LwIP協(xié)議棧在uCOS II下的實現(xiàn)

1、概述：
LwIP協(xié)議棧在設(shè)計時就考慮到了將來的移植問題，因此把所有與硬件、OS、編譯器相關(guān)的部份獨立出來，放在ucosiiLwIPsource etlwiparch目錄下。因此LwIP在uCOS II上的實現(xiàn)就是修改這個目錄下的文件，其它的文件一般不應(yīng)該修改。下面分幾部份分別說明相應(yīng)文件的實現(xiàn)原理和過程。

2、與CPU或編譯器相關(guān)的include文件：
ucosiiLwIPsource etlwiparchucosIIincludearch目錄下cc.h、cpu.h、perf.h中有一些與CPU或編譯器相關(guān)的定義，如數(shù)據(jù)長度，字的高低位順序等。這應(yīng)該與用戶實現(xiàn)µC/OS II時定義的數(shù)據(jù)長度等參數(shù)是一致的。
#define BYTE_ORDER LITTLE_ENDIAN //C33209默認為小端存儲系統(tǒng)
//數(shù)據(jù)類型長度的定義
typedef unsigned char u8_t;
typedef signed char s8_t;
typedef unsigned short u16_t;
typedef signed short s16_t;
typedef unsigned int u32_t;
typedef signed int s32_t;
此外還有一點：一般情況下C語言的結(jié)構(gòu)體struct是4字節(jié)對齊的，但是在處理數(shù)據(jù)包的時候，LwIP使用的是通過結(jié)構(gòu)體中不同數(shù)據(jù)的長度來讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)的，所以，一定要在定義struct的時候使用_packed關(guān)鍵字，讓編譯器放棄struct的字節(jié)對齊。LwIP也考慮到了這個問題，所以，在它的結(jié)構(gòu)體定義中有幾個PACKED_FIELD_xxx宏，默認的時候這幾個宏都是空的，可以在移植的時候添加不同的編譯器所對應(yīng)的_packed關(guān)鍵字。比如在Skyeye（C33209）上對應(yīng)gcc編譯器的定義：
#define PACK_STRUCT_FIELD(x) x __attribute__((packed))
#define PACK_STRUCT_STRUCT __attribute__((packed))
#define PACK_STRUCT_BEGIN
#define PACK_STRUCT_END

3、sys_arch操作系統(tǒng)相關(guān)部份：
sys_arch.[ch]中的內(nèi)容是與OS相關(guān)的一些結(jié)構(gòu)和函數(shù)，主要可以分為四個部份：
(1) sys_sem_t 信號量
LwIP中需要使用信號量通信，所以在sys_arch中應(yīng)實現(xiàn)信號量結(jié)構(gòu)體和處理函數(shù)：
struct sys_sem_t
sys_sem_new（） //創(chuàng)建一個信號量結(jié)構(gòu)
sys_ sem _free（） //釋放一個信號量結(jié)構(gòu)
sys_ sem _signal（） //發(fā)送信號量
sys_ arch_sem _wait（） //請求信號量
由于µC/OSII已經(jīng)實現(xiàn)了信號量OS_EVENT的各種操作，并且功能和LwIP上面幾個函數(shù)的目的功能是完全一樣的，所以只要把µC/OSII的函數(shù)重新包裝成上面的函數(shù)，就可以直接使用了。
(2) sys_mbox_t 消息
LwIP使用消息隊列來緩沖、傳遞數(shù)據(jù)報文，因此要在sys_arch中實現(xiàn)消息隊列結(jié)構(gòu)sys_mbox_t，以及相應(yīng)的操作函數(shù)：
sys_mbox_new（） //創(chuàng)建一個消息隊列
sys_mbox_free（） //釋放一個消息隊列
sys_mbox_post（） //向消息隊列發(fā)送消息
sys_arch_mbox_fetch（） //從消息隊列中獲取消息
µC/OSII同樣實現(xiàn)了消息隊列結(jié)構(gòu)OSQ及其操作，但是µC/OS-II沒有對消息隊列中的消息進行管理，因此不能直接使用，必須在µC/OS-II的基礎(chǔ)上重新實現(xiàn)。為了實現(xiàn)對消息的管理，我們定義了以下結(jié)構(gòu)：
typedef struct {
OS_EVENT* pQ;
void* pvQEntries[MAX_QUEUE_ENTRIES];
} sys_mbox_t；
在以上結(jié)構(gòu)中，包括OS_EVENT類型的隊列指針（pQ）和隊列內(nèi)的消息（pvQEntries）兩部分，對隊列本身的管理利用µC/OS-II自己的OSQ操作完成，然后使用µC/OS-II中的內(nèi)存管理模塊實現(xiàn)對消息的創(chuàng)建、使用、刪除回收，兩部分綜合起來形成了LwIP的消息隊列功能。
(3) sys_arch_timeout 函數(shù)
LwIP中每個與外界網(wǎng)絡(luò)連接的線程都有自己的timeout屬性，即等待超時時間。這個屬性表現(xiàn)為每個線程都對應(yīng)一個sys_timeout結(jié)構(gòu)體隊列，包括這個線程的timeout時間長度，以及超時后應(yīng)調(diào)用的timeout函數(shù)，該函數(shù)會做一些釋放連接，回收資源的工作。如果一個線程對應(yīng)的sys_timeout為空（NULL），說明該線程對連接做永久的等待。
timeout結(jié)構(gòu)體已經(jīng)由LwIP自己在sys.h中定義好了，而且對結(jié)構(gòu)體隊列的數(shù)據(jù)操作也由LwIP負責(zé)，我們所要實現(xiàn)的是如下函數(shù)：
struct sys_timeouts * sys_arch_timeouts(void)
這個函數(shù)的功能是返回目前正處于運行態(tài)的線程所對應(yīng)的timeout隊列指針。timeout隊列屬于線程的屬性，因此是OS相關(guān)的函數(shù)，只能由用戶實現(xiàn)。
(4) sys_thread_new 創(chuàng)建新線程
LwIP可以是單線程運行，即只有一個tcpip線程（tcpip_thread），負責(zé)處理所有的tcp/ucp連接，各種網(wǎng)絡(luò)程序都通過tcpip線程與網(wǎng)絡(luò)交互。但LwIP也可以多線程運行，以提高效率，降低編程復(fù)雜度。這時就需要用戶實現(xiàn)創(chuàng)建新線程的函數(shù)：
void sys_thread_new(void (* thread)(void *arg), void *arg);
在µC/OS II中，沒有線程（thread）的概念，只有任務(wù)（Task）。它已經(jīng)提供了創(chuàng)建新任務(wù)的系統(tǒng)API調(diào)用OSTaskCreate，因此只要把OSTaskCreate封裝一下，就可以實現(xiàn)sys_thread_new。需要注意的是LwIP中的thread并沒有µC/OS II中優(yōu)先級的概念，實現(xiàn)時要由用戶事先為LwIP中創(chuàng)建的線程分配好優(yōu)先級。

