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V0.1 | 20200103 | XiaomaGee | 初次建立 |
STM32CubeMX教程四十一—LWIP_UDP以太网数据传输
实验四十一:LWIP_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;
掌握UDP的使用方法;
掌握STM32 HAL库中UDP的配置方法;
掌握KEILMDK 集成开发环境使用方法。
二、 实验设备及平台
iCore4T双核心板、扩展底板;
JLINK(或相同功能)仿真器;
Micro USB线缆、网线;
Keil MDK 开发平台;
STM32CubeMX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:
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、STM32H750以太网简介
5、LAN8720A简介
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
6、原理图
四、 实验程序
1. 主函数
2. LwIP初始化
3. eth_udp初始化
五、 实验步骤
把仿真器与iCore4T的SWD调试口相连(直接相连或者通过转接器相连);
把iCore4T插在扩展底板上,通过扩展底板供电给iCore4T;
把iCore4T扩展底板网口通过网线与计算机网口相连;
设置本机电脑IP;(方法件附录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;(安装及使用方法件附录2)
烧写程序到iCore4T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
附录:
附录: