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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**和代码. <br /><br /> 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<br />在无操作系统的情况下独立运行. <br /><br />LwIP的特性如下：<br />(1) 支持多网络接口下的IP转发<br />(2) 支持ICMP协议 <br />(3) 包括实验性扩展的的UDP（用户数据报协议）<br />(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）<br />(5) 提供专门的内部回调接口（Raw API）用于提高应用程序性能<br />(6) 可选择的Berkeley接口API（多线程情况下）<br />(7) 在最新的版本中支持ppp<br />(8) 新版本中增加了的IP fragment的支持.<br />(9) 支持DHCP协议,动态分配ip地址.<br /><br />现在网上最新的版本是V0.6.4<br /> <br />1.lwip的进程模型(process model)<br /><br /> tcp/ip协议栈的process model一般有几种方式.<br /><br /> 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<br /> 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).<br /> 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<br /> 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.<br /><br /> 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.<br /> 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.<br /> 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<br /> 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<br /><br />2 Port Lwip to uCos<br /> 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.<br /><br />2.1 Lwip的操作系统封装层(operating system.emulation layer)<br /><br /> 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)<br /><br />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.<br />操作系统封装层的主要函数如下:<br />void sys_init(void)//系统初始化<br />sys_thread_t sys_thread_new(void (* function)(void *arg), void *arg,int prio)//创建一个新进程<br /> sys_mbox_t sys_mbox_new(void)//创建一个邮箱<br /> void sys_mbox_free(sys_mbox_t mbox)//释放并删除一个邮箱<br /> void sys_mbox_post(sys_mbox_t mbox, void *data) //发送一个消息到邮箱<br /> void sys_mbox_fetch(sys_mbox_t mbox, void **msg)//等待邮箱中的消息<br /> sys_sem_t sys_sem_new(u8_t count)//创建一个信号量<br />void sys_sem_free(sys_sem_t sem)//释放并删除一个信号量<br />void sys_sem_signal(sys_sem_t sem)//发送一个信号量<br />void sys_sem_wait(sys_sem_t sem)//等待一个信号量<br /> void sys_timeout(u32_t msecs, sys_timeout_handler h, void *arg)//设置一个超时事件<br /> void sys_untimeout(sys_timeout_handler h, void *arg)//删除一个超时事件<br /> …<br />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.<br /><br />2.2 Lwip在ucos上的移植.<br /><br />2.2.1 系统初始化<br /><br /> sys_int必须在tcpip协议栈任务tcpip_thread创建前被调用.<br /> #define MAX_QUEUES 20<br />#define MAX_QUEUE_ENTRIES 20<br />typedef struct {<br /> OS_EVENT* pQ;//ucos中指向事件控制块的指针<br /> void* pvQEntries[MAX_QUEUE_ENTRIES];//消息队列<br />//MAX_QUEUE_ENTRIES消息队列中最多消息数<br />} TQ_DESCR, *PQ_DESCR;<br />typedef PQ_DESCR sys_mbox_t;//可见lwip中的mbox其实是ucos的消息队列<br />static char pcQueueMemoryPool[MAX_QUEUES * sizeof(TQ_DESCR) ];<br /> void sys_init(void)<br />{<br /> u8_t i;<br /> s8_t ucErr; <br /> pQueueMem = OSMemCreate( (void*)pcQueueMemoryPool, MAX_QUEUES, sizeof(TQ_DESCR), &ucErr );//为消息队列创建内存分区<br /> //init lwip task prio offset<br /> curr_prio_offset = 0;<br /> //init lwip_timeouts for every lwip task<br /> //初始化lwip定时事件表,具体实现参考下面章节<br /> for(i=0;i<LWIP_TASK_MAX;i++){<br /> lwip_timeouts.next = NULL;<br /> }<br />}<br /><br />2.2.2 创建一个和tcp/ip相关新进程:<br />lwip中的进程就是ucos中的任务,创建一个新进程的代码如下:<br />#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<br />//己设置,44b0开发板上有8M的sdram,所以设大<br />//一点也没有关系<br />//max number of lwip tasks<br />#define LWIP_TASK_MAX 5 //和tcp/ip相关的任务最多数目<br />//first prio of lwip tasks<br />#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<br />//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 <br />//如果用户需要创建和tcp/ip无关任务,如uart任务等,<br />//不要使用5-9的优先级<br /> OS_STK LWIP_TASK_STK[LWIP_TASK_MAX][LWIP_STK_SIZE];//和tcp/ip相关进程<br />//的堆栈区<br /> u8_t curr_prio_offset ;<br /> sys_thread_t sys_thread_new(void (* function)(void *arg), void *arg,int prio)<br />{<br /> if(curr_prio_offset < LWIP_TASK_MAX){ <br /> OSTaskCreate(function,(void*)0x1111, &LWIP_TASK_STK[curr_prio_offset][LWIP_STK_SIZE-1],<br />LWIP_START_PRIO+curr_prio_offset );<br /> curr_prio_offset++; <br /> return 1;<br /> } else {<br /> // PRINT(' lwip task prio out of range ! error! ');<br /> }<br />}<br />从代码中可以看出tcpip_thread应该是最先创建的.<br /> <br />2.2.3 Lwip中的定时事件<br /><br /> 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. <br />struct sys_timeout {<br /> struct sys_timeout *next;//指向下一个定时结构<br /> u32_t time;//定时时间<br /> sys_timeout_handler h;//定时时间到后执行的函数<br /> void *arg;//定时时间到后执行函数的参数.<br />};<br />struct sys_timeouts {<br /> struct sys_timeout *next;<br />};<br />struct sys_timeouts lwip_timeouts[LWIP_TASK_MAX];<br />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.<br />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.<br />struct sys_timeouts null_timeouts;<br />struct sys_timeouts * sys_arch_timeouts(void)<br />{<br /> u8_t curr_prio;<br /> s16_t err,offset;<br />OS_TCB curr_task_pcb;<br /> null_timeouts.next = NULL;<br /> //获取当前任务的优先级<br /> err = OSTaskQuery(OS_PRIO_SELF,&curr_task_pcb);<br /> curr_prio = curr_task_pcb.OSTCBPrio; <br /> offset = curr_prio - LWIP_START_PRIO;<br /> //判断当前任务优先级是不是tcp/ip相关任务,优先级5-9<br /> if(offset < 0 || offset >= LWIP_TASK_MAX)<br /> {<br /> return &null_timeouts;<br /> }<br /> return &lwip_timeouts[offset];<br />}<br /> 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<br /> ping 192.168.1.95 –l 2000 –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telnet连接192.168.1.95端口7(echo端口),往该端口写数测试echo功能.<br />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:<br />void sys_timeout(u32_t msecs, sys_timeout_handler h, void *arg)<br />{<br /> struct sys_timeouts *timeouts;<br /> struct sys_timeout *timeout, *t;<br /> timeout = memp_malloc(MEMP_SYS_TIMEOUT);//为定时事件分配内存<br /> if (timeout == NULL) {<br /> return;<br /> }<br /> timeout->next = NULL;<br /> timeout->h = h;<br /> timeout->arg = arg;<br /> timeout->time = msecs;<br /> timeouts = sys_arch_timeouts();//返回当前任务定时事件链表起始指针<br /> if (timeouts->next == NULL) {//如果链表为空直接增加该定时事件<br /> timeouts->next = timeout;<br /> return;<br /> }<br /> //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<br />//时间相对于前一事件的时间的差值<br /> if (timeouts->next->time > msecs) { <br />timeouts->next->time -= msecs;<br /> timeout->next = timeouts->next;<br /> timeouts->next = timeout;<br /> } else {<br /> for(t = timeouts->next; t != NULL; t = t->next) {<br /> timeout->time -= t->time;<br /> if (t->next == NULL ||<br /> t->next->time > timeout->time) {<br /> if (t->next != NULL) {<br /> t->next->time -= timeout->time;<br /> }<br /> timeout->next = t->next;<br /> t->next = timeout;<br /> break;<br /> }<br /> }<br /> }<br />}<br /><br />函数sys_untimeout从当前任务定时事件链表中删除一个定时事件<br />void sys_untimeout(sys_timeout_handler h, void *arg)<br />{<br /> struct sys_timeouts *timeouts;<br /> struct sys_timeout *prev_t, *t;<br /> timeouts = sys_arch_timeouts();//返回当前任务定时事件链表起始指针<br /> if (timeouts->next == NULL)//如果链表为空直接返回<br /> {<br /> return;<br /> }<br /> //查找对应定时事件并从链表中删除.<br /> for (t = timeouts->next, prev_t = NULL; t != NULL; prev_t = t, t = t->next)<br /> {<br /> if ((t->h == h) && (t->arg == arg))<br /> {<br /> /* We have a match */<br /> /* Unlink from previous in list */<br /> if (prev_t == NULL)<br /> timeouts->next = t->next;<br /> else<br /> prev_t->next = t->next;<br /> /* If not the last one, add time of this one back to next */<br /> if (t->next != NULL)<br /> t->next->time += t->time;<br /> memp_free(MEMP_SYS_TIMEOUT, t);<br /> return;<br /> }<br /> }<br /> return;<br />}<br /><br />2.2.3 “mbox”的实现:<br /> (1)mbox的创建<br /> sys_mbox_t sys_mbox_new(void)<br />{<br /> u8_t ucErr;<br /> PQ_DESCR pQDesc; <br />//从消息队列内存分区中得到一个内存块<br /> pQDesc = OSMemGet( pQueueMem, &ucErr ); <br /> if( ucErr == OS_NO_ERR ) { <br /> //创建一个消息队列<br /> pQDesc->pQ=OSQCreate(&(pQDesc->pvQEntries[0]), MAX_QUEUE_ENTRIES ); <br /> if( pQDesc->pQ != NULL ) {<br /> return pQDesc;<br /> }<br /> } <br /> return SYS_MBOX_NULL;<br />} <br /> (2)发一条消息给”mbox”<br /> const void * const pvNullPointer = 0xffffffff;<br />void sys_mbox_post(sys_mbox_t mbox, void *data)<br />{<br /> INT8U err;<br /> if( !data ) <br /> data = (void*)&pvNullPointer;<br /> err= OSQPost( mbox->pQ, data);<br />}<br />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.<br />(3)从”mbox”中读取一条消息<br />#define SYS_ARCH_TIMEOUT 0xffffffff<br />void sys_mbox_fetch(sys_mbox_t mbox, void **msg)<br />{<br /> u32_t time;<br /> struct sys_timeouts *timeouts;<br /> struct sys_timeout *tmptimeout;<br /> sys_timeout_handler h;<br /> void *arg;<br />again:<br /> timeouts = sys_arch_timeouts();////返回当前任务定时事件链表起始指针<br /> if (!timeouts || !timeouts->next) {//如果定时事件链表为空<br /> sys_arch_mbox_fetch(mbox, msg, 0);//无超时等待消息<br /> } else {<br /> if (timeouts->next->time > 0) {<br /> //如果超时事件链表不为空,而且第一个超时事件的time !=0<br />//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,<br /> time = sys_arch_mbox_fetch(mbox, msg, timeouts->next->time);<br /> //在后面分析中可以看到sys_arch_mbox_fetch调用了ucos中的OSQPend系统调<br />//用从消息队列中读取消息.