STM32与DM9000的LWIP无操作系统移植实验指导

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简介：本实验指导详细介绍了在没有操作系统支持的STM32微控制器上移植轻量级TCP/IP协议栈（LWIP）的过程。实验以STM32和DM9000以太网控制器的结合使用为核心，包含了程序设计、内存管理、任务调度等多个方面的技术细节。实验目标是实现不依赖于操作系统的网络通信功能，重点在于手动编写驱动程序，实现数据的接收和发送，以及采用中断服务例程和轮询机制来管理网络任务。本实验对于理解和掌握资源受限嵌入式系统中的网络编程非常有帮助。

1. LWIP协议栈移植

在嵌入式系统开发中，网络通信能力的添加对于设备的功能扩展至关重要。LWIP（Lightweight IP）是一个开源的TCP/IP协议栈实现，广泛应用于资源受限的系统中。移植LWIP协议栈是一个将网络功能引入微控制器（MCU）的关键步骤。本章节将引导您完成LWIP协议栈移植的基础流程，并确保您理解每个步骤的深层含义。

1.1 LWIP协议栈简介

LWIP协议栈设计之初就考虑到了资源限制，因此它支持包括TCP和UDP在内的核心网络协议，同时保持了较小的代码尺寸和内存占用。它实现了标准的BSD套接字接口，使得应用层编程变得简单直观。

1.2 移植前的准备

在开始移植LWIP之前，开发者需要准备以下几个条件： - 一台具备交叉编译环境的计算机，用于编译LWIP协议栈和应用代码； - 目标硬件平台的硬件抽象层（HAL）或硬件驱动库，这些通常由硬件供应商提供，或者自行开发； - 相应开发工具链的支持，例如GCC工具链的arm-none-eabi系列。

1.3 移植步骤详解

移植LWIP协议栈的步骤通常包括： - 下载和解压LWIP源码 ：获取最新版本的LWIP源码，并解压到本地开发目录。 - 配置LWIP ：通过修改 lwipopts.h 文件来配置LWIP的编译选项，包括内存管理、API选择等。 - 集成到项目 ：将配置好的LWIP源码集成到你的项目中，并确保它能与你的硬件抽象层和系统库正确链接。 - 编写初始化代码 ：在你的应用程序中添加初始化LWIP的代码，设置回调函数处理网络事件，并启动网络接口。

以下是一个简单的LWIP初始化代码示例：

#include "lwip/init.h"
#include "lwip/netif.h"
#include "lwip/timeouts.h"

struct netif server_netif;

void lwip_init_done_callback(void *arg) {
    // 网络接口初始化完成后的回调函数
}

int main(void) {
    // 初始化硬件和外设
    // ...

    // 初始化LWIP堆栈
    lwip_init();

    // 添加网络接口
    netif_add(&server_netif, IP_ADDR_ANY, IP_ADDR_ANY, IP_ADDR_ANY, NULL, &ethernetif_init, &tcpip_input);
    netif_set_default(&server_netif);
    netif_set_link_up(&server_netif);

    // 设置一个回调函数，在LWIP初始化完成后调用
    sys_timeout(0, lwip_init_done_callback, NULL);

    // 进入LWIP轮询和事件处理的循环
    while (1) {
        lwip_poll();
        ethernetif_input(&server_netif);
    }
}

在本章节的后续部分，我们将深入探讨LWIP协议栈的深入配置以及如何在特定硬件平台上完成移植工作。随着章节的展开，您将了解如何优化LWIP的内存使用，以及如何高效地集成和管理网络通信任务。

2. STM32微控制器应用

2.1 STM32微控制器基础

2.1.1 STM32微控制器简介

STM32微控制器是基于ARM® Cortex®-M系列处理器核心的微控制器产品线，广泛应用于嵌入式系统领域。这些微控制器系列拥有出色的性能、低功耗特性以及丰富的外设，可以满足从简单到复杂的各种应用需求。

