ucos+lwip應用心得

經過幾天調試除掉幾個bug以後,ucos+lwip在我的44b0+8019開發闆上終于跑得比較穩定了.一隻覺得lwip是一個不錯的開放源碼的tcp/ip 協定棧,想把自己對lwip的移植和了解寫出來.但是由于最近比較忙,lwip的移植也是利用業餘時間做的,今天寫好了第一部分(lwip的 process model)先貼上來,如果大家有興趣我再接着往下寫.另外我的移植參看了skyeye揚晔大俠的代碼,大家可以去看看揚晔大俠的lwip在ucos上移植的文章和代碼.

lwip應用心得

lwIP是瑞士計算機科學院（Swedish Institute of Computer Science）的Adam Dunkels等開發的一套用于嵌入式系統的開放源代碼TCP/IP協定棧。Lwip既可以移植到作業系統上,又可以

在無作業系統的情況下獨立運作.

LwIP的特性如下：

(1) 支援多網絡接口下的IP轉發

(2) 支援ICMP協定

(3) 包括實驗性擴充的的UDP（使用者資料報協定）

(4) 包括阻塞控制，RTT估算和快速恢複和快速轉發的TCP（傳輸控制協定）

(5) 提供專門的内部回調接口（Raw API）用于提高應用程式性能

(6) 可選擇的Berkeley接口API（多線程情況下）

(7) 在最新的版本中支援ppp

(8) 新版本中增加了的IP fragment的支援.

(9) 支援DHCP協定,動态配置設定ip位址.

現在網上最新的版本是V0.6.4

1.lwip的程序模型(process model)

tcp/ip協定棧的process model一般有幾種方式.

1.tcp/ip協定的每一層是一個單獨程序.鍊路層是一個程序,ip層是一個程序,tcp層是一個程序.這樣的好處是網絡協議的每一層都非常清晰,代碼的調試和了解都非常容易.但是最大的壞處資料跨層傳遞時會引起上下文切換(context switch). 對于接收一個TCP segment要引起3次context switch(從網卡驅動程式到鍊路層程序,從鍊路層程序到ip層程序,從ip層程序到TCP程序).通常對于作業系統來說,任務切換是要浪費時間的.過頻的context swich是不可取的.

2.另外一種方式是TCP/IP協定棧在作業系統核心當中.應用程式通過作業系統的系統調用(system call)和協定棧來進行通訊.這樣TCP/IP的協定棧就限定于特定的作業系統核心了.如windows就是這種方式.

3.lwip的process model:所有tcp/ip協定棧都在一個程序當中,這樣tcp/ip協定棧就和作業系統核心分開了.而應用層程式既可以是單獨的程序也可以駐留在tcp/ip程序中.如果應用程式是單獨的程序可以通過作業系統的郵箱,消息隊列等和tcp/ip程序進行通訊.

如果應用層程式駐留tcp/ip程序中,那應用層程式就利用内部回調函數口(Raw API)和tcp/ip協定棧通訊.對于ucos來說程序就是一個系統任務.lwip的process model請參看下圖.在圖中可以看到整個tcp/ip協定棧都在同一個任務(tcpip_thread)中.應用層程式既可以是獨立的任務(如圖中的tftp_thread,tcpecho_thread),也可以在tcpip_thread中(如圖左上角)中利用内部回調函數口(Raw API)和tcp/ip協定棧通訊

ucos+lwip應用心得

2 Port Lwip to uCos

在這個項目中我用的硬體平台是s3c44b0x+rtl8019.ucos在44b0上的移植在網上有很多大俠非常詳盡的講解和移植代碼.我就不敢羅嗦了.需要說明的一點是lwip會為每個網絡連接配接動态配置設定一些信号量(semaphone)和消息隊列(Message Queue),當連接配接斷開時會删掉這些semaphone和Queue.而Ucos-2.0不支援semaphone和Queue的删除,是以要選擇一些較高版本的ucos.我用的是ucos-2.51.

2.1 Lwip的作業系統封裝層(operating system.emulation layer)

Lwip為了适應不同的作業系統,在代碼中沒有使用和某一個作業系統相關的系統調用和資料結構.而是在lwip和作業系統之間增加了一個作業系統封裝層.作業系統封裝層為作業系統服務(定時,程序同步,消息傳遞)提供了一個統一的接口.在lwip中程序同步使用semaphone和消息傳遞采用”mbox”(其實在ucos的實作中我們使用的是Message Queue來實作lwip中的”mbox”,下面大家可以看到這一點)

Operating system emulation layer的原代碼在…/lwip/src/core/sys.c中.而和具體的作業系統相關的代碼在../lwip/src/arch/sys_arch.c中.

