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|  V1.0  |  2020-07-10 |  gingko  |  初次建立  | 

===== 实验二十七：LWIP_NETIO实验——以太网测速 =====

==== 一、 实验目的与意义 ====

  - 了解LWIP协议栈和NETIO的结构。
  - 了解NETIO特征。
  - 了解UCOSII的使用方法。
  - 掌握NETIO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、NETIO简介 ===

  * 网络基准测量工具NETIO是通过NetBIOS、UDP和TCP协议测量网络净生产量的网络基准(Unix只支持TCP和UDP)使用各种各样的不同的包大小。
=== 2、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。
=== 3、UCOSII简介 ===

  * UCOSII的前身是UCOS，最早出自于1992年美国嵌入式系统专家JeanJ.Labrosse在《嵌入式系统编程》杂志的5月和6月刊上刊登的文章连载，并把UCOS的源码发布在该杂志的BBS上。目前最新的版本：UCOSIII已经出来，但是现在使用最为广泛的还是UCOSII。
  * UCOSII是一个可以基于ROM运行的、可裁减的、抢占式、实时多任务内核，具有高度可移植性，特别适合于微处理器和控制器，是和很多商业操作系统性能相当的实时操作系统(RTOS)。为了提供最好的移植性能，UCOSII最大程度上使用ANSIC语言进行开发，并且已经移植到近40多种处理器体系上，涵盖了从8位到64位各种CPU(包括DSP)。
  * UCOSII是专门为计算机的嵌入式应用设计的，绝大部分代码是用C语言编写的。CPU硬件相关部分是用汇编语言编写的、总量约200行的汇编语言部分被压缩到最低限度，为的是便于移植到任何一种其它的CPU上。用户只要有标准的ANSI的C交叉编译器，有汇编器、连接器等软件工具，就可以将UCOSII嵌人到开发的产品中。UCOSII具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点，最小内核可编译至2KB。UCOSII已经移植到了几乎所有知名的CPU上。
  * UCOSII构思巧妙、结构简洁精练、可读性强，同时又具备了实时操作系统的全部功能，虽然它只是一个内核，但非常适合初次接触嵌入式实时操作系统的朋友，可以说是麻雀虽小，五脏俱全。UCOSII体系结构如图所示：
{{ :icore4:icore4_arm_hal_27_1.png?direct |}}
    * (1) 这部分是系统配置文件，用来配置所需的系统功能，比如需要用到的UCOSII的模块、时钟频率等等。
    * (2) 这部分为用户的应用程序，即使用UCOSII完成的应用层代码，文件不一定命名为app.c，可以命名为其他的。注意，app_hooks.c里面是钩子函数的应用层代码，app_cfg.h是与APP配置有关的，这个是Micrium公司提供的模板，不使用的话就可以直接删掉。
    * (3) 这部分是UCOSII的核心源码，它们是与处理器无关的代码，都是由高度可移植的ANSIC编写的。
    * (4) Micrium重写了stdlib库中的一些函数，如内存复制，字符串相关函数等。这样做的目的是为了保证在不同应用程序和编译器之间的可移植性。
    * (5) 这部分的文件需要根据不同的CPU架构去做修改，也就是移植的过程。从这里可看出移植的真正核心就是这三个文件的修改。
    * (6) 此部分是Micrium官方封装起来的CPU相关功能代码，比如打开和关闭中断等。
    * (7) 板级支持包(BSP)，说白了就是外设驱动代码，根据需求用户自行编写，不一定要用bsp.c和bsp.h这样的文件命名。cpu_bsp.c是与cpu有关的驱动。
    * (8) CPU厂商提供的针对本公司CPU所制作的库函数，比如ST针对STM32提供的STD和HAL这种库函数。
=== 4、LAN8720A简介 ===

  * LAN8720A功能框图如图所示：
{{ :icore4:icore4_arm_hal_27_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，本实验使用NETIO对以太网测速。原理图如下：
{{ :icore4:icore4_arm_hal_27_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");     //设置字体终端为绿色
    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
    }
    netio.initialize();                   //netio初始化
    tcp.initialize();                     //tcp初始化
    