在选择STM32微控制器时，工程师会考虑其核心类型、性能、功耗、内存大小、外设和封装等多方面因素。这些微控制器支持多种标准和通信接口，包括USB、CAN、I2C、SPI和USART等，使其能以极高的灵活性与各种外围设备交互。

2.1.2 STM32的开发环境搭建

开发STM32微控制器需要配置一系列的软件工具链，包括但不限于集成开发环境（IDE）、编译器、调试器和硬件抽象层（HAL）。其中最常用的IDE是STM32CubeIDE和Keil MDK-ARM。

STM32CubeIDE基于Eclipse平台，并集成了GCC编译器，提供了一个全面的开发环境，包括项目管理、代码编辑、编译、调试等功能。Keil MDK-ARM支持ARM公司的C/C++编译器，并提供了丰富的中间件和工具，以便开发者可以快速地开发复杂的应用程序。

代码示例 2.1.2-1：

/* 代码块解释：
这是创建STM32CubeIDE的一个新项目时生成的基础main.c文件中的代码片段。
其中初始化了HAL库，并调用了SystemClock_Config()函数来配置系统时钟。 */

int main(void)
{
  /* 初始化HAL库 */
  HAL_Init();
  /* 配置系统时钟 */
  SystemClock_Config();
  /* 主循环 */
  while (1)
  {
    // 应用程序代码
  }
}

void SystemClock_Config(void)
{
  /* 此函数用于配置系统时钟，包括时钟源、时钟树等 */
  // 时钟配置代码
}

2.2 STM32与LWIP协议栈的集成

2.2.1 LWIP协议栈在STM32上的配置

STM32微控制器可以运行LWIP（轻量级IP）协议栈，LWIP是专为嵌入式系统设计的TCP/IP协议栈。其设计目标是减少内存使用，从而使其能够在资源有限的系统中使用。

在STM32上配置LWIP协议栈，首先需要通过STM32CubeMX工具生成初始化代码，然后集成LWIP源代码。STM32CubeMX工具可以自动配置LWIP所需的硬件抽象层（HAL）和外设，简化了配置过程。

代码示例 2.2.1-1：

/* 代码块解释：
此代码展示如何通过STM32CubeMX生成的初始化函数来启动LWIP。
sys_init()是STM32CubeMX配置文件中定义的一个初始化函数，它负责初始化LWIP堆栈。
IP层初始化之后，会调用netif_add()函数来添加网络接口。 */

void MX_LWIP_Init(void)
{
  /* 初始化LWIP堆栈 */
  sys_init();
  /* 初始化网络接口 */
  struct netif gnetif;
  IP_addr_t ipaddr;
  IP_addr_t netmask;
  IP_addr_t gw;
  IP4_ADDR(&ipaddr, 192, 168, 1, 100);
  IP4_ADDR(&netmask, 255, 255, 255, 0);
  IP4_ADDR(&gw, 192, 168, 1, 1);
  netif_add(&gnetif, &ipaddr, &netmask, &gw, NULL, &ethernetif_init, &tcpip_input);
  netif_set_default(&gnetif);
  if (netif_is_link_up(&gnetif))
  {
    netif_set_up(&gnetif);
  }
  else
  {
    netif_set_down(&gnetif);
  }
}

2.2.2 STM32与LWIP协议栈的交互方式

在STM32中集成LWIP协议栈后，软件应用层将通过LWIP提供的API与协议栈交互。应用层可以注册回调函数来处理各种网络事件，例如接收到数据包、连接建立、数据发送和接收等。

STM32微控制器的外设驱动程序将与LWIP协议栈结合，实现硬件层到网络层的数据传输。通过这种方式，STM32可以作为客户端或服务器，与网络上的其他设备进行TCP或UDP通信。

