LwIP——无操作系统启动流程

目录

启动流程

虚拟网卡控制块

发送流程

接收流程

 总结

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启动流程

通过阅读正点原子的无操作系统移植工程的源码，可以总结出LwIP的无操作系统的启动流程。

前面一些都是基于其他的外设的初始化，我们只关心这里lwip_comm_init()，这个函数的总流程先给出。 

uint8_t lwip_comm_init(void)
{
    uint8_t retry = 0;
    struct netif *netif_init_flag;              /* 调用netif_add()函数时的返回值,用于判断网络初始化是否成功 */
    ip_addr_t ipaddr;                           /* ip地址 */
    ip_addr_t netmask;                          /* 子网掩码 */
    ip_addr_t gw;                               /* 默认网关 */

    if (ethernet_mem_malloc())return 1;         /* 内存申请失败*/

    lwip_comm_default_ip_set(&g_lwipdev);       /* 设置默认IP等信息 */

    while (ethernet_init())                     /* 初始化以太网芯片,如果失败的话就重试5次 */
    {
        retry++;

        if (retry > 5)
        {
            retry = 0;                          /* 以太网芯片初始化失败 */
            return 3;
        }
    }

    lwip_init();                                /* 初始化LWIP内核 */

#if LWIP_DHCP                                   /* 使用动态IP */
    ipaddr.addr = 0;
    netmask.addr = 0;
    gw.addr = 0;
#else   /* 使用静态IP */
    IP4_ADDR(&ipaddr, g_lwipdev.ip[0], g_lwipdev.ip[1], g_lwipdev.ip[2], g_lwipdev.ip[3]);
    IP4_ADDR(&netmask, g_lwipdev.netmask[0], g_lwipdev.netmask[1], g_lwipdev.netmask[2], g_lwipdev.netmask[3]);
    IP4_ADDR(&gw, g_lwipdev.gateway[0], g_lwipdev.gateway[1], g_lwipdev.gateway[2], g_lwipdev.gateway[3]);
    printf("网卡en的MAC地址为:................%d.%d.%d.%d.%d.%d\r\n", g_lwipdev.mac[0], g_lwipdev.mac[1], g_lwipdev.mac[2], g_lwipdev.mac[3], g_lwipdev.mac[4], g_lwipdev.mac[5]);
    printf("静态IP地址........................%d.%d.%d.%d\r\n", g_lwipdev.ip[0], g_lwipdev.ip[1], g_lwipdev.ip[2], g_lwipdev.ip[3]);
    printf("子网掩码..........................%d.%d.%d.%d\r\n", g_lwipdev.netmask[0], g_lwipdev.netmask[1], g_lwipdev.netmask[2], g_lwipdev.netmask[3]);
    printf("默认网关..........................%d.%d.%d.%d\r\n", g_lwipdev.gateway[0], g_lwipdev.gateway[1], g_lwipdev.gateway[2], g_lwipdev.gateway[3]);
#endif  /* 向网卡列表中添加一个网口 */
    netif_init_flag = netif_add(&g_lwip_netif, (const ip_addr_t *)&ipaddr, (const ip_addr_t *)&netmask, (const ip_addr_t *)&gw, NULL, ðernetif_init, ðernet_input);


    if (netif_init_flag == NULL)
    {
        return 4;                             /* 网卡添加失败 */
    }
    else                                      /* 网口添加成功后,设置netif为默认值,并且打开netif网口 */
    {
        netif_set_default(&g_lwip_netif);     /* 设置netif为默认网口 */

        if (netif_is_link_up(&g_lwip_netif))
        {
            netif_set_up(&g_lwip_netif);      /* 打开netif网口 */
        }
        else
        {
            netif_set_down(&g_lwip_netif);
        }
    }

#if LWIP_DHCP                               /* 如果使用DHCP的话 */
    g_lwipdev.dhcpstatus = 0;                 /* DHCP标记为0 */
    dhcp_start(&g_lwip_netif);                /* 开启DHCP服务 */
#endif
    return 0;                               /* 操作OK. */
}

ethernet_mem_malloc：为描述符及缓冲区申请内存，除了这种用算法实现的内存申请函数可以申请内存之外，ST官方给出的例程是使用简单的使用数组来实现申请内存。