作業系統封裝層的主要函數如下:

void sys_init(void)//系統初始化

sys_thread_t sys_thread_new(void (* function)(void *arg), void *arg,int prio)//建立一個新程序

sys_mbox_t sys_mbox_new(void)//建立一個郵箱

void sys_mbox_free(sys_mbox_t mbox)//釋放并删除一個郵箱

void sys_mbox_post(sys_mbox_t mbox, void *data) //發送一個消息到郵箱

void sys_mbox_fetch(sys_mbox_t mbox, void **msg)//等待郵箱中的消息

sys_sem_t sys_sem_new(u8_t count)//建立一個信号量

void sys_sem_free(sys_sem_t sem)//釋放并删除一個信号量

void sys_sem_signal(sys_sem_t sem)//發送一個信号量

void sys_sem_wait(sys_sem_t sem)//等待一個信号量

void sys_timeout(u32_t msecs, sys_timeout_handler h, void *arg)//設定一個逾時事件

void sys_untimeout(sys_timeout_handler h, void *arg)//删除一個逾時事件

…

關于作業系統封裝層的資訊可以閱讀lwip的doc目錄下面的sys_arch.txt.檔案.

2.2 Lwip在ucos上的移植.

2.2.1 系統初始化

sys_int必須在tcpip協定棧任務tcpip_thread建立前被調用.

#define MAX_QUEUES 20

#define MAX_QUEUE_ENTRIES 20

typedef struct {

OS_EVENT* pQ;//ucos中指向事件控制塊的指針

void* pvQEntries[MAX_QUEUE_ENTRIES];//消息隊列

//MAX_QUEUE_ENTRIES消息隊列中最多消息數

} TQ_DESCR, *PQ_DESCR;

typedef PQ_DESCR sys_mbox_t;//可見lwip中的mbox其實是ucos的消息隊列

static char pcQueueMemoryPool[MAX_QUEUES * sizeof(TQ_DESCR) ];

void sys_init(void)

{

u8_t i;

s8_t ucErr;

pQueueMem = OSMemCreate( (void*)pcQueueMemoryPool, MAX_QUEUES, sizeof(TQ_DESCR), &ucErr );//為消息隊列建立記憶體分區

//init lwip task prio offset

curr_prio_offset = 0;

//init lwip_timeouts for every lwip task

//初始化lwip定時事件表,具體實作參考下面章節

for(i=0;i<LWIP_TASK_MAX;i++){

lwip_timeouts[i].next = NULL;

}

2.2.2 建立一個和tcp/ip相關新程序:

lwip中的程序就是ucos中的任務,建立一個新程序的代碼如下:

#define LWIP_STK_SIZE 10*1024//和tcp/ip相關任務的堆棧大小.可以根據情況自

//己設定,44b0開發闆上有8M的sdram,是以設大

//一點也沒有關系:)

//max number of lwip tasks

#define LWIP_TASK_MAX 5 //和tcp/ip相關的任務最多數目

//first prio of lwip tasks

#define LWIP_START_PRIO 5 //和tcp/ip相關任務的起始優先級,在本例中優先級可

//以從(5-9).注意tcpip_thread在所有tcp/ip相關程序中//應該是優先級最高的.在本例中就是優先級5

//如果使用者需要建立和tcp/ip無關任務,如uart任務等,

//不要使用5-9的優先級

OS_STK LWIP_TASK_STK[LWIP_TASK_MAX][LWIP_STK_SIZE];//和tcp/ip相關程序

//的堆棧區

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[curr_prio_offset][LWIP_STK_SIZE-1],

LWIP_START_PRIO+curr_prio_offset );

curr_prio_offset++;

return 1;

} else {

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

}

從代碼中可以看出tcpip_thread應該是最先建立的.

2.2.3 Lwip中的定時事件

在tcp/ip協定中很多時候都要用到定時,定時的實作也是tcp/ip協定棧中一個重要的部分.lwip中定時事件的資料結構如下.

struct sys_timeout {

struct sys_timeout *next;//指向下一個定時結構

u32_t time;//定時時間

sys_timeout_handler h;//定時時間到後執行的函數

void *arg;//定時時間到後執行函數的參數.