代码示例 2.2.2-1：

/* 代码块解释：
展示了一个简单的TCP客户端示例代码，该代码创建一个TCP连接，然后发送一条消息并接收回复。
这是使用LWIP API与网络进行交互的典型方式。 */

struct tcp_pcb *tpcb;
err_t err;

/* 创建新的TCP控制块 */
tpcb = tcp_new();
if (tpcb != NULL) {
    /* 连接到服务器 */
    err = tcp_connect(tpcb, &remote_ip, remote_port, my_connected_callback);
}

/* 发送数据 */
err = tcp_write(tpcb, message, len, TCP_WRITE_FLAG_COPY);
if(err != ERR_OK) {
    tcp_close(tpcb);
    tcp_arg(tpcb, NULL);
}

/* 定义连接回调函数 */
void my_connected_callback(void *arg, struct tcp_pcb *tpcb, err_t err) {
    if (err == ERR_OK) {
        /* 连接成功 */
    }
    /* 处理接收到的数据 */
}

下文将介绍第三章内容，详细阐述DM9000以太网控制器的应用，包括控制器的功能特性、硬件连接与配置，以及与STM32和LWIP的协同工作。

3. DM9000以太网控制器应用

3.1 DM9000控制器概述

DM9000以太网控制器是一款广泛应用于嵌入式系统的网络控制芯片，它提供了完整的物理层和媒体访问控制层（MAC）功能。其支持10/100兆自适应，具备简便的接口和高速传输的能力。

3.1.1 DM9000控制器的功能和特性

DM9000控制器主要特性包括： - 全双工10/100Mbps以太网MAC和PHY层控制器 - 支持8/16位数据总线接口 - 28针SSOP封装，适合小体积产品应用 - 支持MII/RMII两种网络接口模式 - 内建16KB SRAM，用于数据缓冲 - 28个中断源，支持多种唤醒事件

由于其性能稳定且配置灵活，DM9000控制器在多种微控制器中得到了应用，如STM32、PIC等。

3.1.2 DM9000的硬件连接和配置

DM9000的硬件连接主要涉及几个关键步骤： 1. 电源和地线连接 ：确保电源稳定，并将地线连接正确。 2. 数据总线连接 ：根据选用的数据总线宽度（8位或16位），将DM9000的数据总线与微控制器相应的数据总线相连。 3. 控制信号连接 ：通过诸如CS、RD、WR等控制信号来控制数据的读写操作。 4. 以太网接口连接 ：将DM9000的TX+/TX-和RX+/RX-端口通过变压器连接到以太网RJ-45接口。

在配置方面，DM9000需要正确初始化，包括设置工作模式、网络参数（IP地址、MAC地址等）、中断和缓存管理等。通常通过SPI或直接总线与微控制器通信进行初始化设置。

3.2 DM9000与STM32及LWIP的协同工作

3.2.1 驱动程序的编写与初始化

为了使DM9000能够与STM32及LWIP协议栈协同工作，首先需要编写针对DM9000的驱动程序。在驱动程序中，需要定义一系列函数来初始化DM9000，如设置MAC地址、配置工作模式、启动以太网接口等。

// 代码示例：DM9000初始化函数
void DM9000_Init(void) {
    // 配置DM9000工作在SPI模式或直接总线模式
    // 配置GPIO等硬件资源
    // 初始化DM9000内部寄存器
    // 设置网络参数（如IP地址、MAC地址）
    // 其他必要的配置...
}

驱动程序初始化后，DM9000就能够开始接收和发送网络数据包了。

3.2.2 数据包的发送与接收处理

DM9000数据包的发送与接收处理是通过与LWIP协议栈的协同工作来实现的。当LWIP协议栈需要发送数据包时，会调用驱动程序提供的发送接口；而接收到数据包时，则需要驱动程序将其正确传递给LWIP协议栈进行进一步处理。