4、lib_arch中庫函數(shù)的實現(xiàn)：
LwIP協(xié)議棧中用到了8個外部函數(shù)，這些函數(shù)通常與用戶使用的系統(tǒng)或編譯器有關(guān)，因此留給用戶自己實現(xiàn)。如下：
u16_t htons(u16_t n); //16位數(shù)據(jù)高低字節(jié)交換
u16_t ntohs(u16_t n);
u32_t htonl(u32_t n); //32位數(shù)據(jù)大小頭對調(diào)
u32_t ntohl(u32_t n);
int strlen(const char *str); //返回字符串長度
int strncmp(const char *str1, const char *str2, int len); //字符串比較
void bcopy(const void *src, void *dest, int len); //內(nèi)存數(shù)據(jù)塊之間的互相拷貝
void bzero(void *data, int n); //內(nèi)存中指定長度的數(shù)據(jù)塊清零
前四個函數(shù)通常由用戶自己實現(xiàn)。在我的系統(tǒng)中，由于使用了gcc編譯器，gcc的lib庫里已經(jīng)有了兩個字符串操作函數(shù)。若用戶的編譯器的庫中沒有這些函數(shù)，需要自己編寫。

5、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序：
在我的系統(tǒng)中使用的網(wǎng)絡(luò)芯片為RealTek的8019as芯片，這是ISA 10BASE－T的以太網(wǎng)芯片，與Ne2k兼容。所以目前實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動是針對Ne2k的，其它類型的網(wǎng)絡(luò)芯片驅(qū)動可以在LwIP的網(wǎng)站上找到。LwIP的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動有一定的模型，ucosiiLwIPsource etlwiparchucosII etif 中的ne2kif.c文件即為驅(qū)動的模板，用戶為自己的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實現(xiàn)驅(qū)動時應(yīng)參照此模板。
在LwIP中可以有多個網(wǎng)絡(luò)接口，每個網(wǎng)絡(luò)接口都對應(yīng)了一個struct netif，這個ne2kif包含了相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口的屬性、收發(fā)函數(shù)。LwIP調(diào)用ne2kif的方法netif->input()及netif->output()進行以太網(wǎng)packet的收、發(fā)等操作。在驅(qū)動中主要做的，就是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口的收、發(fā)、初始化以及中斷處理函數(shù)。驅(qū)動程序工作在IP協(xié)議模型的網(wǎng)絡(luò)接口層，它提供給上層（IP層）的接口函數(shù)如下：
//網(wǎng)卡初始化函數(shù)
void low_level_init (struct netif *netif)
//網(wǎng)卡接收函數(shù)，從網(wǎng)絡(luò)接口接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包并把其中的IP報文向IP層發(fā)送
//在中斷方式下由網(wǎng)卡ISR調(diào)用
void ne2k_recv_packet (struct netif *netif)
//網(wǎng)卡發(fā)送函數(shù)，給IP層傳過來的IP報文加上以太網(wǎng)包頭并通過網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送
err_t ne2k_send_packet (struct netif *netif, struct pbuf *p, struct ip_addr *ipaddr)
//網(wǎng)卡中斷處理函數(shù)ISR
void ne2k_isr (void);
以上的函數(shù)都可以分為協(xié)議棧本身的處理和對網(wǎng)絡(luò)接口硬件的操作兩部份，但硬件操作是對上層屏蔽的，具體參見RTL8019as、DM9008等Ne2k網(wǎng)絡(luò)芯片的數(shù)據(jù)手冊。驅(qū)動程序可以到LwIP的網(wǎng)站下載。