基于TCP/IP协议轻量化嵌入式协议栈LwIP方案-综合2

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1 硬件方案

1.1 ENC28J60

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1.1.1 基于ENC28J60的LwIP方案移植

  • ENC28J60初始化 image.png
  • netif_add()函数来完成网卡的注册 image.png
  • ethernetif.c
  • low_level_init 函数主要完成网卡的复位、协议栈网络接口管理结构体netif中相关字段的初始化 image.png
  • low_level_output 函数用于发送数据，将 LWIP 协议栈准备好的数据通过网卡发送出去，先将 pbuf 结构的数据放到buffer中，然后调用函数ENC28J60_Packet_Send()发送数据
  • low_level_input函数是从网卡中提取数据，并将数据封装在 pbuf 结构体中供 LWIP 使用，函数 low_level_input()首先调用函数ENC28J60_Packet_Receive()接收网络数据，然后将数据打包成 pbuf 结构，然后将这个 pbuf 返回，low_level_input 函数就是完成这个功能的 image.png image.png
  • 从网络缓冲区中读取接收到的数据包并将其发送给LWIP处理 image.png
  • LWIP 内核中有许多的周期性的定时器，相对应的定时处理函数也需要被周期性调用的，因为没有使用操作系统，所有需要我们自己使用定时器来实现。比如：使用 STM32F103 定时器3提供这个系统时钟，定时器 3 定时周期为 10ms，定时器 3 的中断服务函数如下，lwip_localtime 是一个全局变量，在 lwip_comm.c 文件中有定义 image.png image.png image.png
  • lwip初始化 image.png

1.2 W5500

  • 移植类似，参考ENC28J60 image.png image.png image.png

2 轻量化嵌入式协议栈LwIP

2.1 LwIP主要特点

  • LwIP 全名：Light weight IP，意思是轻量化的 TCP/IP 协议，是瑞典计算机科学院 (SICS)的 Adam Dunkels 开发的一个小型开源的 TCP/IP 协议栈。
  • LwIP 的设计初衷是：用少量的资源消耗实现一个较为完整的 TCP/IP 协议栈，其中“完整”主要指的是 TCP 协议的完整性，实现的重点是在保持 TCP 协议主要功能的基础上减少对 RAM 的占用。此外 LwIP既可以移植到操作系统上运行，也可以在无操作系统的情况下独立运行。 image.png

2.2 LwIP在嵌入式中使用优点

    1. 资源开销低，即轻量化。LwIP 内核有自己的内存管理策略和数据包管理策略，使得内核处理数据包的效率很高。另外，LwIP 高度可剪裁，一切不需要的功能都可以通过宏编译选项去掉。LwIP 的流畅运行需要 40KB 的代码 ROM 和几十KB的RAM，这让它非常适合用在内存资源受限的嵌入式设备中。
    1. 支持的协议较为完整。几乎支持 TCP/IP 中所有常见的协议，这在嵌入式设备中早已够用。
    1. 实现了一些常见的应用程序：DHCP 客户端、DNS客户端、HTTP 服务器、MQTT 客户端、TFTP 服务器、SNTP 客户端等等。
    1. 同时提供了三种编程接口：RAW API、NETCONN API（注：NETCONN API即为 Sequential API，为了统一，下文均采用 NETCONN API）和 Socket API。这三种 API的执行效率、易用性、可移植性以及时空间的开销各不相同，用户可以根据实际需要，平衡利弊，选择合适的 API进行网络应用程序的开发。
    1. 高度可移植。其源代码全部用 C实现，用户可以很方便地实现跨处理器、跨编译器的移植。另外，它对内核中会使用到操作系统功能的地方进行了抽象，使用了一套自定义的 API，用户可以通过自己实现这些 API，从而实现跨操作系统的移植工作。
    1. 开源、免费，用户可以不用承担任何商业风险地使用它。
    1. 相比于嵌入式领域其它的 TCP/IP 协议栈，比如 uC-TCP/IP、FreeRTOS-TCP 等，LwIP 的发展历史要更悠久一些，得到了更多的验证和测试。LwIP 被广泛用在嵌入式网络设备中，国内一些物联网公司推出的物联网操作系统，其 TCP/IP 核心就是 LwIP；物联网知名的WiFi模块 ESP8266，其 TCP/IP 固件，使用的就是 LwIP。

3 提高 LwIP 网络传输的速度

  • 如果按照 LwIP 默认的配置，是远不可能达到我们实验所显示的速度的，因为还没优化，那肯定也是不稳定的，下面我们来看看优化的参数，首先，网速必然受限于硬件，只有硬件是很好的，那么软件才能优化的更好，网卡肯定要选择好一点的网卡，然后在工程中的 stm32f4xx_hal_config.h 文件中配置以太网发送和接收的缓冲区大小，默认是 4，我们可以稍微改大一点
  • 对 LwIP 管理的内存肯定要分配的大一些，
  • 而对于发送数据是存储在 ROM 或者静态存储区的时候，还要将 MEMP_NUM_PBUF宏定义改的大一点，当然发送缓冲区大小和发送缓冲区队列长度决定了发送速度的大小，根据不同需求进行配置，并且需要不断调试，
  • 而对于接收数据的配置，应该配置 TCP 缓冲队列中的报文段数量与 TCP 接收窗口大小，特别是接收窗口的大小，这直接可以影响数据的接收速度。
  • 想要整个 LwIP 能高速平稳运行，只配置这些是不够的，比如我们应该使用中断的方式接收数据，这就省去了 CPU查询数据，而且，我们应该将内核邮箱的容量增大，这样子在接收到数据之后，投递给内核就不会因为无法投递而阻塞，同时内核线程的优先级应该设置得更高一点，这样子就能及时去处理这些数据，
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