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--- lwip_tcp_server实验_以太网数据传输 [2019/12/21 11:34]
zhangzheng 创建
+++ lwip_tcp_server实验_以太网数据传输 [2022/03/22 10:23] (当前版本)
sean
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+===== 实验二十一：LWIP_TCP_SERVER实验——以太网数据传输 =====
+\\
+==== 一、 实验目的与意义 ====
+  - 了解LwIP协议栈和LAN8720物理层。
+  - 了解UCOSII的使用方法。
+  - 掌握TCP_SERVER的使用方法。
+  - 掌握STM32 HAL库中TCP SERVER属性的配置方法。
+  - 掌握KEIL MDK 集成开发环境使用方法。
+==== 二、 实验设备及平台 ====
+  - iCore4 双核心板[[https://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z10.1-c-s.w4004-22598974120.15.5923532fsFrHiE&id=551864196684|点击购买]]。
+  - JLINK（或相同功能）仿真器[[https://item.taobao.com/item.htm?id=554869837940|点击购买]]。
+  - Micro USB线缆。
+  - 网线。
+  - Keil MDK 开发平台。
+  - 装有WIN XP（及更高版本）系统的计算机。
+==== 三、 实验原理 ====
+=== 1、 LwIP简介 ===
+  * LwIP是Light Weight (轻型)IP协议，有无操作系统的支持都可以运行。LwIP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，它只需十几KB的RAM和40K左右的ROM就可以运行，这使LwIP协议栈适合在低端的嵌入式系统中使用。
+  * LwIP协议栈主要关注的是怎么样减少内存的使用和代码的大小，这样就可以让LwIP适用于资源有限的小型平台例如嵌入式系统。为了简化处理过程和内存要求，LwIP对API进行了裁减，可以不需要复制一些数据。
+  * LwIP提供三种API：
+    * 1)RAW API
+    * 2)LwIP API
+    * 3)BSD API。
+  * RAW API把协议栈和应用程序放到一个进程里边，该接口基于函数回调技术，使用该接口的应用程序可以不用进行连续操作。不过，这会使应用程序编写难度加大且代 码不易被理解。为了接收数据，应用程序会向协议栈注册一个回调函数。该回调函数与特定的连接相关联，当该关联的连接到达一个信息包，该回调函数就会被协议 栈调用。这既有优点也有缺点。优点是既然应用程序和TCP/IP协议栈驻留在同一个进程中，那么发送和接收数据就不再产生进程切换。主要缺点是应用程序不 能使自己陷入长期的连续运算中，这样会导致通讯性能下降，原因是TCP/IP处理与连续运算是不能并行发生的。这个缺点可以通过把应用程序分为两部分来克 服，一部分处理通讯，一部分处理运算。
+  * LwIP API把接收与处理放在一个线程里面。这样只要处理流程稍微被延迟，接收就会被阻塞，直接造成频繁丢包、响应不及时等严重问题。因此，接收与协议处理必须 分开。LwIP的作者显然已经考虑到了这一点，他为我们提供了 tcpip_input() 函数来处理这个问题， 虽然他并没有在 rawapi 一文中说明。讲到这里，读者应该知道tcpip_input()函数投递的消息从哪里来的答案了吧，没错，它们来自于由底层网络驱动组成的接收线程。我们在编写网络驱动时， 其接收部分以任务的形式创建。 数据包到达后， 去掉以太网包头得到IP包， 然后直接调用tcpip_input()函数将其 投递到mbox邮箱。投递结束，接收任务继续下一个数据包的接收，而被投递得IP包将由TCPIP线程继续处理。这样，即使某个IP包的处理时间过长也不 会造成频繁丢包现象的发生。这就是LwIP API。
+  * BSD API提供了基于open-read-write-close模型的UNIX标准API，它的最大特点是使应用程序移植到其它系统时比较容易，但用在嵌入式系统中效率比较低，占用资源多。这对于我们的嵌入式应用有时是不能容忍的。
+  * 其主要特性如下：
+    * (1) 支持多网络接口下的IP转发；
+    * (2) 支持ICMP协议；
+    * (3) 包括实验性扩展的UDP(用户数据报协议)；
+    * (4) 包括阻塞控制、RTT 估算、快速恢复和快速转发的TCP(传输控制协议)；
+    * (5) 提供专门的内部回调接口(Raw API)，用于提高应用程序性能；
+    * (6) 可选择的Berkeley接口API (在多线程情况下使用) ；
+    * (7) 在最新的版本中支持ppp；
+    * (8) 新版本中增加了的IP fragment的支持；
+    * (9) 支持DHCP协议,动态分配ip地址。
+=== 2、TCP/IP简介 ===
