一目了然

• 1. 准备工作
• 2. 裸机移植LwIP
• 2.1 LwIP目录创建
• 2.2 LwIP源文件移植
• 2.3 LwIP头文件移植
• 2.4 网口驱动开发
• 2.4.1 MAC模块驱动
• 2.4.2 PHY模块驱动
• 2.5 LwIP网卡接口适配
• 2.6 LwIP运行和测试

1. 准备工作

LwIP正式移植之前，登录LwIP官方网站：https://savannah.nongnu.org/projects/lwip/，此网站包含有关LwIP协议的各种信息，可根据兴趣进行查看。若要下载源码，点击进入到LwIP协议的源码下载界面。这里您可以看到LwIP协议各个版本的发布包，根据需求选择适当版本的“contrib”和“lwip”源码包进行下载，下载完成后解压便可看到LwIP的所有源码。本文中选取的LwIP源码包的版本分别是“contrib-2.0.1”和“lwip-2.0.3”。

2. 裸机移植LwIP

2.1 LwIP目录创建

裸机移植LwIP主要应用到“lwip-2.0.3\src”目录下的源码文件夹（api、core、和netif）和头文件夹（include），移植时可在自己的工程中创建“LwIP”目录，并在此目录下分别建立api、core、netif和include目录，如下图所示：

2.2 LwIP源文件移植

接下来需要往工程的各个目录中添加LwIP源文件（以IPV4版本协议的移植为例）：
工程api目录：添加“lwip-2.0.3\src\api”中的所有文件；

工程core目录：添加“lwip-2.0.3\src\core”中除“ipv6”外的所有文件和目录；

工程netif目录：添加“lwip-2.0.3\src\netif”中的所有文件：

至此，裸机移植LwIP所需的所有源文件都已添加完成，接下来是往工程中添加头文件。

2.3 LwIP头文件移植

工程include目录：添加“lwip-2.0.3\src\include”中的所有文件：

在工程中“LwIP”目录下创建“port”目录，并在工程“port”目录下创建“include\arch”目录。将“contrib-2.0.1\ports\unix\minimal”目录下的“lwipopts.h”文件添加至工程“port\include”目录中，将“contrib-2.0.1\ports\unix\port\include\arch”目录下“cc.h”和“perf.h”文件添加至工程目录“port\include\arch”下，添加完成后如下图所示：

lwipopts.h是对LwIP协议使用功能的配置文件，类似于FreeRTOS系统文件中的FreeRTOSConfig.h文件。一个配置例程如下所示：

#ifndef LWIP_LWIPOPTS_H
#define LWIP_LWIPOPTS_H




#define NO_SYS                          1


#define SYS_LIGHTWEIGHT_PROT            0



#define MEM_ALIGNMENT                   4


#define MEM_SIZE                        (30 * 1024)



#define MEMP_NUM_PBUF                   30


#define MEMP_NUM_RAW_PCB                4


#define MEMP_NUM_UDP_PCB                4


#define MEMP_NUM_TCP_PCB                2


#define MEMP_NUM_TCP_PCB_LISTEN         8


#define MEMP_NUM_TCP_SEG                16


#define MEMP_NUM_ARP_QUEUE              2


#define MEMP_NUM_SYS_TIMEOUT            (LWIP_TCP + IP_REASSEMBLY + LWIP_ARP + (2*LWIP_DHCP) + LWIP_AUTOIP + LWIP_IGMP + LWIP_DNS + PPP_SUPPORT + (LWIP_IPV6 ? (1 + LWIP_IPV6_REASS + LWIP_IPV6_MLD) : 0)) + 1


#define MEMP_NUM_NETBUF                 0


#define MEMP_NUM_NETCONN                0


#define MEMP_NUM_TCPIP_MSG_API          0


#define MEMP_NUM_TCPIP_MSG_INPKT        0


#define PBUF_POOL_SIZE                  32


#define MEMP_OVERFLOW_CHECK             0



#define LWIP_ARP                        1



#define IP_FORWARD                      0


#define IP_OPTIONS_ALLOWED              1


#define IP_REASSEMBLY                   1


#define IP_FRAG                         1


#define IP_REASS_MAXAGE                 3


#define IP_REASS_MAX_PBUFS              10


#define IP_FRAG_USES_STATIC_BUF         0


#define IP_DEFAULT_TTL                  255



#define LWIP_ICMP                       1


#define ICMP_TTL                       (IP_DEFAULT_TTL)



