”mbox” constvoid*constpvNullPointer=0xffffffff; voidsys_mbox_post(sys_mbox_tmbox,void*data) { INT8Uerr; if(! data) data=(void*)&pvNullPointer; err=OSQPost(mbox->pQ,data); } 在ucos中,如果OSQPost(OS_EVENT*pevent,void*msg)中的msg==NULL会返回一条OS_ERR_POST_NULL_PTR错误.而在lwip中会调用sys_mbox_post(mbox,NULL)发送一条空消息,我们在本函数中把NULL变成一个常量指针0xffffffff. (3)从”mbox”中读取一条消息 #defineSYS_ARCH_TIMEOUT0xffffffff voidsys_mbox_fetch(sys_mbox_tmbox,void**msg) { u32_ttime; structsys_timeouts*timeouts; structsys_timeout*tmptimeout; sys_timeout_handlerh; void*arg; again: timeouts=sys_arch_timeouts();////返回当前任务定时事件链表起始指针 if(! timeouts||! timeouts->next){//如果定时事件链表为空 sys_arch_mbox_fetch(mbox,msg,0);//无超时等待消息 }else{ if(timeouts->next->time>0){ //如果超时事件链表不为空,而且第一个超时事件的time! =0 //带超时等待消息队列,超时时间等于超时事件链表中第一个超时事件的time, time=sys_arch_mbox_fetch(mbox,msg,timeouts->next->time); //在后面分析中可以看到sys_arch_mbox_fetch调用了ucos中的OSQPend系统调 //用从消息队列中读取消息. //如果”mbox”消息队列不为空,任务立刻返回,否则任务进入阻塞态. //需要重点说明的是sys_arch_mbox_fetch的返回值time: 如果sys_arch_mbox_fetch //因为超时返回,time=SYS_ARCH_TIMEOUT, //如果sys_arch_mbox_fetch因为收到消息而返回, //time=收到消息时刻的时间-执行sys_arch_mbox_fetch时刻的时间,单位是毫秒 //由于在ucos中任务调用OSQPend系统调用进入阻塞态,到收到消息重新开始执行 //这段时间没有记录下来,所以我们要简单修改ucos的源代码.(后面我们会看到). }else{ //如果定时事件链表不为空,而且第一个定时事件的time==0,表示该事件的定时 //时间到 time=SYS_ARCH_TIMEOUT; } if(time==SYS_ARCH_TIMEOUT){ //一个定时事件的定时时间到 tmptimeout=timeouts->next; timeouts->next=tmptimeout->next; h=tmptimeout->h; arg=tmptimeout->arg; memp_free(MEMP_SYS_TIMEOUT,tmptimeout); //从内存中释放该定时事件,并执行该定时事件中的函数 if(h! =NULL){ h(arg); } //因为定时事件中的定时时间到或者是因为sys_arch_mbo_fetch超时到而执行到 //这里,返回本函数开头重新等待mbox的消息 gotoagain; }else{ //如果sys_arch_mbox_fetch无超时收到消息返回 //则刷新定时事件链表中定时事件的time值. if(time<=timeouts->next->time){ timeouts->next->time-=time; }
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