<br />//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.<br />//需要重点说明的是sys_arch_mbox_fetch的返回值time:如果sys_arch_mbox_fetch<br />//因为超时返回,time=SYS_ARCH_TIMEOUT,<br />//如果sys_arch_mbox_fetch因为收到消息而返回,<br />//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<br />//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<br />//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).<br /> } else {<br /> //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<br />//时间到<br /> time = SYS_ARCH_TIMEOUT;<br /> }<br /> if (time == SYS_ARCH_TIMEOUT) {<br /> //一个定时事件的定时时间到<br /> tmptimeout = timeouts->next;<br /> timeouts->next = tmptimeout->next;<br /> h = tmptimeout->h;<br /> arg = tmptimeout->arg;<br /> memp_free(MEMP_SYS_TIMEOUT, tmptimeout);<br /> //从内存中释放该定时事件,并执行该定时事件中的函数<br /> if (h != NULL) {<br /> h(arg);<br /> }<br /> //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<br />//这里,返回本函数开头重新等待mbox的消息<br /> goto again;<br /> } else {<br /> //如果sys_arch_mbox_fetch无超时收到消息返回<br />//则刷新定时事件链表中定时事件的time值.<br /> if (time <= timeouts->next->time) {<br /> timeouts->next->time -= time;<br /> } else {<br /> timeouts->next->time = 0;<br /> }<br /> }<br /><br /> }<br />}<br /><br />u32_t sys_arch_mbox_fetch(sys_mbox_t mbox, void **data, u32_t timeout)<br />{<br /> u32_t ucErr;<br /> u16_t ucos_timeout;<br /> //在 lwip中 ,timeout的单位是ms <br /> // 在ucosII ,timeout 的单位是timer tick <br /> ucos_timeout = 0;<br /> if(timeout != 0){<br /> ucos_timeout = (timeout )*( OS_TICKS_PER_SEC/1000);<br /> if(ucos_timeout < 1)<br /> ucos_timeout = 1;<br /> else if(ucos_timeout > 65535)<br /> ucos_timeout = 65535;<br /> } <br /> //如果data!=NULL就返回消息指针,<br /> if(data != NULL){<br /> *data = OSQPend( mbox->pQ, (u16_t)ucos_timeout, &ucErr ); <br /> }else{<br /> OSQPend(mbox->pQ,(u16_t)ucos_timeout,&ucErr);<br /> }<br />//这里修改了ucos中的OSQPend系统调用, <br />//原来的void *OSQPend (OS_EVENT *pevent, INT16U timeout, INT8U *err)<br />// err的返回值只有两种:收到消息就返回OS_NO_ERR,超时则返回OS_TIMEOUT<br />//这里先将err从8位数据改变成了16位数据 OSQPend(*pevent,timeout, INT16U *err)<br />//重新定义了OS_TIMEOUT<br />//在ucos中原有#define OS_TIMEOUT 20<br />//改为 #define OS_TIMEOUT -1<br />//err返回值的意义也改变了,如果超时返回OS_TIMEOUT<br />// 如果收到消息,则返回OSTCBCur->OSTCBDly修改部分代码如下<br />//if (msg != (void *)0) { /* Did we get a message? */<br />// OSTCBCur->OSTCBMsg = (void *)0;<br />// OSTCBCur->OSTCBStat = OS_STAT_RDY;<br />// OSTCBCur->OSTCBEventPtr = (OS_EVENT *)0;<br />// *err = OSTCBCur->OSTCBDly;// zhangzs @2003.12.12<br />// OS_EXIT_CRITICAL();<br />// return (msg); /* Return message received */<br />// }<br />//关于ucos的OSTBCur->OSTCBDly的含义请查阅ucos的书籍<br /> if( ucErr == OS_TIMEOUT ) {<br /> timeout = SYS_ARCH_TIMEOUT;<br /> } else {<br /> if(*data == (void*)&pvNullPointer ) <br /> *data = NULL;<br /> //单位转换,从ucos tick->ms<br /> timeout = (ucos_timeout -ucErr)*(1000/ OS_TICKS_PER_SEC);<br /> }<br /> return timeout;<br />}<br />semaphone的实现和mbox类似,这里就不再重复了.<br /> <br /> <br /> |
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