现在，TCP/IP协议的应用无处不在。随着物联网的火爆，嵌入式领域使用TCP/IP协议进行通讯也越来越广泛。在我们的相关产品中，也都有应用，所以我们结合应用实际对相关应用作相应的总结。
1、技术准备
我们采用的开发平台是STM32F407和LwIP协议栈。在开始之前，我们需要做必要的准备工作。
首先要获得LwIP的源码，在网上有很多，不同版本及不同平台的都有，不过我们还是建议直接从官方网站获得。其官方网站如下：
http://savannah.nongnu.org/projects/lwip/
其次，需要硬件平台，我们采用了STM32F407ZG+DM9161的网络接口方式，这并不是必须的，其他硬件平台也是一样的。
最后，因为我们后面要在操作系统下移植，采用的操作系统是FreeRTOS，所以还需下载FreeRTOS的源码。同样简易从官网下载：
https://www.freertos.org/index.html
2、LwIP简要说明
LwIP是一款免费的TCP/IP协议栈，但它的功能趋势十分完备。LwIP 具有三种应用编程接口 （API）：
- Raw API：为原始的 LwIP API。它通过事件回调机制进行应用开发。该 API 提供了最好的性能和优化的代码长度，但增加了应用开发的复杂性。
- Netconn API：为高层有序 API，需要实时操作系统 （RTOS）的支持 （提供进程间通讯的方法）。 Netconn API 支持多线程工作。
- BSD Socket API：类似 Berkeley 的套接字 API （开发于 Netconn API 之上） 。
对于以上三种接口，前一种只需要裸机即可调用，后两种需要操作系统才能调用。所以据此LwIP存在两种移植方式：一是，只移植内核，此时应用程序的编写只能基于RAW/Callback API进行。二是，移植内核和上层API，此时应用程序编写可以使用3种API，即：RAW/Callback API、Sequential API和Socket API。
3、LwIP的带操作系统基本移植
带操作系统的移植首先是建立在无操作系统移植基础之上的。在无操作系统移植时，定义的数据类型和宏都是有效的，只需要对lwipopts.h配置文件做简单修改，并根据sys_arch.txt移植说明文件编写sys_arch.c和sys_arch.h两个文件以实现操作系统模拟层就可以了。
操作系统模拟层的功能再以为协议栈提供邮箱、信号量、互斥量等机制，用以保证内核与上层API的通讯。这些操作系统模拟层函数均在sys.h中已经声明，我们一般在sys_arch.c文件中完成其定义。所以，我们很清楚，带操作系统的移植就是在无操作系统的基础上添加操作系统模拟层。在接下来我们就看看操作系统模拟层的编写。
在操作系统已经正确移植的基础上，我们根据sys_arch.txt移植说明文件的描述，还需要移植的宏定义及函数等如下：
|
名称 |
属性 |
功能 |
|
sys_mbox_t |
数据类型 |
指针类型，指向系统邮箱 |
|
sys_sem_t |
数据类型 |
指针类型，指向系统信号量 |
|
sys_mutex_t |
数据类型 |
指针类型，指向系统互斥量 |
|
sys_thread_t |
数据类型 |
系统任务标识 |
|
SYS_MBOX_NULL |
宏 |
邮箱指针指向的空值 |
|
SYS_SEM_NULL |
宏 |
信号量指针指向的空值 |
|
sys_init |
函数 |
初始化系统模拟层 |
|
sys_sem_new |
函数 |
生成一个信号量 |
|
sys_sem_free |
函数 |
删除一个信号量 |
|
sys_sem_signal |
函数 |
释放一个信号量 |
|
sys_arch_sem_wait |
函数 |
等待一个信号量 |
|
sys_sem_valid |
函数 |
判断一个信号量是否有效 |
|
sys_sem_set_invalid |
函数 |
将一个信号量置为无效 |
|
sys_mutex_new |
函数 |
生成一个新的互斥量 |
|
sys_mutex_free |
函数 |
删除一个互斥量 |
|
sys_mutex_lock |
函数 |
锁住一个互斥量 |
|
sys_mutex_unlock |
函数 |
解锁一个互斥量 |
|
sys_mutex_valid |
函数 |
判断一个互斥量是否有效 |
|
sys_mutex_set_invalid |
函数 |
将一个互斥量置为无效 |
|
sys_mbox_new |
函数 |
新建一个邮箱 |
|
sys_mbox_free |
函数 |
删除一个邮箱 |
|
sys_mbox_post |
函数 |
向邮箱投递消息，阻塞 |
|
sys_mbox_trypost |
函数 |
尝试向邮箱投递消息，不阻塞 |
|
sys_arch_mbox_fetch |
函数 |
从邮箱获取消息，阻塞 |
|
sys_arch_mbox_tryfetch |
函数 |
尝试从邮箱获取消息，不阻塞 |
|
sys_mbox_valid |
函数 |
判断一个邮箱是否有效 |
|
sys_mbox_set_invalid |
函数 |
将一个邮箱设置为无效 |
|
sys_thread_new |
函数 |
创建新进程 |
|
sys_arch_protect |
函数 |
临界区保护 |
|
sys_arch_unprotect |
函数 |
退出临界区保护 |
从上表中我们可以发现，这些变量和函数主要是面向信号量、互斥量及邮箱，包括新建、删除、释放、获取等各类操作，我们需要根据操作系统的规定来实现这些函数，我们在这里使用的FreeRTOS，所以我根据FreeRTOS对信号量、互斥量及邮箱的操作来实现这些函数。我们列举邮箱的各操作函数实现如下：
