LwIP在uCOS II下的實現

1、概述：
    LwIP協議棧在設計時就考慮到了將來的移植問題，因此把所有與硬體、OS、編譯器相關的部份獨立出來，放在ucosii&LwIPsource etlwiparch目錄下。因此LwIP在uCOS II上的實現就是修改這個目錄下的文件，其它的文件一般不應該修改。下面分幾部份分別說明相應文件的實現原理和過程。

2、與CPU或編譯器相關的include文件：
ucosii&LwIPsource etlwiparchucosIIincludearch目錄下cc.h、cpu.h、perf.h中有一些與CPU或編譯器相關的定義，如數據長度，字的高低位順序等。這應該與用戶實現µC/OS II時定義的數據長度等參數是一致的。
#define BYTE_ORDER LITTLE_ENDIAN  //C33209默認為小端存儲系統
//數據類型長度的定義
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語言的結構體struct是4位元組對齊的，但是在處理數據包的時候，LwIP使用的是通過結構體中不同數據的長度來讀取相應的數據的，所以，一定要在定義struct的時候使用_packed關鍵字，讓編譯器放棄struct的位元組對齊。LwIP也考慮到了這個問題，所以，在它的結構體定義中有幾個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的_packed關鍵字。比如在Skyeye（C33209）上對應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操作系統相關部份：
    sys_arch.[ch]中的內容是與OS相關的一些結構和函數，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中應實現信號量結構體和處理函數：
struct  sys_sem_t
    sys_sem_new（）            //創建一個信號量結構
    sys_ sem _free（）            //釋放一個信號量結構
    sys_ sem _signal（）        //發送信號量
    sys_ arch_sem _wait（）    //請求信號量
由於µC/OSII已經實現了信號量OS_EVENT的各種操作，並且功能和LwIP上面幾個函數的目的功能是完全一樣的，所以只要把µC/OSII的函數重新包裝成上面的函數，就可以直接使用了。
(2)    sys_mbox_t 消息
LwIP使用消息隊列來緩衝、傳遞數據報文，因此要在sys_arch中實現消息隊列結構sys_mbox_t，以及相應的操作函數：
sys_mbox_new（）          //創建一個消息隊列
sys_mbox_free（）          //釋放一個消息隊列
sys_mbox_post（）          //向消息隊列發送消息
sys_arch_mbox_fetch（）      //從消息隊列中獲取消息
µC/OSII同樣實現了消息隊列結構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的基礎上重新實現。為了實現對消息的管理，我們定義了以下結構：
typedef struct {
        OS_EVENT*   pQ;
        void* pvQEntries[MAX_QUEUE_ENTRIES];
} sys_mbox_t；
在以上結構中，包括OS_EVENT類型的隊列指針（pQ）和隊列內的消息（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，然後使用µC/OS-II中的內存管理模塊實現對消息的創建、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
LwIP中每個與外界網路連接的線程都有自己的timeout屬性，即等待超時時間。這個屬性表現為每個線程都對應一個sys_timeout結構體隊列，包括這個線程的timeout時間長度，以及超時后應調用的timeout函數，該函數會做一些釋放連接，回收資源的工作。如果一個線程對應的sys_timeout為空（NULL），說明該線程對連接做永久的等待。
timeout結構體已經由LwIP自己在sys.h中定義好了，而且對結構體隊列的數據操作也由LwIP負責，我們所要實現的是如下函數：
struct sys_timeouts * sys_arch_timeouts(void)
這個函數的功能是返回目前正處於運行態的線程所對應的timeout隊列指針。timeout隊列屬於線程的屬性，因此是OS相關的函數，只能由用戶實現。
(4)    sys_thread_new 創建新線程
LwIP可以是單線程運行，即只有一個tcpip線程（tcpip_thread），負責處理所有的tcp/ucp連接，各種網路程序都通過tcpip線程與網路交互。但LwIP也可以多線程運行，以提高效率，降低編程複雜度。這時就需要用戶實現創建新線程的函數：
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（Task）。它已經提供了創建新任務的系統API調用OSTaskCreate，因此只要把OSTaskCreate封裝一下，就可以實現sys_thread_new。需要注意的是LwIP中的thread並沒有µC/OS II中優先順序的概念，實現時要由用戶事先為LwIP中創建的線程分配好優先順序。