+  * TCP/IP中文名为传输控制协议/因特网互联协议，又名网络通讯协议，是Internet最基本的协议、Internet国际互联网络的基础，由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成。TCP/IP定义了电子设备如何连入因特网，以及数据如何在它们之间传输的标准。协议采用了4层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的协议来完成自己的需求。通俗而言：TCP负责发现传输的问题，一有问题就发出信号，要求重新传输，直到所有数据安全正确地传输到目的地。而IP是给因特网的每一台联网设备规定一个地址。
+  * TCP/IP协议不是TCP和IP这两个协议的合称，而是指因特网整个TCP/IP协议族。从协议分层模型方面来讲，TCP/IP由四个层次组成：网络接口层、网络层、传输层、应用层。OSI是传统的开放式系统互连参考模型,该模型将TCP/IP分为七层:物理层、数据链路层（网络接口层）、网络层（网络层）、传输层（传输层）、会话层、表示层和应用层（应用层）。TCP/IP模型与OSI模型对比如图所示。
+{{ :icore4:icore4_arm_hal_21_1.png?direct |}}
+  * 具体一点理解，本例程中的：PHY层芯片LAN8720A相当于物理层，STM32F767自带的MAC层相当于数据链路层，而LWIP提供的就是网络层、传输层的功能，应用层是需要用户自己根据自己想要的功能去实现的。
+==== 3、LAN8720A简介 ====
+  * LAN8720A功能框图如图所示：
+{{ :icore4:icore4_arm_hal_21_2.png?direct |}}
+  * LAN8720A是低功耗的10/100M以太网PHY层芯片，I/O引脚电压符合IEEE802.3-2005标准，支持通过RMII接口与以太网MAC层通信，内置10-BASE-T/100BASE-TX全双工传输模块，支持10Mbps和100Mbps。
+  * LAN8720A可以通过自协商的方式与目的主机最佳的连接方式(速度和双工模式)，支持HPAuto-MDIX自动翻转功能，无需更换网线即可将连接更改为直连或交叉连接。LAN8720A的主要特点如下：
+    *  高性能的10/100M以太网传输模块
+    *  支持RMII接口以减少引脚数
+    *  支持全双工和半双工模式
+    *  两个状态LED输出
+    *  可以使用25M晶振以降低成本
+    *  支持自协商模式
+    *  支持HPAuto-MDIX自动翻转功能
+    *  支持SMI串行管理接口
+    *  支持MAC接口
+=== 4、原理图 ===
+  * iCore4带有lan8720a嵌入式以太网控制器，本实验实现TCP服务器功能。以iCore4作为服务器，PC作为客户端，PC的IP地址192.168.0.2，iCore4的IP地址为192.168.0.10，端口为60000。当客户端连接到服务器，TCP建立成功即可进行数据信息传输。原理图如下：
+{{ :icore4:icore4_arm_hal_21_3.png?direct |}}
+==== 四、 实验程序 ====
+、主函数
+<code c>
+int main(void)
+{
+    system_clock.initialize();       //系统时钟初始化
+    led.initialize();                //LED初始化
+    adc.initialize();                //ADC初始化
+    delay.initialize(216);           //延时初始化和
+    my_malloc.initialize(SRAMIN);    //动态内存初始化
+    usart6.initialize(115200);       //串口波特设置
+    usart6.printf("\033[1;32;40m");  //设置终端字体为绿色
+    usart6.printf("\r\nHello, I am iCore4!\r\n\r\n"); //串口信息输出
+    OSInit();                     //UCOS初始化
+    while(lwip.initialize())      //lwip初始化
+    {
+     LED_RED_ON;
+        usart6.printf("\r\nETH initialize error!\r\n\r\n");//ETH3初始化失败
+   }
+    tcp.initialize();
+    OSTaskCreate(start_task,(void*)0,(OS_STK*)&START_TASK_STK[START_STK_SIZE-1],START_TASK_PRIO);
+    OSStart();      //开启UCOS
+}
+</code>
+、start_task函数
+<code c>
+void start_task(void *pdata)
+{
+    OS_CPU_SR cpu_sr;
+    pdata = pdata ;