// 代码示例：DM9000发送数据包函数
void DM9000_SendPacket(uint8_t *buffer, uint16_t len) {
    // 等待发送缓存区就绪
    // 将数据写入DM9000发送缓存区
    // 发送数据包
}

// 代码示例：DM9000接收数据包函数
void DM9000_ReceivePacket(void) {
    // 检查是否有数据包到达
    // 将接收到的数据包从DM9000读取出来
    // 传递给LWIP协议栈
}

为了保证数据的高效传输，发送和接收处理函数应该尽可能高效，并处理可能的异常情况，例如网络拥塞或硬件故障。

在DM9000与STM32及LWIP协议栈的协同工作下，可以实现稳定可靠的网络通信功能，为嵌入式系统提供强大的网络支持。

4. 无操作系统网络编程

4.1 无操作系统网络编程基础

4.1.1 无操作系统下的网络通信原理

在没有操作系统的环境下进行网络编程，要求开发者对硬件和网络协议有深入的理解。由于缺乏操作系统的调度，所有的网络通信任务需要手动管理，包括内存分配、任务调度、中断处理等。无操作系统环境下的网络通信，通常依赖于微控制器内置的网络接口，如以太网控制器或无线模块。

在物理层面上，网络数据包的接收和发送是通过底层的物理介质实现，比如双绞线、光纤或无线信号。在数据链路层，以太网控制器或者相应的驱动程序会处理MAC地址的匹配、帧的封装和校验等功能。

网络层及其以上协议的实现，则依赖于开发者选择的网络协议栈，例如LWIP。在无操作系统环境中，网络协议栈的初始化和配置非常关键，它涉及到内存的分配、任务的优先级设置、定时器的管理等。开发者需要为协议栈提供必要的回调函数，以实现数据包的处理逻辑。

4.1.2 LWIP协议栈的网络编程接口

LWIP协议栈为无操作系统环境下的网络编程提供了一套丰富的接口。这些接口主要围绕TCP和UDP协议，允许开发者在应用层实现自定义的通信逻辑。其中，核心的编程接口包括：

• 网络接口层接口 ：定义了与硬件网络接口通信的抽象层，包括发送、接收和错误处理函数。
• IP层接口 ：提供了IP地址的配置、ARP协议的实现、ICMP消息的处理等功能。
• TCP层接口 ：为创建TCP连接、发送和接收数据、以及处理TCP控制消息提供了函数接口。
• UDP层接口 ：允许开发者进行无连接的数据包发送和接收，适用于广播或多播数据处理。
• 应用层接口 ：提供高层协议的接口，如HTTP、DNS等。

通过这些接口，开发者能够在没有操作系统支持的条件下实现基本的网络通信功能，构建复杂的网络应用。

4.2 LWIP协议栈编程实践

4.2.1 TCP/UDP通信的实现

在无操作系统环境下，使用LWIP协议栈实现TCP/UDP通信，需要进行以下几个步骤：

1. 初始化LWIP协议栈 ：为协议栈提供必要的内存缓冲区，初始化必要的网络接口和定时器。
2. 配置网络接口 ：设置物理网络接口的工作模式，包括IP地址、子网掩码、网关等参数。
3. 编写回调函数 ：实现协议栈内部调用的回调函数，如接收数据包的处理、数据包发送的确认处理等。
4. 创建socket ：根据需要的协议类型（TCP或UDP），创建socket并绑定到相应的端口。
5. 连接与数据交换 ：在TCP通信中，执行连接过程；在UDP通信中，直接进行数据包的发送和接收。

下面是一个简化的TCP客户端实现示例：

#include "lwip/opt.h"
#include "lwip/arch.h"
#include "lwip/api.h"
#include "netif/etharp.h"

#define TCP_SERVER_IP "192.168.0.100"
#define TCP_SERVER_PORT 7

static void tcp_client(void *arg) {
    struct netif netif;
    struct ip_addr ipaddr, netmask, gateway;
    struct tcp_pcb *pcb;

