STM32F103驱动SDIO wifi Marvell8801/Marvell88w8801 介绍（十） ---- 移植TCP/IP协议栈LWIP

原创专注于无线通信的蓬勃 2020-01-10 14:47

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https://github.com/sj15712795029/stm32f1_marvell88w8801_marvell8801_wifi

Marvell自己实现驱动系列文章分为几篇介绍：

每篇更新打开专栏可以看到：

关于lwip raw api的移植介绍主要分为以下图示几部分
在这里插入图片描述
1）LWIP的概述
2）LWIP对接网卡驱动的编写
3）LWIP时钟的编写
4）LWIP RAW API INIT的编写

1. LWIP概述

lwip是瑞典计算机科学院(SICS)的Adam Dunkels 开发的一个小型开源的TCP/IP协议栈。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。
另外说下uip这个这个大牛实现的
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模式: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。
我们因为是裸机，所以我们真是针对raw api移植
正常的移植应该包含以下几个部分：
1）LWIP头文件的移植
2）LWIP对接网卡驱动的编写
3）LWIP时钟的摆弄些
4）LWIP RAW API INIT的编写
此部分我们推荐一本书，《嵌入式网络那些事-STM32物联实战》，我们对LWIP头文件的移植不做介绍，可以看下本书

2. LWIP对接网卡驱动的编写

主要用到的函数是：
1）low_level_init
2）low_level_output
3）low_level_input
1）其中low_level_init主要是用于网卡的mac地址注册到lwip中，其中调用这个的API是ethernetif_init，调用ethernetif_init的这个API是netif_add，把mac address填写到netif_add第一个参数中的hwaddr结构体体成员中
2）这个是lwip往网卡驱动发送函数，主要实现如下


/**
 * This function should do the actual transmission of the packet. The packet is
 * contained in the pbuf that is passed to the function. This pbuf
 * might be chained.
 *
 * @param netif the lwip network interface structure for this ethernetif
 * @param p the MAC packet to send (e.g. IP packet including MAC addresses and type)
 * @return ERR_OK if the packet could be sent
 *         an err_t value if the packet couldn't be sent
 *
 * @note Returning ERR_MEM here if a DMA queue of your MAC is full can lead to
 *       strange results. You might consider waiting for space in the DMA queue
 *       to become available since the stack doesn't retry to send a packet
 *       dropped because of memory failure (except for the TCP timers).
 */

static err_t
low_level_output(struct netif *netif, struct pbuf *p)
{
    //struct ethernetif *ethernetif = netif->state;
    //struct pbuf *q;
    u8_t*buffer;

#if ETH_PAD_SIZE
    pbuf_header(p, -ETH_PAD_SIZE); /* drop the padding word */
#endif

    buffer = mrvl88w8801_get_send_data_buf();
    pbuf_copy_partial(p, buffer, p->tot_len, 0);

    //printf("low_level_output dump\n ");
    //extern void hw_hex_dump(uint8_t *data,int len);
    //hw_hex_dump(buffer,p->tot_len);

    mrvl88w8801_send_date(buffer,p->tot_len);

    MIB2_STATS_NETIF_ADD(netif, ifoutoctets, p->tot_len);
    if (((u8_t*)p->payload)[0] & 1)
    {
        /* broadcast or multicast packet*/
        MIB2_STATS_NETIF_INC(netif, ifoutnucastpkts);
    }
    else
    {
        /* unicast packet */
        MIB2_STATS_NETIF_INC(netif, ifoutucastpkts);
    }
    /* increase ifoutdiscards or ifouterrors on error */

#if ETH_PAD_SIZE
    pbuf_header(p, ETH_PAD_SIZE); /* reclaim the padding word */
#endif

    LINK_STATS_INC(link.xmit);
    return ERR_OK;
}

3）low_level_input这个函数是LWIP从网卡驱动接收封包的函数，主要实现如下


/**
 * Should allocate a pbuf and transfer the bytes of the incoming
 * packet from the interface into the pbuf.
 *
 * @param netif the lwip network interface structure for this ethernetif
 * @return a pbuf filled with the received packet (including MAC header)
 *         NULL on memory error
 */
static struct pbuf *
low_level_input(struct netif *netif)
{
    //struct ethernetif *ethernetif = netif->state;
    struct pbuf *p;
    u16_t len;