4、lib_arch中庫函數的實現：
    LwIP協議棧中用到了8個外部函數，這些函數通常與用戶使用的系統或編譯器有關，因此留給用戶自己實現。如下：
u16_t htons(u16_t n);     //16位數據高低位元組交換
u16_t ntohs(u16_t n);
u32_t htonl(u32_t n);      //32位數據大小頭對調
u32_t ntohl(u32_t n);
int strlen(const char *str);    //返回字元串長度
int strncmp(const char *str1, const char *str2, int len);  //字元串比較
void bcopy(const void *src, void *dest, int len);    //內存數據塊之間的互相拷貝
void bzero(void *data, int n);        //內存中指定長度的數據塊清零
    前四個函數通常由用戶自己實現。在我的系統中，由於使用了gcc編譯器，gcc的lib庫里已經有了兩個字元串操作函數。若用戶的編譯器的庫中沒有這些函數，需要自己編寫。

5、網路設備驅動程序：
    在我的系統中使用的網路晶元為RealTek的8019as晶元，這是ISA 10BASE－T的乙太網晶元，與Ne2k兼容。所以目前實現的網路設備驅動是針對Ne2k的，其它類型的網路晶元驅動可以在LwIP的網站上找到。LwIP的網路驅動有一定的模型，ucosii&LwIPsource etlwiparchucosII etif 中的ne2kif.c文件即為驅動的模板，用戶為自己的網路設備實現驅動時應參照此模板。
    在LwIP中可以有多個網路介面，每個網路介面都對應了一個struct netif，這個ne2kif包含了相應網路介面的屬性、收發函數。LwIP調用ne2kif的方法netif->input()及netif->output()進行乙太網packet的收、發等操作。在驅動中主要做的，就是實現網路介面的收、發、初始化以及中斷處理函數。驅動程序工作在IP協議模型的網路介面層，它提供給上層（IP層）的介面函數如下：
//網卡初始化函數
void low_level_init (struct netif *netif)
//網卡接收函數，從網路介面接收乙太網數據包並把其中的IP報文向IP層發送
//在中斷方式下由網卡ISR調用
void ne2k_recv_packet (struct netif *netif)
//網卡發送函數，給IP層傳過來的IP報文加上乙太網包頭並通過網路介面發送
err_t ne2k_send_packet (struct netif *netif, struct pbuf *p, struct ip_addr *ipaddr)
//網卡中斷處理函數ISR
void ne2k_isr (void);
    以上的函數都可以分為協議棧本身的處理和對網路介面硬體的操作兩部份，但硬體操作是對上層屏蔽的，具體參見RTL8019as、DM9008等Ne2k網路晶元的數據手冊。驅動程序可以到LwIP的網站下載。

6、應用實例的建立和測試
    做完上面的移植修改工作以後，就可以在uCOS II中初始化LwIP，並創建TCP或UDP任務進行測試了。這部份完全是C語言的實現，因此這部份在ez80和ARM7上基本都是一樣的。值得注意的是LwIP的初始化必須在uCOS II完全啟動之後也就是在任務中進行，因為它的初始化用到了信號量等OS相關的操作。關鍵部份的代碼和說明如下：
void start_kernel(void)
{
    int     LineNo10 = 0;
    int     LineNo11 = 1;
    int     LineNo12 = 2;
    int     LineNo13 = 3;
    int     LineNo14 = 4;

    OSInit();
    OSTaskCreate(lwip_init_task, &LineNo10, &lwip_init_stk[TASK_STK_SIZE-1], 0);
    OSTaskCreate(usr_task,&LineNo14,&usr_stk[TASK_STK_SIZE-1],20);
    vRTCStart();
    OSStart();
    /* NEVER EXECUTED */
    while(1);
}
主程序中創建了lwip_init_task初始化LwIP任務（優先順序0）和usr_task用戶任務（優先順序20）。lwip_init_task任務中除了初始化硬體時鐘和LwIP之外，還創建了tcpip_thread（優先順序5）和tcpecho_thread（優先順序6）。實際上tcpip_thread才是LwIP的主線程，多線程的Berkley API也是基於這個線程實現的，即上面的tcpecho_thread線程也要依靠tcpip_thread線程來與外界通信，這樣做的好處是編程簡單，結構清晰。
實用Berkley API實現的tcpecho_thread是一個TCP echo伺服器，監聽7號埠，程序框架如下：
void tcpecho_thread(void *arg){
conn = netconn_new(NETCONN_TCP);  //創建新的連接標識
netconn_bind(conn, NULL, 7);        //綁定到7號埠
netconn_listen(conn);                //開始監聽埠
  while(1){
    newconn = netconn_accept(conn);        //接收外部到來的連接
    buf = netconn_recv(newconn)        //獲取數據
    …….                            //處理數據
    netconn_write(newconn, data, len, NETCONN_COPY); //發送數據
    netconn_delete(newconn);            //釋放本次連接
}
    }
    編譯運行后，用ping ip地址命令可以得到ICMP reply響應。用telnet ip地址 7（登錄7號埠）命令可以看到echo server的回顯效果。說明ARP、ICMP、IP、TCP協議都已正確運行。