#define LWIP_RAW                        1



#define LWIP_DHCP                       0



#define LWIP_AUTOIP                     0



#define LWIP_SNMP                       1
#define LWIP_MIB2_CALLBACKS             0
#define MIB2_STATS                      1



#define LWIP_IGMP                       1



#define LWIP_DNS                        0



#define LWIP_UDP                        1


#define LWIP_UDPLITE                    0


#define UDP_TTL                         (IP_DEFAULT_TTL)



#define LWIP_TCP                        1
#define TCP_TTL                         255


#define TCP_QUEUE_OOSEQ                 0


#define TCP_MSS                         (1500 - 40)


#define TCP_SND_BUF                     (4 * TCP_MSS)


#define TCP_SND_QUEUELEN                (2 * TCP_SND_BUF / TCP_MSS)


#define TCP_WND                         (2 * TCP_MSS)



#define PBUF_LINK_HLEN                  16



#define LWIP_HAVE_LOOPIF                0




#define LWIP_NETCONN                    0



#define LWIP_SOCKET                     0



#define LWIP_STATS                      1



#define LWIP_MAC_ADDR                   0x11, 0x22, 0x33, 0x44, 0x55, 0x66

#define LWIP_NETIF_HOSTNAME             1
#define LWIP_NETIF_HOSTNAME_TEXT        "LwIP_Net"

#define LWIP_IPV4                       1

#define LWIP_LINK_SPEED_IN_BPS          100000000

#define LWIP_INIT_IPADDR(addr)          IP4_ADDR((addr), 192,168,0,10)
#define LWIP_INIT_NETMASK(addr)         IP4_ADDR((addr), 255,255,255,0)
#define LWIP_INIT_GW(addr)              IP4_ADDR((addr), 192,168,0,1)


#define TAPIF_DEBUG      LWIP_DBG_ON
#define TUNIF_DEBUG      LWIP_DBG_OFF
#define UNIXIF_DEBUG     LWIP_DBG_OFF
#define DELIF_DEBUG      LWIP_DBG_OFF
#define SIO_FIFO_DEBUG   LWIP_DBG_OFF
#define TCPDUMP_DEBUG    LWIP_DBG_ON
#define API_LIB_DEBUG    LWIP_DBG_ON
#define API_MSG_DEBUG    LWIP_DBG_ON
#define TCPIP_DEBUG      LWIP_DBG_ON
#define NETIF_DEBUG      LWIP_DBG_ON
#define SOCKETS_DEBUG    LWIP_DBG_ON
#define DEMO_DEBUG       LWIP_DBG_ON
#define IP_DEBUG         LWIP_DBG_ON
#define IP_REASS_DEBUG   LWIP_DBG_ON
#define RAW_DEBUG        LWIP_DBG_ON
#define ICMP_DEBUG       LWIP_DBG_ON
#define UDP_DEBUG        LWIP_DBG_ON
#define TCP_DEBUG        LWIP_DBG_ON
#define TCP_INPUT_DEBUG  LWIP_DBG_ON
#define TCP_OUTPUT_DEBUG LWIP_DBG_ON
#define TCP_RTO_DEBUG    LWIP_DBG_ON
#define TCP_CWND_DEBUG   LWIP_DBG_ON
#define TCP_WND_DEBUG    LWIP_DBG_ON
#define TCP_FR_DEBUG     LWIP_DBG_ON
#define TCP_QLEN_DEBUG   LWIP_DBG_ON
#define TCP_RST_DEBUG    LWIP_DBG_ON

extern unsigned char debug_flags;
#define LWIP_DBG_TYPES_ON debug_flags

#endif 

cc.h包含针对处理器和编译器的一些数据类型、字节对齐方式和宏定义等内容。一个例程如下所示：

#ifndef LWIP_ARCH_CC_H
#define LWIP_ARCH_CC_H

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>

#define LWIP_NO_STDINT_H        1


typedef uint8_t   u8_t;
typedef int8_t    s8_t;
typedef uint16_t  u16_t;
typedef int16_t   s16_t;
typedef uint32_t  u32_t;
typedef int32_t   s32_t;
typedef uintptr_t mem_ptr_t;
typedef int sys_prot_t;