    RxPD *rx_packet = (RxPD *)netif->state;
    rx_packet->payload = (u8_t *)((u8_t *)rx_packet   rx_packet->rx_pkt_offset   4);

    /* Obtain the size of the packet and put it into the "len"
       variable. */
    len = rx_packet->rx_pkt_length;
    //printf("low_level_input dump\n ");
    //extern void hw_hex_dump(uint8_t *data,int len);
    //hw_hex_dump(rx_packet->payload,len);
#if ETH_PAD_SIZE
    len  = ETH_PAD_SIZE; /* allow room for Ethernet padding */
#endif

    /* We allocate a pbuf chain of pbufs from the pool. */
    p = pbuf_alloc(PBUF_RAW, len, PBUF_POOL);

    if (p != NULL)
    {

#if ETH_PAD_SIZE
        pbuf_header(p, -ETH_PAD_SIZE); /* drop the padding word */
#endif

        pbuf_take(p, rx_packet->payload, len); // 将数据帧内容复制到pbuf中


        MIB2_STATS_NETIF_ADD(netif, ifinoctets, p->tot_len);
        if (((u8_t*)p->payload)[0] & 1)
        {
            /* broadcast or multicast packet*/
            MIB2_STATS_NETIF_INC(netif, ifinnucastpkts);
        }
        else
        {
            /* unicast packet*/
            MIB2_STATS_NETIF_INC(netif, ifinucastpkts);
        }
#if ETH_PAD_SIZE
        pbuf_header(p, ETH_PAD_SIZE); /* reclaim the padding word */
#endif

        LINK_STATS_INC(link.recv);
    }
    else
    {
        LINK_STATS_INC(link.memerr);
        LINK_STATS_INC(link.drop);
        MIB2_STATS_NETIF_INC(netif, ifindiscards);
    }
    return p;
}

此部分介绍有点简短，详细看下上面推荐的那本书以及我的裸机代码，详细用心这部分简单的很，我当初移植这部分用了半天不到。

3. LWIP时钟的编写

LWIP的时钟函数主要用于LWIP协议栈内部的超时处理，主要移植的API是sys_now，此部分我做的相当简单，原理就是开一个systick,10ms一个中断，定义一个全局变量，每次中断发生全局timer变量 10,sys_now就是返回这个变量
如下：

uint32_t sys_now(void)
{
    return sys_time;
}

void SysTick_Handler(void)
{
    sys_time  = 1000/CONF_BSP_TICKS_PER_SEC;
}

另外，需要注意的一点是：lwip需要一直调用sys_check_timeouts();这个函数来判断是否超时

4. LWIP RAW API INIT的编写

此部分我又封装了一个层API，直接上代码

void ethernet_sta_driver_init(uint8_t *mac_address)
{
    struct ip4_addr ipaddr, netmask, gw;

    memcpy(mrvl88w8801_lwip.hwaddr, mac_address, MAC_ADDR_LENGTH); // 将获得的MAC地址复制到全局变量中

    printf("LWIP:STATIC IP start\n");
    IP4_ADDR(&ipaddr, 192, 168, 1, 1); // IP地址
    IP4_ADDR(&netmask, 255, 255, 255, 0); // 子网掩码
    IP4_ADDR(&gw, 192, 168, 1, 1); // 网关
    netif_add(&mrvl88w8801_lwip, &ipaddr, &netmask, &gw, NULL, ethernetif_init, ethernet_input); // 添加WiFi模块到lwip中

#if LWIP_DNS
    IP4_ADDR(&ipaddr, 8, 8, 8, 8); // 首选DNS服务器
    dns_setserver(0, &ipaddr);
    IP4_ADDR(&ipaddr, 114, 114, 114, 114); // 备用DNS服务器
    dns_setserver(1, &ipaddr);
#endif

    netif_set_default(&mrvl88w8801_lwip); // 设为默认网卡
    netif_set_up(&mrvl88w8801_lwip); // 允许lwip使用该网卡

    lwip_init();
    netbiosns_init();
    netbiosns_set_name("IoT_lwos_wifi");
}

此部分我之所以手动分配了IP地址，不是采取DHCP不设置IP地址的原因是：此部分IP主要作用是给AP是用，默认AP的IP地址是:192.168.1.1

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3. LWIP时钟的编写

4. LWIP RAW API INIT的编写

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