ucos+lwip应用心得

ucos+lwip应用心得

　　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 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上移植的文章和代码.

　　lwip应用心得

　　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（Raw API）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IP fragment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(process model)

　　tcp/ip协议栈的process model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(context switch).

　　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.

　　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.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

　　2 Port Lwip to uCos

　　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.

　　2.1 Lwip的操作系统封装层(operating system.emulation layer)

　　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)

　　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.

　　操作系统封装层的主要函数如下:

　　void sys_init(void)//系统初始化

　　sys_thread_t sys_thread_new(void (* function)(void *arg), void *arg,int prio)//创建一个新进程

　　sys_mbox_t sys_mbox_new(void)//创建一个邮箱

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

　　voidsys_mbox_post(sys_mbox_t mbox, void *data) //发送一个消息到邮箱

　　void sys_mbox_fetch(sys_mbox_t mbox, void **msg)//等待邮箱中的消息

　　sys_sem_t sys_sem_new(u8_t count)//创建一个信号量

　　void sys_sem_free(sys_sem_t sem)//释放并删除一个信号量

　　void sys_sem_signal(sys_sem_t sem)//发送一个信号量

　　void sys_sem_wait(sys_sem_t sem)//等待一个信号量

　　void sys_timeout(u32_t msecs, sys_timeout_handler h, void *arg)//设置一个超时事件

　　void sys_untimeout(sys_timeout_handler h, 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 Lwip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.

　　#define MAX_QUEUES20

　　#define MAX_QUEUE_ENTRIES20

　　typedef struct {

　　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, *PQ_DESCR;

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

　　static char pcQueueMemoryPool CR) ];

　　void sys_init(void)

　　{

　　u8_t i;

　　s8_tucErr;

　　pQueueMem = OSMemCreate( (void*)pcQueueMemoryPool, MAX_QUEUES, sizeof(TQ_DESCR), &ucErr );//为消息队列创建内存分区

　　//init lwip task prio offset

　　curr_prio_offset = 0;

　　//init lwip_timeouts for every lwip task

　　//初始化lwip定时事件表,具体实现参考下面章节

　　for(i=0;i<LWIP_TASK_MAX;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:

　　#define LWIP_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:)

　　//max number of lwip tasks

　　#define LWIP_TASK_MAX5 //和tcp/ip相关的任务最多数目

　　//first prio of lwip tasks

　　#define LWIP_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_STK LWIP_TASK_STK;//和tcp/ip相关进程

　　//的堆栈区

　　u8_t curr_prio_offset ;

　　sys_thread_t sys_thread_new(void (* function)(void *arg), void *arg,int prio)

　　{

　　if(curr_prio_offset < LWIP_TASK_MAX){

　　OSTaskCreate(function,(void*)0x1111, &LWIP_TASK_STK,

　　LWIP_START_PRIO+curr_prio_offset );

　　curr_prio_offset++;

　　return 1;

　　} else {

　　// PRINT(" lwip task prio out of range ! error! ");

　　}

　　}

　　从代码中可以看出tcpip_thread应该是最先创建的.

　　2.2.3 Lwip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.

　　struct sys_timeout {

　　struct sys_timeout *next;//指向下一个定时结构

　　u32_t time;//定时时间

　　sys_timeout_handler h;//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.

　　};

　　struct sys

　　_timeouts {

　　struct sys_timeout *next;

　　};

　　struct sys_timeouts lwip_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.

　　struct sys_timeouts null_timeouts;

　　struct sys_timeouts * sys_arch_timeouts(void)

　　{

　　u8_t curr_prio;

　　s16_t err,offset;

　　OS_TCB curr_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;

　　}

　　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

　　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:

　　void sys_timeout(u32_t msecs, sys_timeout_h

　　andler h, void *arg)

　　{

　　struct sys_timeouts *timeouts;

　　struct sys_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

　　void sys_untimeout(sys_timeout_handler h, void *arg)

　　{

　　struct sys_timeouts *timeouts;

　　struct sys_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))

　　{

　　/* We have a match */

　　/* Unlink from previous in list */

　　if (prev_t == NULL)

　　timeouts->next = t->next;

　　&nbs

　　p;else

　　&nbs

　　p;prev_t->next = t->next;

　　/* If not the last one, add time of this one back to next */

　　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_t sys_mbox_new(void)

　　{

　　u8_tucErr;

　　PQ_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 ) {

　　return pQDesc;

　　}

　　}

　　return SYS_MBOX_NULL;

　　}

　　(2)发一条消息给”mbox”

　　const void * const pvNullPointer = 0xffffffff;

　　void sys_mbox_post(sys_mbox_t mbox, void *data)

　　{

　　INT8U err;

　　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

　　#define SYS_ARCH_TIMEOUT 0xffffffff

　　void sys_mbox_fetch(sys_mbox_t mbox, void **msg)

　　{

　　u32_t time;

　　struct sys_timeouts *timeouts;

　　struct sys_timeout *tmptimeout;

　　sys_timeout_handler h;

　　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

　　goto again;

　　} 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_t mbox, void **data, u32_t timeout)

　　{

　　u32_tucErr;

　　u16_t ucos_timeout;

　　//在 lwip中 ,timeout的单位是ms

　　// 在ucosII ,timeout 的单位是timer tick

　　ucos_timeout = 0;

　　if(timeout != 0){

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

　　if(ucos_timeout < 1)

　　ucos_timeout = 1;

　　else if(ucos_timeout > 65535)

　　ucos_timeout = 65535;

　　}&nbs

　　p;

　　//如果data!=NULL就返回消息指针,

　　if(data != NULL){

　　*data = OSQPend( mbox->pQ, (u16_t)ucos_timeout, &ucErr );

　　}else{

　　OSQPend(mbox->pQ,(u16_t)ucos_timeout,&ucErr);

　　}

　　//这里修改了ucos中的OSQPend系统调用,

　　//原来的void*OSQPend (OS_EVENT *pevent, INT16U timeout, INT8U *err)

　　// 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

　　//这里先将err从8位数据改变成了16位数据 OSQPend(*pevent,timeout, INT16U *err)

　　//重新定义了OS_TIMEOUT

　　//在ucos中原有#define OS_TIMEOUT 20

　　//改为 #defineOS_TIMEOUT-1

　　//err返回值的意义也改变了,如果超时返回OS_TIMEOUT

　　// 如果收到消息,则返回OSTCBCur->OSTCBDly修改部分代码如下

　　//if (msg != (void *)0) { /* Did we get a message?*/

　　// OSTCBCur->OSTCBMsg = (void *)0;

　　// OSTCBCur->OSTCBStat= OS_STAT_RDY;

　　// OSTCBCur->OSTCBEventPtr = (OS_EVENT *)0;

　　// *err = OSTCBCur->OSTCBDly;// zhangzs @2003.12.12

　　//OS_EXIT_CRITICAL();

　　// return (msg);/* Return message received */

　　//&n

　　bsp;}

　　//关于ucos的OSTBCur->OSTCBDly的含义请查阅ucos的书籍

　　if( ucErr == OS_TIMEOUT ) {

　　timeout = SYS_ARCH_TIMEOUT;

　　} else {

　　if(*data == (void*)&pvNullPointer )

　　*data = NULL;

　　//单位转换,从ucos tick->ms

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

　　}

　　return timeout;

　　}

　　semaphone的实现和mbox类似,这里就不再重复了.