};

struct sys_timeouts {

struct sys_timeout *next;

};

struct sys_timeouts lwip_timeouts[LWIP_TASK_MAX];

Lwip中的定時事件表的結構如下圖,每個和tcp/ip相關的任務的一系列定時事件組成一個單向連結清單.每個連結清單的起始指針存在lwip_timeouts的對應表項中.

ucos+lwip應用心得

函數sys_arch_timeouts傳回對應于目前任務的指向定時事件連結清單的起始指針.該指針存在lwip_timeouts[MAX_LWIP_TASKS]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;

//擷取目前任務的優先級

err = OSTaskQuery(OS_PRIO_SELF,&curr_task_pcb);

curr_prio = curr_task_pcb.OSTCBPrio;

offset = curr_prio - LWIP_START_PRIO;

//判斷目前任務優先級是不是tcp/ip相關任務,優先級5-9

if(offset < 0 || offset >= LWIP_TASK_MAX)

{

return &null_timeouts;

}

return &lwip_timeouts[offset];

}

注意:楊晔大俠移植的代碼在本函數有一個bug.楊晔大俠的移植把上面函數中的OS_TCB curr_task_tcb定義成了全局變量,使本函數成為了一個不可重入函數.我也是在進行如下測試時發現了這個bug.我的開發闆上設定的ip位址是192.168.1.95.我在windows的dos視窗内運作

ping 192.168.1.95 –l 2000 –t,不間斷用長度為2000的資料報進行ping測試,同時使用tftp用戶端軟體給192.168.1.95下載下傳一個十幾兆程式,同時再使用telnet連接配接192.168.1.95端口7(echo端口),往該端口寫數測試echo功能.

在運作一段時間以後,開發闆進入不再響應.我當時也是經過長時間的分析才發現是因為在低優先級任務運作ys_arch_timeouts()時被高優先級任務打斷改寫了curr_task_tcb的值,進而使sys_arch_timeouts傳回的指針錯誤,進而導緻系統死鎖.函數sys_timeout給目前任務增加一個定時事件:

void sys_timeout(u32_t msecs, sys_timeout_handler h, void *arg)

{

struct sys_timeouts *timeouts;

struct sys_timeout *timeout, *t;

timeout = memp_malloc(MEMP_SYS_TIMEOUT);//為定時事件配置設定記憶體

if (timeout == NULL) {

return;

}

timeout->next = NULL;

timeout->h = h;

timeout->arg = arg;

timeout->time = msecs;

timeouts = sys_arch_timeouts();//傳回目前任務定時事件連結清單起始指針

if (timeouts->next == NULL) {//如果連結清單為空直接增加該定時事件

timeouts->next = timeout;

return;

}

//如果連結清單不為空,對定時事件進行排序.注意定時事件中的time存儲的是本事件

//時間相對于前一事件的時間的內插補點

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;

}

函數sys_untimeout從目前任務定時事件連結清單中删除一個定時事件

void sys_untimeout(sys_timeout_handler h, void *arg)

{

struct sys_timeouts *timeouts;

struct sys_timeout *prev_t, *t;

timeouts = sys_arch_timeouts();//傳回目前任務定時事件連結清單起始指針

if (timeouts->next == NULL)//如果連結清單為空直接傳回

{

return;

}

//查找對應定時事件并從連結清單中删除.

for (t = timeouts->next, prev_t = NULL; t != NULL; prev_t = t, t = t->next)

{

if ((t->h == h) && (t->arg == arg))

{

if (prev_t == NULL)

timeouts->next = t->next;

else

prev_t->next = t->next;

if (t->next != NULL)

t->next->time += t->time;

memp_free(MEMP_SYS_TIMEOUT, t);

return;

}

return;

}

2.2.3 “mbox”的實作:

(1)mbox的建立

sys_mbox_t sys_mbox_new(void)

{

u8_t ucErr;

PQ_DESCR pQDesc;

//從消息隊列記憶體分區中得到一個記憶體塊

pQDesc = OSMemGet( pQueueMem, &ucErr );

if( ucErr == OS_NO_ERR ) {

//建立一個消息隊列

pQDesc->pQ=OSQCreate(&(pQDesc->pvQEntries[0]), MAX_QUEUE_ENTRIES );

if( pQDesc->pQ != NULL ) {

return pQDesc;

}

return SYS_MBOX_NULL;

}

(2)發一條消息給”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 會傳回一條OS_ERR_POST_NULL_PTR錯誤.而在lwip中會調用sys_mbox_post(mbox,NULL)發送一條空消息,我們在本函數中把NULL變成一個常量指針0xffffffff.