+    OSStatInit();           //初始化任务统计
+    OS_ENTER_CRITICAL();    //关中断
+#if LWIP_DHCP
+    lwip_comm_dhcp_creat(); //创建DHCP任务
+#if LWIP_DNS
+    my_dns.initialize();    //创建DNS任务
+#endif
+#endif
+    //创建LED任务
+    OSTaskCreate(led_task,(void*)0,(OS_STK*)&LED_TASK_STK[LED_STK_SIZE-1],LED_TASK_PRIO);
+    //显示任务
+    OSTaskCreate(display_task,(void*)0,(OS_STK*)&DISPLAY_TASK_STK[DISPLAY_STK_SIZE-1],DISPLAY_TASK_PRIO);
+    //挂起estart_task任务
+    OSTaskSuspend(OS_PRIO_SELF);
+    //开中断
+    OS_EXIT_CRITICAL();
+}
+</code>
+、LwIP初始化
+<code c>
+u8 lwip_comm_init(void)
+{
+    OS_CPU_SR cpu_sr;
+    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
+    struct ip_addr ipaddr;           //ip地址
+    struct ip_addr netmask;          //子网掩码
+    struct ip_addr gw;               //默认网关
+    if(lan8720.memory_malloc())return 1;    //内存申请失败
+    if(lwip_comm_mem_malloc())return 1;     //内存申请失败
+    if(lan8720.initialize())return 2;       //初始化LAN8720失败
+    tcpip_init(NULL,NULL);                  //初始化tcp ip内核,该函数里面会创建tcpip_thread内核任务
+    lwip_comm_default_ip_set(&lwipdev);     //设置默认IP等信息
+#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,lwipdev.ip[0],lwipdev.ip[1],lwipdev.ip[2],lwipdev.ip[3]);
+    IP4_ADDR(&netmask,lwipdev.netmask[0],lwipdev.netmask[1] ,lwipdev.netmask[2],
+lwipdev.netmask[3]);
+    IP4_ADDR(&gw,lwipdev.gateway[0],lwipdev.gateway[1],lwipdev.gateway[2],lwipdev.gateway[3]);
+    usart6.printf("网卡en的MAC地址为:......%d.%d.%d.%d.%d.%d\r\n",lwipdev.mac[0],lwipdev.mac[1],
+lwipdev.mac[2],lwipdev.mac[3],lwipdev.mac[4],lwipdev.mac[5]);
+    usart6.printf("静态IP地址..........%d.%d.%d.%d\r\n",lwipdev.ip[0],lwipdev.ip[1],lwipdev.ip[2],
+lwipdev.ip[3]);
+    usart6.printf("子网掩码..........%d.%d.%d.%d\r\n",lwipdev.netmask[0],lwipdev.netmask[1],
+lwipdev.netmask[2],lwipdev.netmask[3]);
+     usart6.printf("默认网关.........%d.%d.%d.%d\r\n",lwipdev.gateway[0],lwipdev.gateway[1],
+lwipdev.gateway[2],lwipdev.gateway[3]);
+#endif
+//向网卡列表中添加一个网口
+Netif_Init_Flag=netif_add(&lwip_netif,&ipaddr,&netmask,&gw,NULL,&ethernetif_init,&tcpip_input);
+#if LWIP_DNS
+    dns_init();
+#endif
+    if(Netif_Init_Flag==NULL)return 3;  //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(&lwip_netif); //设置netif为默认网口
+        netif_set_up(&lwip_netif);      //打开netif网口
+    }
+    return 0;                           //操作OK.