1 /*创建一个空的邮箱。*/
2 err_t sys_mbox_new(sys_mbox_t *mbox, int size)
3 {
4 osMessageQDef(QUEUE, size, void *);
5
6 *mbox = osMessageCreate(osMessageQ(QUEUE), NULL);
7
8 #if SYS_STATS
9 ++lwip_stats.sys.mbox.used;
10 if (lwip_stats.sys.mbox.max < lwip_stats.sys.mbox.used) {
11 lwip_stats.sys.mbox.max = lwip_stats.sys.mbox.used;
12 }
13 #endif /* SYS_STATS */
14 if (*mbox == NULL)
15 return ERR_MEM;
16
17 return ERR_OK;
18 }
19
20 /*重新分配一个邮箱。如果邮箱被释放时，邮箱中仍有消息，在lwIP中这是出现编码错误的指示，并通知开发人员。*/
21 void sys_mbox_free(sys_mbox_t *mbox)
22 {
23 if( osMessageWaiting(*mbox) )
24 {
25 portNOP();
26 #if SYS_STATS
27 lwip_stats.sys.mbox.err++;
28 #endif /* SYS_STATS */
29 }
30
31 osMessageDelete(*mbox);
32
33 #if SYS_STATS
34 --lwip_stats.sys.mbox.used;
35 #endif /* SYS_STATS */
36 }
37
38 /*发送消息到邮箱*/
39 void sys_mbox_post(sys_mbox_t *mbox, void *data)
40 {
41 while(osMessagePut(*mbox, (uint32_t)data, osWaitForever) != osOK);
42 }
43
44 /*尝试将消息发送到邮箱*/
45 err_t sys_mbox_trypost(sys_mbox_t *mbox, void *msg)
46 {
47 err_t result;
48
49 if ( osMessagePut(*mbox, (uint32_t)msg, 0) == osOK)
50 {
51 result = ERR_OK;
52 }
53 else {
54 result = ERR_MEM;
55
56 #if SYS_STATS
57 lwip_stats.sys.mbox.err++;
58 #endif /* SYS_STATS */
59
60 }
61
62 return result;
63 }
64
65 /*阻塞进程从邮箱获取消息*/
66 u32_t sys_arch_mbox_fetch(sys_mbox_t *mbox, void **msg, u32_t timeout)
67 {
68 osEvent event;
69 uint32_t starttime = osKernelSysTick();;
70
71 if(timeout != 0)
72 {
73 event = osMessageGet (*mbox, timeout);
74
75 if(event.status == osEventMessage)
76 {
77 *msg = (void *)event.value.v;
78 return (osKernelSysTick() - starttime);
79 }
80 else
81 {
82 return SYS_ARCH_TIMEOUT;
83 }
84 }
85 else
86 {
87 event = osMessageGet (*mbox, osWaitForever);
88 *msg = (void *)event.value.v;
89 return (osKernelSysTick() - starttime);
90 }
91 }
92
93 /*尝试从邮箱获取消息*/
94 u32_t sys_arch_mbox_tryfetch(sys_mbox_t *mbox, void **msg)
95 {
96 osEvent event;
97
98 event = osMessageGet (*mbox, 0);
99
100 if(event.status == osEventMessage)
101 {
102 *msg = (void *)event.value.v;
103 return ERR_OK;
104 }
105 else
106 {
107 return SYS_MBOX_EMPTY;
108 }
109 }
110
111 /*判断一个邮箱是否有效*/
112 int sys_mbox_valid(sys_mbox_t *mbox)
113 {
114 if (*mbox == SYS_MBOX_NULL)
115 return 0;
116 else
117 return 1;
118 }
119
120 /*设置一个邮箱无效*/
121 void sys_mbox_set_invalid(sys_mbox_t *mbox)
122 {
123 *mbox = SYS_MBOX_NULL;
124 }
125
126 // 创建一个新的信号量。而 "count"参数指示该信号量的初始状态
127 err_t sys_sem_new(sys_sem_t *sem, u8_t count)
128 {
129 osSemaphoreDef(SEM);
130