(3)從”mbox”中讀取一條消息

#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();傳回目前任務定時事件連結清單起始指針

if (!timeouts || !timeouts->next) {//如果定時事件連結清單為空

sys_arch_mbox_fetch(mbox, msg, 0);//無逾時等待消息

} else {

if (timeouts->next->time > 0) {

//如果逾時事件連結清單不為空,而且第一個逾時事件的time !=0

//帶逾時等待消息隊列,逾時時間等于逾時事件連結清單中第一個逾時事件的time,

time = sys_arch_mbox_fetch(mbox, msg, timeouts->next->time);

//在後面分析中可以看到sys_arch_mbox_fetch調用了ucos中的OSQPend系統調

//用從消息隊列中讀取消息.

//如果”mbox”消息隊列不為空,任務立刻傳回,否則任務進入阻塞态.

//需要重點說明的是sys_arch_mbox_fetch的傳回值time:如果sys_arch_mbox_fetch

//因為逾時傳回,time=SYS_ARCH_TIMEOUT,

//如果sys_arch_mbox_fetch因為收到消息而傳回,

//time = 收到消息時刻的時間-執行sys_arch_mbox_fetch時刻的時間,機關是毫秒

//由于在ucos中任務調用OSQPend系統調用進入阻塞态,到收到消息重新開始執行

//這段時間沒有記錄下來,是以我們要簡單修改ucos的源代碼.(後面我們會看到).

} else {

//如果定時事件連結清單不為空,而且第一個定時事件的time ==0,表示該事件的定時

//時間到

time = SYS_ARCH_TIMEOUT;

}

if (time == SYS_ARCH_TIMEOUT) {

//一個定時事件的定時時間到

tmptimeout = timeouts->next;

timeouts->next = tmptimeout->next;

h = tmptimeout->h;

arg = tmptimeout->arg;

memp_free(MEMP_SYS_TIMEOUT, tmptimeout);

//從記憶體中釋放該定時事件,并執行該定時事件中的函數

if (h != NULL) {

h(arg);

}

//因為定時事件中的定時時間到或者是因為sys_arch_mbo_fetch逾時到而執行到

//這裡,傳回本函數開頭重新等待mbox的消息

goto again;

} else {

//如果sys_arch_mbox_fetch無逾時收到消息傳回

//則重新整理定時事件連結清單中定時事件的time值.

if (time <= timeouts->next->time) {

timeouts->next->time -= time;

} else {

timeouts->next->time = 0;

}

u32_t sys_arch_mbox_fetch(sys_mbox_t mbox, void **data, u32_t timeout)

{

u32_t ucErr;

u16_t ucos_timeout;

//在 lwip中 ,timeout的機關是ms

// 在ucosII ,timeout 的機關是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;

}

//如果data!=NULL就傳回消息指針,

if(data != NULL){

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

}else{

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

}

//這裡修改了ucos中的OSQPend系統調用,

//原來的void *OSQPend (OS_EVENT *pevent, INT16U timeout, INT8U *err)

// err的傳回值隻有兩種:收到消息就傳回OS_NO_ERR,逾時則傳回OS_TIMEOUT

//這裡先将err從8位資料改變成了16位資料 OSQPend(*pevent,timeout, INT16U *err)

//重新定義了OS_TIMEOUT

//在ucos中原有#define OS_TIMEOUT 20

//改為 #define OS_TIMEOUT -1

//err傳回值的意義也改變了,如果逾時傳回OS_TIMEOUT

// 如果收到消息,則傳回OSTCBCur->OSTCBDly修改部分代碼如下

//if (msg != (void *)0) {

// 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);

// }

//關于ucos的OSTBCur->OSTCBDly的含義請查閱ucos的書籍

if( ucErr == OS_TIMEOUT ) {

timeout = SYS_ARCH_TIMEOUT;

} else {

if(*data == (void*)&pvNullPointer )

*data = NULL;

//機關轉換,從ucos tick->ms

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

}

return timeout;

}

semaphone的實作和mbox類似,這裡就不再重複了.

(綜合電子論壇)

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