LwIP协议栈在uCOS II下的实现

1、概述：
    LwIP协议栈在设计时就考虑到了将来的移植问题，因此把所有与硬件、OS、编译器相关的部份独立出来，放在ucosii&LwIPsource etlwiparch目录下。因此LwIP在uCOS II上的实现就是修改这个目录下的文件，其它的文件一般不应该修改。下面分几部份分别说明相应文件的实现原理和过程。

2、与CPU或编译器相关的include文件：
ucosii&LwIPsource etlwiparchucosIIincludearch目录下cc.h、cpu.h、perf.h中有一些与CPU或编译器相关的定义，如数据长度，字的高低位顺序等。这应该与用户实现µC/OS II时定义的数据长度等参数是一致的。
#define BYTE_ORDER LITTLE_ENDIAN  //C33209默认为小端存储系统
//数据类型长度的定义
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;
此外还有一点：一般情况下C语言的结构体struct是4字节对齐的，但是在处理数据包的时候，LwIP使用的是通过结构体中不同数据的长度来读取相应的数据的，所以，一定要在定义struct的时候使用_packed关键字，让编译器放弃struct的字节对齐。LwIP也考虑到了这个问题，所以，在它的结构体定义中有几个PACKED_FIELD_xxx宏，默认的时候这几个宏都是空的，可以在移植的时候添加不同的编译器所对应的_packed关键字。比如在Skyeye（C33209）上对应gcc编译器的定义：
#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 *** 作系统相关部份：
    sys_arch.[ch]中的内容是与OS相关的一些结构和函数，主要可以分为四个部份：
(1)    sys_sem_t 信号量
LwIP中需要使用信号量通信，所以在sys_arch中应实现信号量结构体和处理函数：
struct  sys_sem_t
    sys_sem_new（）            //创建一个信号量结构
    sys_ sem _free（）            //释放一个信号量结构
    sys_ sem _signal（）        //发送信号量
    sys_ arch_sem _wait（）    //请求信号量
由于µC/OSII已经实现了信号量OS_EVENT的各种 *** 作，并且功能和LwIP上面几个函数的目的功能是完全一样的，所以只要把µC/OSII的函数重新包装成上面的函数，就可以直接使用了。
(2)    sys_mbox_t 消息
LwIP使用消息队列来缓冲、传递数据报文，因此要在sys_arch中实现消息队列结构sys_mbox_t，以及相应的 *** 作函数：
sys_mbox_new（）          //创建一个消息队列
sys_mbox_free（）          //释放一个消息队列
sys_mbox_post（）          //向消息队列发送消息
sys_arch_mbox_fetch（）      //从消息队列中获取消息
µC/OSII同样实现了消息队列结构OSQ及其 *** 作，但是µC/OS-II没有对消息队列中的消息进行管理，因此不能直接使用，必须在µC/OS-II的基础上重新实现。为了实现对消息的管理，我们定义了以下结构：
typedef struct {
        OS_EVENT*   pQ;
        void* pvQEntries[MAX_QUEUE_ENTRIES];
} sys_mbox_t；
在以上结构中，包括OS_EVENT类型的队列指针（pQ）和队列内的消息（pvQEntries）两部分，对队列本身的管理利用µC/OS-II自己的OSQ *** 作完成，然后使用µC/OS-II中的内存管理模块实现对消息的创建、使用、删除回收，两部分综合起来形成了LwIP的消息队列功能。
(3)    sys_arch_TImeout 函数
LwIP中每个与外界网络连接的线程都有自己的TImeout属性，即等待超时时间。这个属性表现为每个线程都对应一个sys_TImeout结构体队列，包括这个线程的TImeout时间长度，以及超时后应调用的timeout函数，该函数会做一些释放连接，回收资源的工作。如果一个线程对应的sys_timeout为空（NULL），说明该线程对连接做永久的等待。
timeout结构体已经由LwIP自己在sys.h中定义好了，而且对结构体队列的数据 *** 作也由LwIP负责，我们所要实现的是如下函数：
struct sys_timeouts * sys_arch_timeouts(void)
这个函数的功能是返回目前正处于运行态的线程所对应的timeout队列指针。timeout队列属于线程的属性，因此是OS相关的函数，只能由用户实现。
(4)    sys_thread_new 创建新线程
LwIP可以是单线程运行，即只有一个tcpip线程（tcpip_thread），负责处理所有的tcp/ucp连接，各种网络程序都通过tcpip线程与网络交互。但LwIP也可以多线程运行，以提高效率，降低编程复杂度。这时就需要用户实现创建新线程的函数：
void sys_thread_new(void (* thread)(void *arg), void *arg);
在µC/OS II中，没有线程（thread）的概念，只有任务（Task）。它已经提供了创建新任务的系统API调用OSTaskCreate，因此只要把OSTaskCreate封装一下，就可以实现sys_thread_new。需要注意的是LwIP中的thread并没有µC/OS II中优先级的概念，实现时要由用户事先为LwIP中创建的线程分配好优先级。

