LwIP 内存配置

只看该作者 · 2021-11-10 20:55

前言
LwIP 在 lwipopts.h 和 opt.h 头文件中提供了多个配置选项。用户可以根据不同的性能需求和不同应用的内存限制对协议栈用
到的内存配置进行调节。Opt.h 头文件中包括协议使能和设置，内存设置，调试选项等等。而 Lwipopts.h 头文件中集合了
opt.h 中一些常常需要改动的部分。一般情况下用户对 lwipopts.h 头文件进行修改就可以了。不管是对 lwipopts.h 还是 opt.h
进行修改，都必须保证是在已经对你所改动的内容足够的了解的情况下进行，所做的改动是正确的，否则有可能导致协议栈
不能正常工作，或者效率低下。

只看该作者 · 2021-11-10 20:59

LwIP 的内存管理机制
在进行内存配置之前，我们有必要先了解 LwIP 的内存管理机制。

只看该作者 · 2021-11-10 21:00

Lwip 动态内存管理
LwIP 中可以使用两种动态内存分配的方法：Heap 和 Pool 的方式。 Heap 的方式，每次都根据你实际需要的大小分配一块内存出来用，用完以后再还回去。
Pool 的方式则是，预先将内存等分成若干份，每次分配时都拿出其中的一块或几块来。假设每等份是 256bytes，而你需要
300bytes 的内存空间，Pool 的方式就会给你分配两个 256bytes 的内存块（一共 512bytes）。虽然有点浪费，但这种方式分配内存速度很快，非常适合在接收数据时使用。
对于 Heap 的方式，程序默认是使用 LwIP 提供的 mem_malloc/mem_free 进行内存的分配和释放。这种方式下，程序需要预先分配一段内存空间用来做 heap 分配，这段预留的空间大小通过 MEM_SIZE 定义。你也可以通过 C 标准库里的 malloc/free 函数进行内存的分配和释放。需要定义宏 MEM_LIBC_MALLOC。

只看该作者 · 2021-11-10 21:01

Pbuf 类型
前面说的 Heap 和 Pool 都是 LwIP 动态分配内存的方式。而 LwIP 采用了 pbuf 的形式管理内存中的信息，pbuf 结构既支持动
态内存分配保存信息包内容，也支持让信息包数据驻留在静态存储区。pbufs 可以在一个链表中链接在一起，被称作一个
pbuf 链，这样一个信息包可以跨越几个 pbufs。
LwIP 有三种类型的 pbuf: PBUF_RAM, PBUF_ROM,PBUF_POOL。这三种类型拥有不同的使用目的。
 PBUF_RAM 类型的 pbuf 用于应用程序发送的数据被动态生成的情况。在这种情况下，pbuf 系统不仅为应用数据分配内
存，还要给为这些数据预置的包头分配内存。包头大小在编译时是可配置的。MEM_SIZE 定义定义了这类 pbuf 的可用空
间大小。
 PBUF_ROM 类型的 pbuf 用于应用程序要发送的数据放置在应用程序管理的存储区的情况。
 PBUF_POOL 主要用于网络设备驱动层，因为分配一个 pbuf 的操作可以快速完成，所以非常适合用于中断处理。

只看该作者 · 2021-11-10 21:01

内存配置选项
1. 接收数据缓存的大小
网络接口接收到数据包，通过以太网专用 DMA 放到专门的缓冲区。然后在 low_level_input 函数中，被拷贝到 PBUF_POOL
中，再将指向该 PBUF_POOL 的指针传递给 LwIP 协议栈做进一步的处理。这里用于拷贝接收到的数据的 PBUF_POOL 的大小由下面这两个配置选项决定：PBUF_POOL_SIZE 和 PBUF_POOL_BUFSIZE。
PBUF_POOL_SIZE：定义可用的 PBUF_POOL 的个数
PBUF_POOL_BUFSIZE：定义每个 PBUF_POOL 的大小
PBUF_POOL_SIZE * PBUF_POOL_BUFSIZE 的值就是接收数据内存总的大小
用户需要根据接收的数据包的平均大小来设置这两个值。PBUF_POOL_BUFSIZE 设置的太小，可能每个数据包都要多个
pbuf 来保存；设置太大，很少的数据也会占用一个较大的 pbuf 造成浪费。

只看该作者 · 2021-11-10 21:02

2.发送数据缓存的大小
LwIP 通过 Heap 的方式可分配的总内存空间大小由 MEM_SIZE 定义，如果应用程序需要发送大量数据，而且这些数据需要拷
贝到 LwIP 协议栈中，那么这个值尽量设置大些。

只看该作者 · 2021-11-10 21:03

3.连接
LwIP 协议栈中通过 PCB（Protocol Control Blocks）的方式管理各个连接。创建新的 PCB 时，也是通过 memory pool 的方式
进行内存分配。
MEMP_NUM_UDP_PCB：定义可以创建的 UDP 连接个数
MEMP_NUM_TCP_PCB：定义可以创建的 TCP 连接个数
MEMP_NUM_TCP_PCB_LISTEN：可以创建 listening TCP 连接的个数
MEMP_NUM_NETCONN：使用 netconn 和 socket 编程时，该值的大小会影响可以同时创建的连接的个数
MEMP_NUM_NETBUF：使用 netconn 和 socket 编程时，该值设置太小，可能导致接收数据时分配内存失败，
从而不能同时为几个连接的数据收发服务。

只看该作者 · 2021-11-10 21:04

4. TCP 选项
TCP_MSS ：该值规定了 TCP 数据包数据部分的最大长度
TCP_SND_BUF：一个 TCP 连接的发送缓存空间大小。改变这个值只影响一个 TCP 连接可用的发送缓存空间大小。总的发
送缓存空间是不会变的（由 MEM_SIZE 决定）。如果同时活动的 TCP 连接个数很多，这个值不宜设置的太大。
TCP_SND_QUEUELEN：TCP 发送队列中最多的 pbuf 个数
TCP_WND：TCP 接收窗口大小

只看该作者 · 2021-11-10 21:07

配置正确性检查
LwIP 中的很多配置并不是孤立的，在 lwipopts.h 和 opt.h 的某些配置选项前面都有说明需要满足的条件。在修改这些参数时
需要特别注意。另外 LwIP 还提供了“sanity checks”，在编译时（LwIPv1.4.1，之前的版本是在 lwip_sanity_check 函数中进
行检查）对 lwipopts.h 和 opt.h 中的一些关键的配置进行检查，如果发现错误就会通过 error 信息进行提示。该功能可以通过
宏 LWIP_DISABLE_MEMP_SANITY_CHECKS 关闭，建议在调试时打开。
另外一个可以在配置 LwIP 众多选项时给你提供帮助的工具就是 CubeMX。CubeMX 里的 LwIP 配置页面对每个选项都做了详
细解释，包括建议的最大/最小值。见下图：