    /* 构建IP地址 */
    IP4_ADDR(&ipaddr, 192, 168, 0, 10);
    IP4_ADDR(&netmask, 255, 255, 255, 0);
    IP4_ADDR(&gateway, 192, 168, 0, 1);

    /* 初始化LWIP网络接口 */
    netif_init(&netif, NULL, &ipaddr, &netmask, &gateway, NULL, NULL, tcp_input);

    /* 创建TCP控制块 */
    pcb = tcp_new();
    if (!pcb) {
        return;
    }

    /* 连接到服务器 */
    tcp_connect(pcb, IP_ADDR_ANY, TCP_SERVER_IP, TCP_SERVER_PORT, tcp_connected);

    /* 其他TCP通信代码... */
}

/* 主函数 */
int main(void) {
    /* LWIP初始化代码... */

    tcp_client(NULL);
    /* 运行LWIP轮询任务 */
    while (1) {
        sys_check_timeouts();
    }

    return 0;
}

4.2.2 嵌入式HTTP服务器搭建实例

搭建一个嵌入式HTTP服务器，以允许远程设备通过HTTP协议与之交互，通常需要以下步骤：

1. 初始化LWIP协议栈 ：按照上文所述的方法初始化LWIP协议栈。
2. 创建HTTP服务器socket ：设置socket监听在特定端口，如80端口。
3. 实现HTTP请求的处理 ：编写回调函数解析HTTP请求，并根据请求内容返回相应的HTTP响应。
4. 启动HTTP服务器 ：使服务器开始监听和接受客户端的连接。

以下是一个简化的HTTP服务器实现示例：

#include "lwip/opt.h"
#include "lwip/def.h"
#include "lwip/memp.h"
#include "lwip/pbuf.h"
#include "lwip/stats.h"
#include "lwip/err.h"
#include "lwip/tcp.h"
#include "lwip/sys.h"

#define HTTP_SERVER_PORT 80

static err_t http_server_recv(void *arg, struct tcp_pcb *tpcb, struct pbuf *p, err_t err) {
    /* 处理接收到的HTTP请求 */
    // ...
    return ERR_OK;
}

static err_t http_server_accept(void *arg, struct tcp_pcb *newpcb, err_t err) {
    struct pbuf *p;
    err_t ret_err;

    /* 接收数据 */
    p = tcp_read(newpcb, TCP FRONT SIZE);
    if (p != NULL) {
        /* 读取数据处理 */
        tcp_recved(newpcb, p->tot_len);
        pbuf_free(p);
    }

    tcp_err(newpcb, http_server_err);
    tcp_recv(newpcb, http_server_recv);
    return ERR_OK;
}

static err_t http_server_err(void *arg, err_t err) {
    /* 错误处理 */
    // ...
}

void start_http_server(void) {
    struct tcp_pcb *pcb;
    err_t err;

    /* 创建新控制块 */
    pcb = tcp_new();
    if (!pcb) {
        return ERR_MEM;
    }

    /* 绑定套接字 */
    err = tcp_bind(pcb, IP_ADDR_ANY, HTTP_SERVER_PORT);
    if (err != ERR_OK) {
        return ERR_VAL;
    }

    /* 开始监听 */
    pcb = tcp_listen(pcb);
    if (!pcb) {
        return ERR_MEM;
    }

    /* 接受连接 */
    tcp_accept(pcb, http_server_accept);
}

int main(void) {
    /* LWIP初始化代码... */

    start_http_server();
    /* 运行LWIP轮询任务 */
    while (1) {
        sys_check_timeouts();
    }

    return 0;
}

通过这两个示例，可以看出在无操作系统环境下使用LWIP进行网络编程，需要对网络协议栈的各个层面有清晰的理解，特别是对回调函数的实现细节。实现TCP/UDP通信和HTTP服务器，可以为无操作系统设备提供网络通信和数据交互的能力。