131 *sem = osSemaphoreCreate (osSemaphore(SEM), 1);
132
133 if(*sem == NULL)
134 {
135 #if SYS_STATS
136 ++lwip_stats.sys.sem.err;
137 #endif /* SYS_STATS */
138 return ERR_MEM;
139 }
140
141 if(count == 0) // Means it can't be taken
142 {
143 osSemaphoreWait(*sem,0);
144 }
145
146 #if SYS_STATS
147 ++lwip_stats.sys.sem.used;
148 if (lwip_stats.sys.sem.max < lwip_stats.sys.sem.used) {
149 lwip_stats.sys.sem.max = lwip_stats.sys.sem.used;
150 }
151 #endif /* SYS_STATS */
152
153 return ERR_OK;
154 }
此外还有一些函数也是协议栈需要的函数，特别是sys_thread_new函数，不但协议栈在初始化是需要用到，在后续我们实现各类基于LwIP的应用时也需要用到，其实现如下：
1 sys_thread_t sys_thread_new(const char *name, lwip_thread_fn thread , void *arg, int stacksize, int prio)
2 {
3 const osThreadDef_t os_thread_def = { (char *)name, (os_pthread)thread, (osPriority)prio, 0, stacksize};
4 return osThreadCreate(&os_thread_def, arg);
5 }
6 osThreadId osThreadCreate (const osThreadDef_t *thread_def, void *argument)
7 {
8 TaskHandle_t handle;
9
10 #if( configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1 ) && ( configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION == 1 )
11 if((thread_def->buffer != NULL) && (thread_def->controlblock != NULL)) {
12 handle = xTaskCreateStatic((TaskFunction_t)thread_def->pthread,(const portCHAR *)thread_def->name,
13 thread_def->stacksize, argument, makeFreeRtosPriority(thread_def->tpriority),
14 thread_def->buffer, thread_def->controlblock);
15 }
16 else {
17 if (xTaskCreate((TaskFunction_t)thread_def->pthread,(const portCHAR *)thread_def->name,
18 thread_def->stacksize, argument, makeFreeRtosPriority(thread_def->tpriority),
19 &handle) != pdPASS) {
20 return NULL;
21 }
22 }
23 #elif( configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1 )
24
25 handle = xTaskCreateStatic((TaskFunction_t)thread_def->pthread,(const portCHAR *)thread_def->name,
26 thread_def->stacksize, argument, makeFreeRtosPriority(thread_def->tpriority),
27 thread_def->buffer, thread_def->controlblock);
28 #else
29 if (xTaskCreate((TaskFunction_t)thread_def->pthread,(const portCHAR *)thread_def->name,
30 thread_def->stacksize, argument, makeFreeRtosPriority(thread_def->tpriority),
31 &handle) != pdPASS) {
32 return NULL;
33 }
34 #endif
35
36 return handle;
37 }
至此，基于FreeRTOS操作系统的LwIP移植结算完成了，我们编译下载就可以对其进行验证。
4、结论
前面已经移植了基于操作系统的LwIP，那怎么知道我们的移植是否成功呢？接下来我们对它进行必要的验证。
首先我们查看目标板在网络上的配置是否正确。我们打开命令行窗口，运行ipconfig命令，查看MAC地址和IP地址配置：
我们配置的MAC地址00：08：E1：00：00：00和IP地址192.168.2.110显示正常。接下来我们采用ping命令测试网络链接：
上图显示网络连接正常，经此测试，说明我们的LwIP在有操作系统情况下移植正常。