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| V1.0 | 2020-07-08 | gingko | 初次建立 |
===== 实验二十一：LWIP_TCP_SERVER实验——以太网数据传输 =====
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==== 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 ====
1、主函数
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
}
2、start_task函数
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();
}
3、LwIP初始化
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,ðernetif_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.
}
4、Tcp server初始化
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
}
5、tcp服务器任务
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
}
}
==== 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。