#define X8_F  "02x"
#define U16_F "hu"
#define S16_F "hd"
#define X16_F "hx"
#define U32_F "lu"
#define S32_F "ld"
#define X32_F "lx"
#define SZT_F "lu"


#define BYTE_ORDER              LITTLE_ENDIAN


#if defined (__ICCARM__)
#define PACK_STRUCT_BEGIN
#define PACK_STRUCT_STRUCT
#define PACK_STRUCT_END
#define PACK_STRUCT_FIELD(x) x
#define PACK_STRUCT_USE_INCLUDES

#elif defined (__CC_ARM)

#define PACK_STRUCT_BEGIN __packed
#define PACK_STRUCT_STRUCT
#define PACK_STRUCT_END
#define PACK_STRUCT_FIELD(x) x

#elif defined (__GNUC__)

#define PACK_STRUCT_BEGIN
#define PACK_STRUCT_STRUCT __attribute__ ((__packed__))
#define PACK_STRUCT_END
#define PACK_STRUCT_FIELD(x) x

#elif defined (__TASKING__)

#define PACK_STRUCT_BEGIN
#define PACK_STRUCT_STRUCT
#define PACK_STRUCT_END
#define PACK_STRUCT_FIELD(x) x

#endif

#define LWIP_PLATFORM_ASSERT(x) do {printf("Assertion failed: ");\
                                    printf("Assertion failed: ");}while(0)

extern u32_t sys_now(void);


#endif 

cc.h文件中声明的sys_now函数需借助处理芯片（如MCU）的定时器实现。

perf.h是与系统统计和测量有关的文件，一般无需求是可不使用。如下所示：

#ifndef LWIP_ARCH_PERF_H
#define LWIP_ARCH_PERF_H

#define PERF_START    
#define PERF_STOP(x)  

#endif 

2.4 网口驱动开发

网口驱动主要包含两部分的驱动：MAC模块驱动和PHY模块驱动。MAC和PHY位于ISO/OSI模型的最后两层，完成数据链路层和物理层的数据传输。两者之间的具体关系可在网上查询学习，此处不做过多阐述。

2.4.1 MAC模块驱动

一般MAC模块位于MCU中，MCU厂商会提供相应的基本驱动程序，如若没有，则需要开发人员参照Datasheet描述进行编写，必须要实现的接口包括模块初始化、数据发送和数据接收接口。其中模块初始化的基本步骤大致如下：
1、Ethernet端口时钟设置；
2、Ethernet端口引脚设置；
3、MAC模块具体寄存器设置，涉及到MAC地址、接口模式（MII、RMII等）、通信速率、数据接收和发送缓存设置、数据接收和发送模式（轮询、中断或者DMA）等；
4、模块功能（数据接收和发送）启动。

2.4.2 PHY模块驱动

PHY模块通过MII、RMII等连接方式与MAC模块进行连接，在编写驱动时需要参考具体的硬件设计以及PHY芯片数据手册完成驱动操作。可参考如下步骤进行：
1、PHY芯片电源控制，按照硬件电路设计完成对PHY芯片上电和下电的驱动控制；
2、参考PHY芯片数据手册完成初始化设置，具体配置信息根据PHY芯片的不同或有差异，但是主要目的都是为了打通网络数据的传输链路。

开发人员可能会发现，有的硬件电路设计中找不到PHY芯片，与处理器MAC模块的通信连接可能会被叫做Switch芯片的模块代替，此处要说明的是Switch常用于多网口的电路设计中，由于Switch芯片内部集成了多个MAC和PHY模块，可完成数据在多路网口之间的数据传输。此时只需参照PHY芯片的驱动开发步骤完成Switch芯片的驱动的开发。当然，Switch芯片的功能要比PHY芯片的功能复杂，驱动支持接口可能会相对较多，开发人员需根据使用需求选择具体开发哪些功能驱动。

