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|  V1.0  |  2020-07-08 |  gingko  |  初次建立  | 

===== 实验二十：LWIP_TCP_CLIENT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 CLIENT的使用方法。
  - 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协议 ===

  * TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/网际协议）是指能够在多个不同网络间实现信息传输的协议簇。TCP/IP协议不仅仅指的是TCP 和IP两个协议，而是指一个由FTP、SMTP、TCP、UDP、IP等协议构成的协议簇， 只是因为在TCP/IP协议中TCP协议和IP协议最具代表性，所以被称为TCP/IP协议。
  * TCP/IP传输协议，即传输控制/网络协议，也叫作网络通讯协议。它是在网络的使用中的最基本的通信协议。TCP/IP传输协议对互联网中各部分进行通信的标准和方法进行了规定。并且，TCP/IP传输协议是保证网络数据信息及时、完整传输的两个重要的协议。TCP/IP传输协议是严格来说是一个四层的体系结构，应用层、传输层、网络层和数据链路层都包含其中。 
  * TCP/IP协议是Internet最基本的协议,其中应用层的主要协议有Telnet、FTP、SMTP等，是用来接收来自传输层的数据或者按不同应用要求与方式将数据传输至传输层；传输层的主要协议有UDP、TCP，是使用者使用平台和计算机信息网内部数据结合的通道，可以实现数据传输与数据共享；网络层的主要协议有ICMP、IP、IGMP，主要负责网络中数据包的传送等；而网络访问层，也叫网路接口层或数据链路层，主要协议有ARP、RARP，主要功能是提供链路管理错误检测、对不同通信媒介有关信息细节问题进行有效处理等。
=== 3、STM32F767以太网简介 ===

  * STM32F767芯片自带以太网模块，该模块包括带专用DMA控制器的MAC802.3（介质访问控制）控制器，支持介质独立接口(MII)和简化介质独立接口(RMII)，并自带了一个用于外部PHY通信的SMI接口，通过一组配置寄存器，用户可以为MAC控制器和DMA控制器选择所需模式和功能。
  * STM32F767自带以太网模块特点包括：
    *  支持外部PHY接口，实现10M/100Mbit/s的数据传输速率；
    *  通过符合IEEE802.3的MII/RMII接口与外部以太网PHY进行通信；
    *  支持全双工和半双工操作；
    *  可编程帧长度，支持高达16KB巨型帧；
    *  可编程帧间隔（40~96位时间，以8为步长）；
    *  支持多种灵活的地址过滤模式；
    *  通过SMI（MDIO）接口配置和管理PHY设备；
    *  支持以太网时间戳（参见IEEE1588-2008），提供64位时间戳；
    *  提供接收和发送两组FIFO；
    *  支持DMA。
  * STM32F767 以太网功能框图，如图所示：
{{ :icore4:icore4_arm_hal_20_1.png?direct |}}
  * 从上图可以看出，STM32F767是必须外接PHY芯片，才可以完成以太网通信的，外部PHY芯片可以通过MII/RMII接口与STM32F767内部MAC连接，并且支持SMI（MDIO&MDC）接口配置外部以太网PHY芯片。
=== 4、LAN8720A简介 ===

  * LAN8720A功能框图如图所示：
{{ :icore4:icore4_arm_hal_20_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
=== 5、原理图 ===

  * iCore4带有LAN8720A嵌入式以太网控制器，本实验实现TCP客户端功能。以PC作为服务器，iCore4作为客户端，PC的IP地址192.168.0.2，端口号为60001，iCore4的IP地址为192.168.0.10，端口随机。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。实验原理图如下
{{ :icore4:icore4_arm_hal_20_3.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");//ETH初始化失败
    }
  tcp_client.initialize(); 
  OSTaskCreate(start_task,(void*)0,(OS_STK*)&START_TASK_STK[START_STK_SIZE-1],START_TASK_PRIO);
    OSStart();                //开启UCOS   
}

</code>
=== 2、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);
    OSTaskSuspend(OS_PRIO_SELF); //挂起start_task任务
    OS_EXIT_CRITICAL();          //开中断
}
 
</code>
=== 3、内存管理初始化 ===
<code c>
void my_mem_init(u8 memx)  
{  
    //内存状态表数据清零 
    mymemset(mallco_dev.memmap[memx],0,memtblsize[memx]*4); 
    //内存管理初始化OK  
    mallco_dev.memrdy[memx]=1;  
} 
 
</code>
=== 4、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tcpip内核该函数内会创建tcpip_thread内核任务
   lwip_comm_default_ip_set(&lwipdev);   //设置默认IP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enμ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>
=== 5、tcp_client初始化 ===
<code c>
INT8U tcp_client_init(void)
{
    INT8U res;
    OS_CPU_SR cpu_sr; 
    OS_ENTER_CRITICAL();    //关中断
    res = OSTaskCreate(tcp_client_thread,(void*)0,(OS_STK*)&TCPCLIENT_TASK_STK
[TCPCLIENT_STK_SIZE-1],TCPCLIENT_PRIO); //创建TCP客户端线程
    OS_EXIT_CRITICAL();    //开中断   
    return res;
}
 
</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；
  - 设置本机电脑IP；（方法见附录1）
  - 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2）
  - 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_20_4.png?direct |}}

 
==== 附录1： ====

1、打开控制面板网络和Internet---→网络和共享中心---→更改适配器设置以太网属性
{{ :icore4:icore4_arm_hal_20_5.png?direct |}}
2、Internet协议版本4选择使用下面的IP地址（如下图所示），然后更改IP地址和默认网关
{{ :icore4:icore4_arm_hal_20_6.png?direct |}}

==== 附录2： ====

=== 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。点击创建服务器，弹出了设置端口的窗口，端口设置为60001。
{{ :icore4:icore4_arm_hal_20_7.png?direct |}}
（2）服务器已经创建完成（如下图），点击启动服务器
{{ :icore4:icore4_arm_hal_20_8.png?direct |}}
（3）iCore4客户端自动连接服务器，即可进行通信。(若连接不上请关闭电脑防火墙)