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|  V1.0  |  2020-07-09 |  gingko  |  初次建立  | 

===== 实验二十二：LAN_UDP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UDP的使用方法。
  - 掌握STM32 HAL库中UDP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、UDP简介 ====

  * UDP 是User Datagram Protocol的简称， 中文名是用户数据报协议，是OSI（Open System Interconnection，开放式系统互联） 参考模型中一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务，IETF RFC 768是UDP的正式规范。UDP在IP报文的协议号是17。
  * UDP协议与TCP协议一样用于处理数据包，在OSI模型中，两者都位于传输层，处于IP协议的上一层。UDP有不提供数据包分组、组装和不能对数据包进行排序的缺点，也就是说，当报文发送之后，是无法得知其是否安全完整到达的。UDP用来支持那些需要在计算机之间传输数据的网络应用。包括网络视频会议系统在内的众多的客户/服务器模式的网络应用都需要使用UDP协议。UDP协议从问世至今已经被使用了很多年，虽然其最初的光彩已经被一些类似协议所掩盖，但即使在今天UDP仍然不失为一项非常实用和可行的网络传输层协议。
  * 许多应用只支持UDP，如：多媒体数据流，不产生任何额外的数据，即使知道有破坏的包也不进行重发。当强调传输性能而不是传输的完整性时，如：音频和多媒体应用，UDP是最好的选择。在数据传输时间很短，以至于此前的连接过程成为整个流量主体的情况下，UDP也是一个好的选择。
  * UDP是OSI参考模型中一种无连接的传输层协议，它主要用于不要求分组顺序到达的传输中，分组传输顺序的检查与排序由应用层完成，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务。UDP 协议基本上是IP协议与上层协议的接口。UDP协议适用端口分别运行在同一台设备上的多个应用程序。
  * UDP提供了无连接通信，且不对传送数据包进行可靠性保证，适合于一次传输少量数据，UDP传输的可靠性由应用层负责。常用的UDP端口号有：53（DNS）、69（TFTP）、161（SNMP），使用UDP协议包括：TFTP、SNMP、NFS、DNS、BOOTP。
  * UDP报文没有可靠性保证、顺序保证和流量控制字段等，可靠性较差。但是正因为UDP协议的控制选项较少，在数据传输过程中延迟小、数据传输效率高，适合对可靠性要求不高的应用程序，或者可以保障可靠性的应用程序，如DNS、TFTP、SNMP等。
=== 3、UDP的主要特点 ===

  * UDP是一个无连接协议，传输数据之前源端和终端不建立连接，当它想传送时就简单地去抓取来自应用程序的数据，并尽可能快地把它扔到网络上。在发送端，UDP传送数据的速度仅仅是受应用程序生成数据的速度、计算机的能力和传输带宽的限制；在接收端，UDP把每个消息段放在队列中，应用程序每次从队列中读一个消息段。
  * 由于传输数据不建立连接，因此也就不需要维护连接状态，包括收发状态等，因此一台服务机可同时向多个客户机传输相同的消息。
  * UDP信息包的标题很短，只有8个字节，相对于TCP的20个字节信息包而言UDP的额外开销很小。
  * 吞吐量不受拥挤控制算法的调节，只受应用软件生成数据的速率、传输带宽、源端和终端主机性能的限制。
  * UDP是面向报文的。发送方的UDP对应用程序交下来的报文，在添加首部后就向下交付给IP层。既不拆分，也不合并，而是保留这些报文的边界，因此，应用程序需要选择合适的报文大小。
  * 虽然UDP是一个不可靠的协议，但它是分发信息的一个理想协议。例如，在屏幕上报告股票市场、显示航空信息等等。UDP也用在路由信息协议RIP（Routing Information Protocol）中修改路由表。在这些应用场合下，如果有一个消息丢失，在几秒之后另一个新的消息就会替换它。UDP广泛用在多媒体应用中。
  * DMA(直接存储器访问)传输不需要占用CPU，可以在存储器至存储器实现高速的数据传输。本实验采用DMA2控制器的数据流0，选用通道0进行数据传输。通过LED的颜色来判断传输是否成功。
=== 4、LAN8720A简介 ===