网口驱动开发一旦完成，便保证了网络数据的传输链路已经打通，在移植过程中便不用再担心硬件导致的LwIP数据传输不成功问题了，接下来便是将网口驱动程序加入到LwIP协议栈中的工作。

2.5 LwIP网卡接口适配

LwIP网卡驱动适配工作主要是完善“lwip-2.0.3\src\netif\ethernetif.c”文件中部分函数接口，包括以下函数：
low_level_init
low_level_output
low_level_input
在low_level_init函数中应当完成MAC地址的设置，同时调用网口驱动初始化函数，完成网络的初始化工作，low_level_init函数中已经指示了应当在哪些地方进行修改，下述代码是移植过程中的一个实例，其中带有“Add by myself start ”和“Add by myself end”注释部分是移植过程中添加的完善代码；

static void
low_level_init(struct netif *netif)
{
  struct ethernetif *ethernetif = netif->state;
  
  uint8_t aMacAddr[6] = {0x11, 0x22, 0x33, 0x44, 0x55, 0x66};
  

  
  netif->hwaddr_len = ETHARP_HWADDR_LEN;

  
  
  netif->hwaddr[0] = aMacAddr[0];
  netif->hwaddr[1] = aMacAddr[1];
  netif->hwaddr[2] = aMacAddr[2];
  netif->hwaddr[3] = aMacAddr[3];
  netif->hwaddr[4] = aMacAddr[4];
  netif->hwaddr[5] = aMacAddr[5];
  

  
  netif->mtu = 1500;

  
  
  netif->num = ETHERNET_PORT0;
  

  
  
  netif->flags = NETIF_FLAG_BROADCAST | NETIF_FLAG_ETHARP | NETIF_FLAG_LINK_UP;
#if LWIP_IPV6 && LWIP_IPV6_MLD
  
  if (netif->mld_mac_filter != NULL) {
    ip6_addr_t ip6_allnodes_ll;

    ip6_addr_set_allnodes_linklocal(&ip6_allnodes_ll);
    netif->mld_mac_filter(netif, &ip6_allnodes_ll, NETIF_ADD_MAC_FILTER);
  }
#endif 

  
  
  DevEthernetInit(netif->num);
  
}

在low_level_output函数中调用网卡数据发送接口，完成网络数据的发送工作，low_level_output函数中已经指示了应当在哪些地方进行修改，下述代码是移植过程中的一个实例，其中带有“Add by myself start ”和“Add by myself end”注释部分是移植过程中添加的完善代码；

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

//  initiate transfer();

#if ETH_PAD_SIZE
  pbuf_header(p, -ETH_PAD_SIZE); 
#endif

  for (q = p; q != NULL; q = q->next) {
    
//    send data from(q->payload, q->len);
      
      DevEthernetSend(netif->num, q->payload, q->len);
      
  }

//  signal that packet should be sent();

  MIB2_STATS_NETIF_ADD(netif, ifoutoctets, p->tot_len);
  if (((u8_t*)p->payload)[0] & 1) {
    
    MIB2_STATS_NETIF_INC(netif, ifoutnucastpkts);
  } else {
    
    MIB2_STATS_NETIF_INC(netif, ifoutucastpkts);
  }
  

#if ETH_PAD_SIZE
  pbuf_header(p, ETH_PAD_SIZE); 
#endif

  LINK_STATS_INC(link.xmit);

  return ERR_OK;
}

在low_level_input函数中调用网卡数据接收接口，完成网络数据的接收工作，low_level_input函数中已经指示了应当在哪些地方进行修改，下述代码是移植过程中的一个实例，其中带有“Add by myself start ”和“Add by myself end”注释部分是移植过程中添加的完善代码；

static struct pbuf *
low_level_input(struct netif *netif)
{
  struct ethernetif *ethernetif = netif->state;
  struct pbuf *p, *q;
  u16_t len;
  
  uint8_t *pFrame = NULL;
  

