LwIP学习笔记——STM32 ENC28J60移植与入门

0.前言
    去年（2013年）的整理了LwIP相关代码，并在STM32上“裸奔”成功。一直没有时间深入整理，在这里借博文整理总结。LwIP的移植过程细节很多，博文也不可能一一详细解释个别部分仅仅能点到为止。
    【本文要点】
    【1】不带操作系统的LwIP移植，LwIP版本号为1.4.1。

    【2】MCU为STM32F103VE，网卡为ENC28J60。

    【3】移植过程重点描写叙述ethernetif.c和LwIP宏配置等。
    【4】一个简单的TCP echo样例。

    【5】力求简单。没有DHCP功能，甚至没实用到网卡中断。

    【代码仓库】
    代码仓库位于Bitbucket(要源码请点击这里)。博文中不能把每一个细节描写叙述清楚。很多其它内容请參考代码仓库中的详细代码。

    【硬件说明】
    測试平台使用奋斗版，原理图请參考代码仓库中的DOC目录。


    【參考博文】
    学习嵌入式网络是一个循序渐进的过程，从浅入深从简单到复杂。
    【1】ENC28J60学习笔记——学习网卡
    【2】STM32NET学习笔记——索引——理解TCPIP协议栈
    【3】uIP学习笔记——初次应用协议栈


1.ethernetif.c的相关改动
    尽管LwIP移植过程比較复杂，可是仅仅要结合网卡详细功能，耐心改动ethernetif.c就可以。ethernetif.c重点实现网卡的三个功能，初始化，发送和接收。

    为了更好的配合lwIP，改动了ENC28J60学习笔记中部分驱动函数。

（换句话说，想要从0開始移植LwIP必须对操作网卡很熟悉）

    【1】初始化
static void
low_level_init(struct netif *netif)
{
  struct ethernetif *ethernetif = netif->state;
 
  /* set MAC hardware address length */
  netif->hwaddr_len = ETHARP_HWADDR_LEN;

  /* set MAC hardware address */
  netif->hwaddr[0] = 'A';
  netif->hwaddr[1] = 'R';
  netif->hwaddr[2] = 'M';
  netif->hwaddr[3] = 'N';
  netif->hwaddr[4] = 'E';
  netif->hwaddr[5] = 'T';
 
  /* maximum transfer unit */
  netif->mtu = 1500;
 
  /* device capabilities */
  /* don't set NETIF_FLAG_ETHARP if this device is not an ethernet one */
  netif->flags = NETIF_FLAG_BROADCAST | NETIF_FLAG_ETHARP | NETIF_FLAG_LINK_UP;
 
  /* Do whatever else is needed to initialize interface. */
  enc28j60_init(netif->hwaddr); // 【1】
}
    【说明】
        【1】 enc28j60_init(netif->hwaddr); low_level_init中指定了enc28j60中的网卡地址。


    【2】发送
static err_t
low_level_output(struct netif *netif, struct pbuf *p)
{
  struct ethernetif *ethernetif = netif->state;
  struct pbuf *q;

  enc28j60_init_send(p->tot_len); //【1】initiate transfer();
 
#if ETH_PAD_SIZE
  pbuf_header(p, -ETH_PAD_SIZE); /* drop the padding word */
#endif

  for(q = p; q != NULL; q = q->next) {
    /* Send the data from the pbuf to the interface, one pbuf at a
       time. The size of the data in each pbuf is kept in the ->len
       variable. */
    enc28j60_writebuf( q->payload, q->len ); //【2】send data from(q->payload, q->len);
  }

  enc28j60_start_send(); //【3】signal that packet should be sent();

#if ETH_PAD_SIZE
  pbuf_header(p, ETH_PAD_SIZE); /* reclaim the padding word */
#endif
 
  LINK_STATS_INC(link.xmit);

  return ERR_OK;
}
    【说明】
        【1】enc28j60_init_send(p->tot_len); 初始化发送缓冲区大小， pbuf结构为一个链表，第一个pbuf结构体中的tot_len字段代表整个以太网数据包的大小。

        【2】enc28j60_writebuf( q->payload, q->len ); 通过遍历链表把内容填入ENC28J60的缓冲区中。
        【3】enc28j60_start_send();启动网卡发送。

    【3】接收
static struct pbuf *
low_level_input(struct netif *netif)
{
  struct ethernetif *ethernetif = netif->state;
  struct pbuf *p, *q;
  u16_t len;

  len = enc28j60_packet_getlen(); // 【1】

#if ETH_PAD_SIZE
  len += ETH_PAD_SIZE; /* allow room for Ethernet padding */
#endif

  /* We allocate a pbuf chain of pbufs from the pool. */
  p = pbuf_alloc(PBUF_RAW, len, PBUF_POOL);
 
  if (p != NULL) {

#if ETH_PAD_SIZE
    pbuf_header(p, -ETH_PAD_SIZE); /* drop the padding word */
#endif

    for(q = p; q != NULL; q = q->next) {
      enc28j60_readbuf (q->payload, q->len ); //【2】read data into(q->payload, q->len);
    }
    enc28j60_finish_receive(); //【3】acknowledge that packet has been read();