  * LAN8720A功能框图如图所示：
{{ :icore4:icore4_arm_hal_22_1.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。
=== 5、原理图 ===

  * iCore4带有LAN8720A嵌入式以太网控制器，本实验实现UDP功能。PC的IP地址192.168.0.2， iCore4的IP地址为192.168.0.10，端口号为60000。上电即可进行数据信息传输。原理图如下：
{{ :icore4:icore4_arm_hal_22_2.png?direct |}}
==== 四、 实验程序 ====

=== 1、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
    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");  //设置字体终端为绿色
    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");//ETH初始化失败
    }
    udp.initialize();          //modbus_tcp初始化

    OSTaskCreate(start_task,(void*)0,(OS_STK*)&START_TASK_STK[START_STK_SIZE-1],START_TASK_PRIO);
    OSStart();                 //开启UCOS   
}
 
</code>
=== 2、内存管理初始化 ===
<code c>
void my_mem_init(u8 memx)  
{  
    mymemset(mallco_dev.memmap[memx],0,memtblsize[memx]*4); 
    //内存状态表数据清零  
     mallco_dev.memrdy[memx]=1;     //内存管理初始化OK  
} 
 
</code>
=== 3、LwIP初始化 ===
<code c>
//LWIP初始化(LWIP启动的时候使用)
//返回值:0,成功
// 1,内存错误
// 2,LAN8720初始化失败
// 3,网卡添加失败.
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
    Netif_Init_Flag=netif_add(&lwip_netif,&ipaddr,&netmask,&gw,NULL,&ethernetif_init,&tcpip_input);//向网卡列表中添加一个网口
#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>
=== 4、UDP初始化 ===
<code c>
static INT8U udp_demo_init(void)//创建UDP线程
{
    INT8U res;
    OS_CPU_SR cpu_sr; 
    OS_ENTER_CRITICAL();    //关中断
    //创建UDP线程
    res = OSTaskCreate(udp_thread,(void*)0,(OS_STK*)&UDP_TASK_STK[UDP_STK_SIZE-1],UDP_PRIO); 
    OS_EXIT_CRITICAL();     //开中断
    return res;             //返回值:0 UDP创建成功
}
 
</code>
=== 5、UDP任务函数 ===
<code c>
static void udp_thread(void *arg)//udp任务函数
{
    err_t err,recv_err;
    struct netconn *udpconn;
    struct netbuf  *udprecvbuf;
    struct ip_addr udp_destipaddr;
    LWIP_UNUSED_ARG(arg);
    udpconn = netconn_new(NETCONN_UDP);  //创建一个UDP链接
    
    if(udpconn != NULL)  //创建UDP连接成功
    {
        err = netconn_bind(udpconn,IP_ADDR_ANY,UDP_REMOTE_PORT); 
        //构造目的IP地址
        IP4_ADDR(&udp_destipaddr,lwipdev.remoteip[0],lwipdev.remoteip[1], lwipdev.remoteip[2],lwipdev.remoteip[3]); 
        netconn_connect(udpconn,&udp_destipaddr,UDP_LOUCAL_PORT);  //连接到远端电脑主机端口 ：60002
        if(err == ERR_OK)//绑定完成
        {
            udpconn->recv_timeout = 10;
            while(1)
            {
        recv_err = netconn_recv(udpconn,&udprecvbuf);
                if((recv_err == ERR_OK)||(udprecvbuf != NULL)) //接收到数据
                {   
                  recv_err = netconn_send(udpconn,udprecvbuf);
                    OSTimeDlyHMSM(0,0,0,5);
                  netbuf_delete(udprecvbuf);
                }
                OSTimeDlyHMSM(0,0,0,5);
            }
        }else usart6.printf("UDP绑定失败\r\n");
    }else usart6.printf("UDP连接创建失败\r\n");
}
 
</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_22_3.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_22_4.png?direct |}}
  * （2）连接已经创建完成（如下图），点击连接
{{ :icore4:icore4_arm_hal_22_5.png?direct |}}
  * （3）PC客户端连接服务器后，即可进行通信。