  
  
  len = DevEthernetGetRecvLength(netif->num);
  

#if ETH_PAD_SIZE
  len += ETH_PAD_SIZE; 
#endif

  
  p = pbuf_alloc(PBUF_RAW, len, PBUF_POOL);

  if (p != NULL) {

#if ETH_PAD_SIZE
    pbuf_header(p, -ETH_PAD_SIZE); 
#endif

    
    for (q = p; q != NULL; q = q->next) {
      
      //read data into(q->payload, q->len);
      
      
      pFrame = (uint8_t *)DevEthernetRecv(netif->num);
      if (NULL != pFrame)
      {
          memcpy((uint8_t *)q->payload, pFrame, len);
      }
      
    }
    //acknowledge that packet has been read();
    
    DevEthernetFreeRecvBuf(netif->num);
    

    MIB2_STATS_NETIF_ADD(netif, ifinoctets, p->tot_len);
    if (((u8_t*)p->payload)[0] & 1) {
      
      MIB2_STATS_NETIF_INC(netif, ifinnucastpkts);
    } else {
      
      MIB2_STATS_NETIF_INC(netif, ifinucastpkts);
    }
#if ETH_PAD_SIZE
    pbuf_header(p, ETH_PAD_SIZE); 
#endif

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

  return p;
}

上述接口完善结束，意味着离LwIP裸机移植的成功又进了一步，接下来便是想办法将LwIP协议栈调度运行起来，测试运行效果。

2.6 LwIP运行和测试

在调度运行LwIP之前还需完成两个重要的接口：LwIP_Init和LwIP_Test。
LwIP_Init用于完成LwIP协议栈的初始化工作，如网关设置、IP地址设置、子网掩码设置、初始化处理和网络链接启动等。有关网关、IP地址和子网掩码等信息的配置已在lwipopts.h文件中体现，如下所示：

#define LWIP_MAC_ADDR                   0x11, 0x22, 0x33, 0x44, 0x55, 0x66

#define LWIP_NETIF_HOSTNAME             1
#define LWIP_NETIF_HOSTNAME_TEXT        "LwIP_Net"

#define LWIP_IPV4                       1

#define LWIP_LINK_SPEED_IN_BPS          100000000

#define LWIP_INIT_IPADDR(addr)          IP4_ADDR((addr), 192,168,0,10)
#define LWIP_INIT_NETMASK(addr)         IP4_ADDR((addr), 255,255,255,0)
#define LWIP_INIT_GW(addr)              IP4_ADDR((addr), 192,168,0,1)

LwIP_Init函数的实现例程如下所示：

void LwIP_Init(void)
{
#if LWIP_IPV4
    ip4_addr_t ipaddr, netmask, gw;
#if (!LWIP_DHCP) && (!LWIP_AUTOIP)
    LWIP_INIT_GW(&gw);
    LWIP_INIT_IPADDR(&ipaddr);
    LWIP_INIT_NETMASK(&netmask);
#endif 
#endif 

    
    lwip_init();

    
    netif_set_default(netif_add(&gnetif, &ipaddr, &netmask, &gw, NULL, ethernetif_init, netif_input));

    
    if (netif_is_link_up(&gnetif))
    {
        
        netif_set_up(&gnetif);
    }
    else
    {
        
        netif_set_down(&gnetif);
    }
}

LwIP_Test函数则用于接收网络数据和监测LwIP的timeout事件，此函数要周期性地被调用，保证网络模块接收到的网络数据及时传入LwIP协议栈中进行处理。LwIP_Test函数示例如下所示：

void LwIPTestProcess(void)
{
    
    ethernetif_input(&gnetif);
    
    
    sys_check_timeouts();
}

进行到这一步，LwIP裸机移植工作已全部完成，如无意外，此时应当可以通过电脑端cmd窗口与烧录了LwIP程序的硬件开发板进行ping通信，前提是需设置电脑IPv4的网关地址、IP地址和子网掩码，保证电脑和开发板在同一IP段内。