#if ETH_PAD_SIZE
    pbuf_header(p, ETH_PAD_SIZE); /* reclaim the padding word */
#endif

    LINK_STATS_INC(link.recv);
  } else {
    enc28j60_finish_receive(); //【4】drop packet();
    LINK_STATS_INC(link.memerr);
    LINK_STATS_INC(link.drop);
  }

  return p;
}
    【说明】
        【1】len = enc28j60_packet_getlen(); 获得网卡中数据包的长度。
        【2】enc28j60_readbuf (q->payload, q->len);把网卡中的内容拷贝到内存池中。
        【3】enc28j60_finish_receive();接收完毕，移动网卡中缓冲区指针。

    【4】应用
        【1】LwIP网卡硬件初始化调用ethernetif_init就可以，该函数中调用了low_level_init，并指定了网卡输出函数low_level_output。

        【2】一旦网卡有数据进入。应马上代用ethernetif_input函数。

能够使用中断方法或查询方法。


2.lwipopt.h配置简述
    lwip中的配置选项很的多。了解全部的配置很不easy。本博文參考STM32官方的两个样例总结得到。

 

#ifndef __LWIPOPTS_H__
#define __LWIPOPTS_H__

#define SYS_LIGHTWEIGHT_PROT 0

#define NO_SYS 1

#define NO_SYS_NO_TIMERS 1

/* ---------- Memory options ---------- */
/* MEM_ALIGNMENT: should be set to the alignment of the CPU for which
   lwIP is compiled. 4 byte alignment -> define MEM_ALIGNMENT to 4, 2
   byte alignment -> define MEM_ALIGNMENT to 2. */
#define MEM_ALIGNMENT 4

/* MEM_SIZE: the size of the heap memory. If the application will send
a lot of data that needs to be copied, this should be set high. */
#define MEM_SIZE (5*1024)

/* MEMP_NUM_PBUF: the number of memp struct pbufs. If the application
   sends a lot of data out of ROM (or other static memory), this
   should be set high. */
#define MEMP_NUM_PBUF 10
/* MEMP_NUM_UDP_PCB: the number of UDP protocol control blocks. One
   per active UDP "connection". */
#define MEMP_NUM_UDP_PCB 6
/* MEMP_NUM_TCP_PCB: the number of simulatenously active TCP
   connections. */
#define MEMP_NUM_TCP_PCB 10
/* MEMP_NUM_TCP_PCB_LISTEN: the number of listening TCP
   connections. */
#define MEMP_NUM_TCP_PCB_LISTEN 6
/* MEMP_NUM_TCP_SEG: the number of simultaneously queued TCP
   segments. */
#define MEMP_NUM_TCP_SEG 12
/* MEMP_NUM_SYS_TIMEOUT: the number of simulateously active
   timeouts. */
#define MEMP_NUM_SYS_TIMEOUT 3


/* ---------- Pbuf options ---------- */
/* PBUF_POOL_SIZE: the number of buffers in the pbuf pool. */
#define PBUF_POOL_SIZE 10

/* PBUF_POOL_BUFSIZE: the size of each pbuf in the pbuf pool. */
#define PBUF_POOL_BUFSIZE 1500


/* ---------- TCP options ---------- */
#define LWIP_TCP 1
#define TCP_TTL 255

/* Controls if TCP should queue segments that arrive out of
   order. Define to 0 if your device is low on memory. */
#define TCP_QUEUE_OOSEQ 0

/* TCP Maximum segment size. */
#define TCP_MSS (1500 - 40)	 /* TCP_MSS = (Ethernet MTU - IP header size - TCP header size) */

/* TCP sender buffer space (bytes). */
#define TCP_SND_BUF (2*TCP_MSS)

/* TCP sender buffer space (pbufs). This must be at least = 2 *
   TCP_SND_BUF/TCP_MSS for things to work. */
#define TCP_SND_QUEUELEN (6 * TCP_SND_BUF)/TCP_MSS

/* TCP receive window. */
#define TCP_WND (2*TCP_MSS)


/* ---------- ICMP options ---------- */
#define LWIP_ICMP 1

/* ---------- DHCP options ---------- */
/* Define LWIP_DHCP to 1 if you want DHCP configuration of
   interfaces. DHCP is not implemented in lwIP 0.5.1, however, so
   turning this on does currently not work. */
#define LWIP_DHCP 0

/* ---------- UDP options ---------- */
#define LWIP_UDP 1
#define UDP_TTL 255

/* ---------- Statistics options ---------- */
#define LWIP_STATS 0
#define LWIP_PROVIDE_ERRNO 1

/**
 * LWIP_NETCONN==1: Enable Netconn API (require to use api_lib.c)
 */
#define LWIP_NETCONN 0