/**
 * @breif       为ETH底层驱动申请内存
 * @param       无
 * @retval      0,正常
 *              1,失败
 */
uint8_t ethernet_mem_malloc(void)
{
    g_eth_dma_rx_dscr_tab = mymalloc(SRAMIN, ETH_RXBUFNB * sizeof(ETH_DMADescTypeDef)); /* 申请内存 */
    g_eth_dma_tx_dscr_tab = mymalloc(SRAMIN, ETH_TXBUFNB * sizeof(ETH_DMADescTypeDef)); /* 申请内存 */
    g_eth_rx_buf = mymalloc(SRAMIN, ETH_RX_BUF_SIZE * ETH_RXBUFNB); /* 申请内存 */
    g_eth_tx_buf = mymalloc(SRAMIN, ETH_TX_BUF_SIZE * ETH_TXBUFNB); /* 申请内存 */

    if (!(uint32_t)&g_eth_dma_rx_dscr_tab || !(uint32_t)&g_eth_dma_tx_dscr_tab || !(uint32_t)&g_eth_rx_buf || !(uint32_t)&g_eth_tx_buf)
    {
        ethernet_mem_free();
        return 1;   /* 申请失败 */
    }

    return 0;       /* 申请成功 */
}

ethernet_init：配置以太网环境、初始化RMII的IO(通过调用的HAL_ETH_Init函数，它会调用HAL_ETH_MspInit函数初始化相应的接口IO以及复位PHY芯片管脚)、复位PHY芯片（非常重要，不复位以太网通信不能成功）

/**
 * @brief       以太网芯片初始化
 * @param       无
 * @retval      0,成功
 *              1,失败
 */
uint8_t ethernet_init(void)
{
    uint8_t macaddress[6];

    macaddress[0] = g_lwipdev.mac[0];
    macaddress[1] = g_lwipdev.mac[1];
    macaddress[2] = g_lwipdev.mac[2];
    macaddress[3] = g_lwipdev.mac[3];
    macaddress[4] = g_lwipdev.mac[4];
    macaddress[5] = g_lwipdev.mac[5];

    g_eth_handler.Instance = ETH;
    g_eth_handler.Init.AutoNegotiation = ETH_AUTONEGOTIATION_ENABLE;    /* 使能自协商模式 */
    g_eth_handler.Init.Speed = ETH_SPEED_100M;                          /* 速度100M,如果开启了自协商模式，此配置就无效 */
    g_eth_handler.Init.DuplexMode = ETH_MODE_FULLDUPLEX;                /* 全双工模式，如果开启了自协商模式，此配置就无效 */
    g_eth_handler.Init.PhyAddress = ETHERNET_PHY_ADDRESS;               /* 以太网芯片的地址 */
    g_eth_handler.Init.MACAddr = macaddress;                            /* MAC地址 */
    g_eth_handler.Init.RxMode = ETH_RXINTERRUPT_MODE;                   /* 中断接收模式 */
    g_eth_handler.Init.ChecksumMode = ETH_CHECKSUM_BY_HARDWARE;         /* 硬件帧校验 */
    g_eth_handler.Init.MediaInterface = ETH_MEDIA_INTERFACE_RMII;       /* RMII接口 */

    if (HAL_ETH_Init(&g_eth_handler) == HAL_OK)
    {
        return 0;   /* 成功 */
    }
    else
    {
        return 1;  /* 失败 */
    }
}

lwip_init：初始化LwIP内核，它是LwIP内核源码自带的函数，初始化了一系列函数，如sys_init()、mem_init()、pbuf_init()、netif_init()。

添加虚拟网卡

LwIP是软件，如何管理真正的以太网硬件呢，比如网络接口有多种，如WIFI接口、以太网接口，怎么管理这些实际的网络接口，LwIP抽象了一个虚拟网卡来管理这些各种硬件网络接口。

ethernetif_init：网卡初始化，设置虚拟网卡参数，该函数在ethernetif.c文件中已经帮我们实现好了整体框架。它会调用low_level_init函数，该函数初始化发送和接收描述符，并开启ETH中断。

err_t
ethernetif_init(struct netif *netif)
{
    struct ethernetif *ethernetif;