+}
+</code>
+、Tcp server初始化
+<code c>
+static INT8U tcp_server_init(void)//创建TCP服务器线程
+{
+    INT8U res;
+    OS_CPU_SR cpu_sr;
+    OS_ENTER_CRITICAL();   //关中断
+    //创建TCP服务器线程
+    res = OSTaskCreate(tcp_server_thread,(void*)0,(OS_STK*)&TCPSERVER_TASK_STK[TCPSERVER_STK_SIZE-1],TCPSERVER_PRIO);
+    OS_EXIT_CRITICAL();   //开中断
+    return res;//返回值:0 TCP服务器创建成功
+}
+</code>
+、tcp服务器任务
+<code c>
+static void tcp_server_thread(void *arg)//tcp服务器任务
+{
+  struct netconn *conn, *newconn;
+    err_t err,recv_err;
+    unsigned   char remot_addr[4];
+    ip_addr_t ipaddr;
+    unsigned   short  port;
+    struct netbuf *recvbuf;
+    LWIP_UNUSED_ARG(arg);
+    conn = netconn_new(NETCONN_TCP);  //创建一个TCP链接
+    netconn_bind(conn,IP_ADDR_ANY,TCP_SERVER_PORT);  //绑定端口 60000 号端口
+    netconn_listen(conn);      //进入监听模式
+    while(1){
+        err = netconn_accept(conn,&newconn);  //接收连接请求
+        if (err == ERR_OK)    //处理新连接的数据
+        {
+            newconn->recv_timeout = 10;
+            netconn_getaddr(newconn,&ipaddr,&port,0); //获取远端IP地址和端口号
+            remot_addr[3] = (uint8_t)(ipaddr.addr >> 24);
+            remot_addr[2] = (uint8_t)(ipaddr.addr >> 16);
+            remot_addr[1] = (uint8_t)(ipaddr.addr >> 8);
+            remot_addr[0] = (uint8_t)(ipaddr.addr);
+            usart6.printf("pc ip : %d.%d.%d.%dserver,lacol port:%d\r\n",remot_addr[0], remot_addr[1],remot_addr[2],remot_addr[3],port);
+            while(1)
+            {
+                recv_err = netconn_recv(newconn,&recvbuf);
+                if((recv_err == ERR_OK)||(recvbuf != NULL))   //接收到数据
+                {
+                    //将接受到的数据原封不动的再发出去
+                    recv_err = netconn_write(newconn ,recvbuf->p->payload,recvbuf->p->tot_len,NETCONN_NOCOPY);
+                    netbuf_delete(recvbuf);
+                }else if(recv_err == ERR_CLSD){  //关闭连接
+                    netconn_close(newconn);
+                    netconn_delete(newconn);
+                    usart6.printf("lacol ip :%d.%d.%d.%d close connect\r\n",remot_addr[0],
+remot_addr[1],remot_addr[2],remot_addr[3]);
+                    break;
+                }else if(recv_err == ERR_MEM)  //memory error, try again later
+                      {
+                       OSTimeDlyHMSM(0,0,0,5);  //延时5ms
+                      }else OSTimeDlyHMSM(0,0,0,5);  //延时5ms
+            }
+        }else OSTimeDlyHMSM(0,0,0,5);  //延时5ms
+    }
+}
+</code>
+==== 五、 实验步骤 ====
+  - 把仿真器与iCore4的SWD调试口相连（直接相连或者通过转接器相连）；
+  - 将跳线冒插在USB UART；
+  - 把iCore4（USB UART）通过Micro USB线与计算机相连，为iCore4供电；
+  - 把iCore4网口通过网线与计算机网口相连；
+  - 打开Keil MDK 开发环境，并打开本实验工程；
+  - 打开TCP&UDP测试工具；（安装及使用方法见附录）；
+  - 烧写程序到iCore4上；
+  - 也可以进入Debug模式，单步运行或设置断点验证程序逻辑。
+==== 六、 实验现象 ====
+  * 在发送区编辑完要发送的数据信息后，点击发送即可收到发送的数据包。如图所示：
+{{ :icore4:icore4_arm_hal_21_4.png?direct |}}
+==== 附录： ====
+=== 1、TCP&UDP测试工具安装 ===
+  * 双击TCPUDPDebug102_Setup.exe，点击下一步，在这里安装路径我们默认即可，点击安装，然后Finish。
+=== 2、TCP&UDP测试工具的使用 ===
+（1）打开测试工具，界面如下。点击创建连接，弹出了设置端口的窗口，端口设置为60000。
+{{ :icore4:icore4_arm_hal_21_5.png?direct |}}
+（2）连接已经创建完成（如下图），点击连接
+{{ :icore4:icore4_arm_hal_21_6.png?direct |}}
+（3）PC客户端连接服务器后，即可进行通信。

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