/**
 * LWIP_SOCKET==1: Enable Socket API (require to use sockets.c)
 */
#define LWIP_SOCKET 0

#endif /* __LWIPOPTS_H__ */
    【详细说明和改动】
    【1】未使用操作系统。全部NO_SYS定义为1。LWIP_NETCONN定义为0（表示不使用），LWIP_SOCKET定义为0（表示不使用）。

    【2】NO_SYS_NO_TIMERS定义为1，该定义为LwIP1.4.0以上版本号添加。详细可參考LwIP改动文档。
    【3】LWIP_DHCP被定义为0。关闭了DHCP功能以简化代码。

    【4】相比STM32官方样例。去除了校验码相关配置全部使用软件校验。STM32官方案例中使用了代码EMAC功能的MCU，该系列MCU中包含硬件校验功能，可是ENC28J60并没有此功能，所以仅仅能开启LwIP中的软件校验功能。

    
3.LwIP相关初始化
void LwIP_Config (void)
{
    struct ip_addr ipaddr;
    struct ip_addr netmask;
    struct ip_addr gw;
   
    // 调用LWIP初始化函数
    lwip_init();
   
    IP4_ADDR(&ipaddr, 192, 168, 1, 16); // 设置网络接口的ip地址
    IP4_ADDR(&netmask, 255, 255, 255, 0);	 // 子网掩码
    IP4_ADDR(&gw, 192, 168, 1, 1);	 // 网关
   
    // 初始化enc28j60与LWIP的接口。參数为网络接口结构体、ip地址、
    // 子网掩码、网关、网卡信息指针、初始化函数、输入函数
    netif_add(&enc28j60, &ipaddr, &netmask, &gw, NULL, ðernetif_init, ðernet_input);
   
    // 把enc28j60设置为默认网卡
    netif_set_default(&enc28j60);
   
    netif_set_up(&enc28j60);
}
    【说明】
        【1】通过netif_add初始化网卡IP地址，子网掩码和网关地址。此处使用静态IP地址。

        【2】netif_add须要传入两个函数指针，各自是网卡初始化函数和接收内容处理函数。ethernetif_init位于ethernetif.c而ethernet_input并不位于ethernetif.c，此处也不能使用ethernetif_input，事实上ethernet_input在函数ethernetif_input被调用，可是ethernet_input变了一个样子：
        netif->input(p, netif)!=ERR_OK
        【3】在带操作系统的移植中。最后一个參数使用tcpip_input。

4.while(1)部分
    timer_typedef tcp_timer, arp_timer;
   
    /* 设定查询定时器 ARP定时器 */
    timer_set(&tcp_timer, CLOCK_SECOND / 10); // tcp处理定时器 100ms
    timer_set(&arp_timer, CLOCK_SECOND * 5); // arp处理定时器 5s
    while (1) {
       
        if (enc28j60_packet_getcount() != 0) {
            ethernetif_input(&enc28j60);
        }
       
        // TCP 定时处理
        if (timer_expired(&tcp_timer)) {
            timer_set(&tcp_timer, CLOCK_SECOND / 4);
            tcp_tmr();
        }
       
        // ARP 定时处理
        if (timer_expired(&arp_timer)) {
            timer_set(&arp_timer, CLOCK_SECOND * 5);
            etharp_tmr();
        }
    }
    【说明】
    while(1)循环包含3个主要功能
    【1】一旦接受到数据包，立马调用 ethernetif_input。此处使用查询法而不是中断法（中断法效果类似）
    【2】定期处理TCP链接。定时时间为100ms。可依据情况适当缩小时间间隔。
    【3】定期更新ARP缓冲，可依据情况适当扩大时间间隔。
    【4】此处的timer通过systick实现。详细实现请參考代码仓库。


4.基本測试
    【1】ping实验
    此时网卡的静态IP地址为192.168.1.16，通过ping指令发送16个数据包
    ping 192.168.1.16 -n 16
 
图1 ping实验
    【2】TCP Echo样例
    LwIP提供很多演示样例。TCP Echo演示样例位于contrib-1.4.1的apps目录中，目录名为tcpecho_raw）。改动TCP侦听port为10086。

    err = tcp_bind(echo_pcb, IP_ADDR_ANY, 10086);

图2 TCP Echo样例

5.总结
    【1】移植和应用LwIP一定要耐心仔细。
    【2】一旦网卡接收到数据，应调用ethernetif_input函数。调用该函数让数据进入LwIP协议栈。
    【3】 netif_add(&enc28j60, &ipaddr, &netmask, &gw, NULL, &ethernetif_init, &ethernet_input);最后一个參数为ethernet_input，千万必要写成ethernetif_input。

6.參考资料
    很多其它细节内容请參考图书资料
    【1】《嵌入式网络系统设计——基于Atmel ARM7系列》
    【2】《STM32嵌入式系统开发实战指南——FreeRTOS与LwIP移植》

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