    LWIP_ASSERT("netif != NULL", (netif != NULL));

    ethernetif = mem_malloc(sizeof(struct ethernetif));
    
    if (ethernetif == NULL)
    {
        LWIP_DEBUGF(NETIF_DEBUG, ("ethernetif_init: out of memory\n"));
        return ERR_MEM;
    }

#if LWIP_NETIF_HOSTNAME
  /* Initialize interface hostname */
  netif->hostname = "lwip";
#endif /* LWIP_NETIF_HOSTNAME */

    /*
    * Initialize the snmp variables and counters inside the struct netif.
    * The last argument should be replaced with your link speed, in units
    * of bits per second.
    */
    MIB2_INIT_NETIF(netif, snmp_ifType_ethernet_csmacd, LINK_SPEED_OF_YOUR_NETIF_IN_BPS);

    netif->state = ethernetif;
    netif->name[0] = IFNAME0;
    netif->name[1] = IFNAME1;
    /* We directly use etharp_output() here to save a function call.
    * You can instead declare your own function an call etharp_output()
    * from it if you have to do some checks before sending (e.g. if link
    * is available...) */
#if LWIP_IPV4
    netif->output = etharp_output;
#endif /* LWIP_IPV4 */
#if LWIP_IPV6
    netif->output_ip6 = ethip6_output;
#endif /* LWIP_IPV6 */
    netif->linkoutput = low_level_output;

    ethernetif->ethaddr = (struct eth_addr *) & (netif->hwaddr[0]);

    /* initialize the hardware */
    low_level_init(netif);

    return ERR_OK;
}

low_level_init：初始化发送和接收描述符，并开启ETH中断。

static void
low_level_init(struct netif *netif)
{
    netif->hwaddr_len = ETHARP_HWADDR_LEN; /* 设置MAC地址长度,为6个字节 */
    /* 初始化MAC地址,设置什么地址由用户自己设置,但是不能与网络中其他设备MAC地址重复 */
    netif->hwaddr[0] = g_lwipdev.mac[0]; 
    netif->hwaddr[1] = g_lwipdev.mac[1]; 
    netif->hwaddr[2] = g_lwipdev.mac[2];
    netif->hwaddr[3] = g_lwipdev.mac[3];   
    netif->hwaddr[4] = g_lwipdev.mac[4];
    netif->hwaddr[5] = g_lwipdev.mac[5];
    
    netif->mtu = 1500; /* 最大允许传输单元,允许该网卡广播和ARP功能 */

    /* 网卡状态信息标志位，是很重要的控制字段，它包括网卡功能使能、广播 */
    /* 使能、 ARP 使能等等重要控制位 */
    netif->flags = NETIF_FLAG_BROADCAST | NETIF_FLAG_ETHARP | NETIF_FLAG_LINK_UP;   /* 广播 ARP协议 链接检测 */
    
    HAL_ETH_DMATxDescListInit(&g_eth_handler,g_eth_dma_tx_dscr_tab,g_eth_tx_buf,ETH_TXBUFNB); /* 初始化发送描述符 */
    HAL_ETH_DMARxDescListInit(&g_eth_handler,g_eth_dma_rx_dscr_tab,g_eth_rx_buf,ETH_RXBUFNB); /* 初始化接收描述符 */
    HAL_ETH_Start(&g_eth_handler); /* 开启ETH */
}

ethernet_input：以太网数据包输入，这里LwIP默认已经帮我们实现好了框架。

开启虚拟网卡：通过netif_add添加一个网口该函数实现如下：

    netif_init_flag = netif_add(&g_lwip_netif, (const ip_addr_t *)&ipaddr, (const ip_addr_t *)&netmask, (const ip_addr_t *)&gw, NULL, ðernetif_init, ðernet_input);

 网口添加成功之后，设置netif为默认值，并且打开netif网口。

else                                      /* 网口添加成功后,设置netif为默认值,并且打开netif网口 */
    {
        netif_set_default(&g_lwip_netif);     /* 设置netif为默认网口 */

        if (netif_is_link_up(&g_lwip_netif))
        {
            netif_set_up(&g_lwip_netif);      /* 打开netif网口 */
        }
        else
        {
            netif_set_down(&g_lwip_netif);
        }
    }

虚拟网卡控制块

发送流程

接收流程

接收有两种方式接收数据包，一种是查询式接收数据包，一种是中断方式接收数据包。

 总结