4、lib_arch中库函数的实现：
    LwIP协议栈中用到了8个外部函数，这些函数通常与用户使用的系统或编译器有关，因此留给用户自己实现。如下：
u16_t htons(u16_t n);     //16位数据高低字节交换
u16_t ntohs(u16_t n);
u32_t htonl(u32_t n);      //32位数据大小头对调
u32_t ntohl(u32_t n);
int strlen(const char *str);    //返回字符串长度
int strncmp(const char *str1, const char *str2, int len);  //字符串比较
void bcopy(const void *src, void *dest, int len);    //内存数据块之间的互相拷贝
void bzero(void *data, int n);        //内存中指定长度的数据块清零
    前四个函数通常由用户自己实现。在我的系统中，由于使用了gcc编译器，gcc的lib库里已经有了两个字符串 *** 作函数。若用户的编译器的库中没有这些函数，需要自己编写。

5、网络设备驱动程序：
    在我的系统中使用的网络芯片为RealTek的8019as芯片，这是ISA 10BASE－T的以太网芯片，与Ne2k兼容。所以目前实现的网络设备驱动是针对Ne2k的，其它类型的网络芯片驱动可以在LwIP的网站上找到。LwIP的网络驱动有一定的模型，ucosii&LwIPsource etlwiparchucosII etif 中的ne2kif.c文件即为驱动的模板，用户为自己的网络设备实现驱动时应参照此模板。
    在LwIP中可以有多个网络接口，每个网络接口都对应了一个struct netif，这个ne2kif包含了相应网络接口的属性、收发函数。LwIP调用ne2kif的方法netif->input()及netif->output()进行以太网packet的收、发等 *** 作。在驱动中主要做的，就是实现网络接口的收、发、初始化以及中断处理函数。驱动程序工作在IP协议模型的网络接口层，它提供给上层（IP层）的接口函数如下：
//网卡初始化函数
void low_level_init (struct netif *netif)
//网卡接收函数，从网络接口接收以太网数据包并把其中的IP报文向IP层发送
//在中断方式下由网卡ISR调用
void ne2k_recv_packet (struct netif *netif)
//网卡发送函数，给IP层传过来的IP报文加上以太网包头并通过网络接口发送
err_t ne2k_send_packet (struct netif *netif, struct pbuf *p, struct ip_addr *ipaddr)
//网卡中断处理函数ISR
void ne2k_isr (void);
    以上的函数都可以分为协议栈本身的处理和对网络接口硬件的 *** 作两部份，但硬件 *** 作是对上层屏蔽的，具体参见RTL8019as、DM9008等Ne2k网络芯片的数据手册。驱动程序可以到LwIP的网站下载。

6、应用实例的建立和测试
    做完上面的移植修改工作以后，就可以在uCOS II中初始化LwIP，并创建TCP或UDP任务进行测试了。这部份完全是C语言的实现，因此这部份在ez80和ARM7上基本都是一样的。值得注意的是LwIP的初始化必须在uCOS II完全启动之后也就是在任务中进行，因为它的初始化用到了信号量等OS相关的 *** 作。关键部份的代码和说明如下：
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);
}
主程序中创建了lwip_init_task初始化LwIP任务（优先级0）和usr_task用户任务（优先级20）。lwip_init_task任务中除了初始化硬件时钟和LwIP之外，还创建了tcpip_thread（优先级5）和tcpecho_thread（优先级6）。实际上tcpip_thread才是LwIP的主线程，多线程的Berkley API也是基于这个线程实现的，即上面的tcpecho_thread线程也要依靠tcpip_thread线程来与外界通信，这样做的好处是编程简单，结构清晰。
实用Berkley API实现的tcpecho_thread是一个TCP echo服务器，监听7号端口，程序框架如下：
void tcpecho_thread(void *arg){
conn = netconn_new(NETCONN_TCP);  //创建新的连接标识
netconn_bind(conn, NULL, 7);        //绑定到7号端口
netconn_listen(conn);                //开始监听端口
  while(1){
    newconn = netconn_accept(conn);        //接收外部到来的连接
    buf = netconn_recv(newconn)        //获取数据
    …….                            //处理数据
    netconn_write(newconn, data, len, NETCONN_COPY); //发送数据
    netconn_delete(newconn);            //释放本次连接
}
    }
    编译运行后，用ping ip地址命令可以得到ICMP reply响应。用telnet ip地址 7（登录7号端口）命令可以看到echo server的回显效果。说明ARP、ICMP、IP、TCP协议都已正确运行。