5. LWIP网络系统的高级特性

5.1 内存管理优化

5.1.1 LWIP内存管理机制

LWIP协议栈的内存管理是其高效运行的关键因素之一。LWIP支持动态内存分配，使用内存池以减少碎片化，并提高内存分配效率。内核维护了一个内存池列表，用于管理固定大小的内存块，从而减少内存碎片和提高内存利用率。

5.1.2 内存池的实现与应用

内存池是预先分配的一大块内存，然后将其划分为多个固定大小的内存块。这些内存块可以按需被协议栈的各种功能使用。以下是内存池的基本实现代码：

struct mem_pcb {
    struct mem_pcb *next;
};

static struct mem_pcb *mem_pcbs[MEM_NUM PCS];

void mem_init(void) {
    u8_t i;
    for (i = 0; i < MEM_NUMPCS; i++) {
        mem_pcbs[i] = NULL;
    }
}

void *mem_malloc(size_t size) {
    struct mem_pcb *pcb;
    if (size > MEM_SIZE) {
        return NULL;
    }
    pcb = mem_pcbs[size];
    if (pcb != NULL) {
        mem_pcbs[size] = pcb->next;
    }
    return pcb;
}

void mem_free(void *ptr) {
    struct mem_pcb *pcb = (struct mem_pcb *)ptr;
    u8_t size = sizeof(struct mem_pcb);
    pcb->next = mem_pcbs[size];
    mem_pcbs[size] = pcb;
}

5.2 任务调度与中断服务例程设计

5.2.1 任务调度的基本概念和实现

在没有操作系统的环境中，任务调度通常依赖于定时器中断或循环轮询。任务调度机制使得LWIP可以处理多个并发连接，并且确保网络任务在CPU上得到合理的时间分配。LWIP允许用户实现自己的调度策略，例如使用链表来管理不同的任务，并在定时器中断中进行调度。

5.2.2 中断服务例程的设计原则与技巧

中断服务例程(ISR)设计需要快速响应和最小化执行时间。对于以太网中断，需要确保快速读取必要的数据，并将其传递给LWIP协议栈进行处理。通常，数据接收和发送都在ISR中启动，并在任务调度中完成后续处理。

5.3 驱动程序编写与调试

5.3.1 驱动程序编写规范与技巧

编写驱动程序时，应遵循LWIP的API和编程规范。为了简化驱动程序的编写，可以创建封装函数来处理硬件初始化、数据包发送接收等任务。代码应清晰，易于阅读和维护，同时遵循良好的编程实践以避免内存泄漏和竞争条件。

5.3.2 调试工具与方法

调试驱动程序和网络协议栈时，使用逻辑分析仪和串口打印是常见的方法。在开发阶段，可以使用调试器进行单步执行和内存检查。此外，LWIP提供了一些调试选项，例如 LWIP_DEBUG 宏，通过定义这些宏可以启用调试输出，帮助开发者理解协议栈的状态和行为。

以上章节深入探讨了LWIP网络系统的高级特性，从内存管理优化到任务调度和驱动程序的编写与调试。在实际应用中，这些高级特性的理解和应用能够显著提升网络系统的性能和稳定性。通过细致的分析和具体的代码示例，本章内容旨在为IT专业人士提供实用的参考信息。

本文还有配套的精品资源，点击获取

简介：本实验指导详细介绍了在没有操作系统支持的STM32微控制器上移植轻量级TCP/IP协议栈（LWIP）的过程。实验以STM32和DM9000以太网控制器的结合使用为核心，包含了程序设计、内存管理、任务调度等多个方面的技术细节。实验目标是实现不依赖于操作系统的网络通信功能，重点在于手动编写驱动程序，实现数据的接收和发送，以及采用中断服务例程和轮询机制来管理网络任务。本实验对于理解和掌握资源受限嵌入式系统中的网络编程非常有帮助。

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