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STM32CubeMX教程四十——LWIP_TCP_SERVER以太网数据传输
实验四十:LWIP_TCP_SERVER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TCP SERVER的使用方法。 
-  掌握STM32 HAL库中ETH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 双核心板及底板; 
-  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: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: 
-  支持多网络接口下的IP转发; 
-  支持ICMP协议; 
-  包括实验性扩展的UDP(用户数据报协议); 
-  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); 
-  提供专门的内部回调接口(Raw  API- ),用于提高应用程序性能; 
-  可选择的Berkeley接口API (在多线程情况下使用) ; 
-  在最新的版本中支持ppp; 
-  新版本中增加了的IP fragment的支持; 
-  支持DHCP协议,动态分配ip地址。 
 
2.TCP/IP协议
-  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。 
 
 
3.STM32H750以太网简介
-  实现10M/100Mbit/s的数据传输速率; 
-  专用DMA控制器允许专用SRAM之间高速传输; 
-  标明MAC支持(VLAN支持); 
-  通过符合IEEE802.3的MII/RMII接口与外部以太网PHY进行通信; 
-  支持全双工和半双工操作; 
-  MAC控制子层(控制帧)支持; 
-  32位CRC生成和删除; 
-  支持多种灵活的地址过滤模式; 
-  每次发送或接收32位状态码; 
-  提供接收和发送两组FIFO; 
-  通过SMI(MDIO)接口配置和管理PHY设备; 
-  支持以太网时间戳(参见IEEE1588-2008),时间戳比较器连接到TIM2输入; 
-  当系统时间大于目标时间时触发中断。 
-  支持DMA。 
 
 
4.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 
 
5.原理图
四、 实验程序
1.主函数
 //LWIP初始化
NETMPU_Config();
lwip.initialize();
eth_tcpc.initialize();
while (1)
{
	if((cnt ++ / 800000) % 2){
		LED_RED_ON;
	}else{
		LED_RED_OFF;
	}
	lwip.periodic_handle();
	//tcp server test
	//支持热插拔
	if(_second_flag == 1){
		_second_flag = 0;
		if(lan8720.GetLinkState() == LAN8720_STATUS_LINK_DOWN){
			eth_tcps.first_flag = 0;
			if(eth_tcps.first_flag_1 ++ == 0){
				eth_tcps.connection_close(eth_tcps.tcppcbnew,NUL	L);
				eth_tcps.connection_close(eth_tcps.tcppcbconn,NULL);
				eth_tcps.remove_timewait();
			}
		}else{
			eth_tcps.first_flag_1 = 0;
			if(eth_tcps.first_flag ++ == 0){
				eth_tcps.initialize();
			}
		}
	}
	if(eth_tcps.receive_ok_flag == 1){
		eth_tcps.receive_ok_flag = 0;
		eth_tcps.send_data(eth_tcps.tcppcbnew);
	}
 }
2.LwIP初始化
unsigned char initialize(void)
{
  unsigned char retry = 0;
	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
 
	while(lan8720.initialize()){ 	    //初始化LAN8720,如果失败的话就重试5次
		retry++;
		if(retry > 5){
			retry = 0;
		  return 3;
		} //LAN8720初始化失败
	}
	lwip_init();						//初始化LWIP内核	
	IP4_ADDR(&ipaddr,lan8720.ip[0],lan8720.ip[1],lan8720.ip[2],lan8720.ip[3]);
	IP4_ADDR(&netmask,lan8720.sub[0],lan8720.sub[1] ,lan8720.sub[2],lan8720.sub[3]);
	IP4_ADDR(&gw,lan8720.gw[0],lan8720.gw[1],lan8720.gw[2],lan8720.gw[3]);
	Netif_Init_Flag=netif_add(&lwip_netif,&ipaddr,&netmask,&gw,NULL,ðernetif_init,ðernet_input); //向网卡列表中添加一个网口	
	if(Netif_Init_Flag==NULL){
		return 4;         //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
}
3.eth_tcps初始化
void initialize(void)
{
	eth_tcps.tcpc_pcb = tcp_new();	  //该函数简单的调用tcp_alloc函数为一个谅解分配一个TCP控制块tcp_pcb。tcp_alloc函数首先为新的tcp_pcb分配内存空间,若内存空间不足,则函数会释放出新的pcb空间。
	tcp_bind(eth_tcps.tcppcbnew,IP_ADDR_ANY,TCP_SERVER_PORT);	
	eth_tcps.tcppcbconn=tcp_listen(eth_tcps.tcppcbnew);	
	tcp_accept(eth_tcps.tcppcbconn,tcp_server_accept);
}
 
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; 
-  设置电脑IP地址(见附录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1:电脑IP设置
附录2