    OSTaskCreate(start_task,(void*)0,(OS_STK*)&START_TASK_STK[START_STK_SIZE-1],START_TASK_PRIO);
    OSStart();                       //开启UCOS   
}
 
</code>
=== 2、开始任务 ===
<code c>
void start_task(void *pdata)
{
    OS_CPU_SR cpu_sr;
    pdata = pdata ;

    OSStatInit();         //初始化统计任务
    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

    OSTaskCreate(led_task,(void*)0,(OS_STK*)&LED_TASK_STK[LED_STK_SIZE-1],LED_TASK_PRIO);//创建LED任务
    OSTaskCreate(display_task,(void*)0,(OS_STK*)&DISPLAY_TASK_STK[DISPLAY_STK_SIZE-1],DISPLAY_TASK_PRIO); //显示任务
    OSTaskSuspend(OS_PRIO_SELF); //挂起start_task任务
    
    OS_EXIT_CRITICAL();      //开中断
}
 
</code>
=== 3、动态内存初始化 ===
<code c>
//内存管理初始化  
void my_mem_init(u8 memx)  
{  
    mymemset(mallco_dev.memmap[memx],0,memtblsize[memx]*4); 
//内存状态表数据清零  
     mallco_dev.memrdy[memx]=1;     
     //内存管理初始化OK  
} 
 
</code>
=== 4、LwIP初始化 ===
<code c>
//LWIP初始化(LWIP启动的时候使用)
//返回值:0,成功
//   1,内存错误
//   2,LAN8720初始化失败
//   3,网卡添加失败.
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
    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、NETIO初始化 ===
<code c>
static INT8U netio_server_init(void)
{
    INT8U res;
    OS_CPU_SR cpu_sr;
    OS_ENTER_CRITICAL();    //关中断
    res = OSTaskCreate(netio_init,(void*)0,(OS_STK*)&NETIO_TASK_STK[NETIO_STK_SIZE-1],NETIO_PRIO); 
    OS_EXIT_CRITICAL();    //开中断
    return res;//返回值:0 
}
static void netio_init(void *arg)
{
  struct tcp_pcb *pcb;

  pcb = tcp_new();
  tcp_bind(pcb, IP_ADDR_ANY, 18767);
  pcb = tcp_listen(pcb);
  tcp_accept(pcb, netio_accept);
}
 
</code>
=== 6、TCP初始化 ===
<code c>
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
    res = OSTaskCreate(tcp_server_thread,(void*)0,(OS_STK*)&TCPSERVER_TASK_STK[TCPSERVER_STK_SIZE-1],TCPSERVER_PRIO); //创建TCP服务器线程
    OS_EXIT_CRITICAL();    //开中断
    
    return res;//返回值:0 TCP服务器创建成功
}
 
</code>
=== 7、NETIO关闭 ===
<code c>
static void netio_close(void *arg, struct tcp_pcb *pcb)
{
  err_t err;

  struct netio_state *ns = arg;
  ns->state = NETIO_STATE_DONE;    //标记NETIO不处于任何状态
  tcp_recv(pcb, NULL);
  err = tcp_close(pcb);             //关闭连接

  if (err != ERR_OK) {
    tcp_recv(pcb, netio_recv);     //关闭失败，稍后重试
  } else {
    //关闭成功
#if NETIO_USE_STATIC_BUF != 1
    if(ns->buf_ptr != NULL){
      mem_free(ns->buf_ptr);
    }
#endif
    tcp_arg(pcb, NULL);        //注销掉参数
    tcp_poll(pcb, NULL, 0);    //注销掉轮训函数
    tcp_sent(pcb, NULL);        //注销掉发送函数    
    if (arg != NULL) {
      mem_free(arg);            //释放arg的内存
    }
  }
}
 
</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；
  - 打开Keil MDK 开发环境，并打开本实验工程；
  - 烧写程序到iCore4上；
  - 打开netio文件夹，双击运行cmd.reg注册表，右击bin文件夹，选择在此位置打开cmd，输入命令：win32-i386 -t 192.168.0.10.
  - 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 ====

  * 实验现象如图所示：
{{ :icore4:icore4_arm_hal_27_4.png?direct |}}