ucos+lwip应用心得.docx

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ucos+lwip应用心得

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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processmodel）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（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V0.6.4

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

2PortLwiptouCos

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（MessageQueue）,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.

2.1Lwip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

voidsys_mbox_free（sys_mbox_tmbox）//释放并删除一个邮箱

voidsys_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.

2.2Lwip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.

#defineMAX_QUEUES20

#defineMAX_QUEUE_ENTRIES20

typedefstruct{

OS_EVENT*pQ;//ucos中指向事件控制块的指针

void*pvQEntries;//消息队列

//MAX_QUEUE_ENTRIES消息队列中最多消息数

}TQ_DESCR,*_DESCR;

typedef_DESCRsys_mbox_t;//可见lwip中的mbox其实是ucos的消息队列

staticcharpcQueueMemoryPoolCR）];

voidsys_init（void）

{

u8_ti;

s8_tucErr;

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.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_SIZE10*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_MAX5//和tcp/ip相关的任务最多数目

//firstpriooflwiptasks

#defineLWIP_START_PRIO5/

/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;//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,

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=LWIP_TASK_MAX）

{

return&null_timeouts;

}

return&lwip_timeouts;

}

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_TCBcurr_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

ping192.168.1.95–l2000–t,不间断用长度为2000的数据报进行ping测试,同时使用tftp客户端软件给192.168.1.95下载一个十几兆程序,同时再使用tel连192.168.1.95端口7（echo端口）,往该端口写数测试echo功能.

在运行一段时间以后,开发板进入不再响应.我当时也是经过长时间的分析才发现是因为在低优先级任务运行ys_arch_timeouts（）时被高优先级任务打断改写了curr_task_tcb的值,从而使sys_arch_timeouts返回的指针错误,进而导致系统死锁.函数sys_timeout给当前任务增加一个定时事件:

voidsys_timeout（u32_tmsecs,sys_timeout_h

andlerh,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;

&nbs

p;else

&nbs

p;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_tucErr;

_DESCRpQDesc;

//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）,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_pos

t（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

&n

bsp;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;

}else{

timeouts->next->time=0;

}

}

}

}

u32_tsys_arch_mbox_fetch（sys_mbox_tmbox,void**data,u32_ttimeout）

{

u32_tucErr;

u16_tucos_timeout;

//在lwip中,timeout的单位是ms

//在ucosII,timeout的单位是timertick

ucos_timeout=0;

if（timeout!

=0）{

ucos_timeout=（timeout）*（OS_TICKS_PER_SEC/1000）;

if（ucos_timeout<1）

ucos_timeo