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Figure 1

   

摘要

TCP/IP协议栈广泛应用于局域网和广域网的以太网通信接口。轻量级TCP/IP (lwIP)是TCP/IP协议的微缩版实现方案，旨在减少RAM的使用。本文提供了如何将lwIP TCP/IP协议栈集成到嵌入式应用的指南，目的是简化开发流程，帮助开发者节省时间和精力。

引言

轻量级TCP/IP (lwIP)协议栈是TCP/IP协议族的精简实现方案，旨在尽可能减少RAM的使用，因此非常适合用于嵌入式系统。它提供了三种不同的应用程序编程接口(API)：

• 底层Raw API
• 更高层的Netconn API
• BSD风格的Socket API

本文内容将完全基于Raw API接口的使用示例展开。Raw API采用事件驱动机制，能够在无底层操作系统支持的环境中独立运行。采用Raw API的应用程序实现由核心事件触发的回调函数。

相比Socket API，Raw API更为复杂，但由于开销较低，其吞吐能力远高于前者。

本文将基于ADI公司的MAX32570微控制器，讨论多个构建于lwIP TCP/IP协议栈之上的演示示例。第一部分详细探讨一个ping演示，说明如何在PC和设备之间进行ping操作。后续部分深入介绍一个TCP回显服务器示例，这是一个基础的服务器演示，可用于测试TCP的连接。

包含ADI MSX32xxx微控制器固件开发所需的软件和工具，其中有一个lwIP协议栈库文件“MaximSDK\Libraries\lwIP”。图1显示了MaximSDK文件夹中的lwIP库文件。

lwIP文件夹包含多个子文件夹：

• API文件夹（Netconn和Socket API）
• Core文件夹（lwIP核心文件，包括“tcp.c”、“ip.c”等）
• Netif文件夹（网络接口文件）
• Include文件夹（所有lwIP头文件）
• Maxim文件夹（针对ADI微控制器定制的mac驱动程序）

lwIP架构遵循TCP/IP模型结构。TCP/IP协议是一种由不同层的多个 协议组合而成的协议体系。通常认为TCP/IP是一个4层体系，如图2所示。

每个lwIP项目都包含一个名为“lwipopts.h”的配置文件，以及一个名为“opt.h”的默认配置文件。“opt.h”文件包含所有默认协议栈配置及其模块配置，而“lwipopts.h”允许用户对协议栈及其模块进行全面配置。请注意，此文件并不包含所有可能的lwIP选项。因此，如果某个配置未在“lwipopts.h”文件中定义，则会使用“opt.h”中定义的默认配置。

类似地，lwIP库有一个应用程序专用的头文件，称为“lwipcfg.h”。控制器的IP地址、网关地址、网络掩码地址和MAC地址应在“lwipcfg.h”文件中定义，如图3所示。

为了在lwIP和底层硬件驱动程序之间建立连接，需要一个平台专用的适配层。例如，为微控制器实现lwIP协议栈时，需要定制驱动程序，以实现lwIP协议栈与微控制器以太网MAC驱动程序的对接。定制驱动程序应包含以下功能：

• 初始化函数：此函数负责初始化微控制器专用的MAC驱动程序。
• 发送函数：此函数帮助将从TCP协议栈接收的数据传输到以太网MAC驱动程序，以便进行后续传输。
• 接收函数：此函数负责将从以太网MAC驱动程序接收的数据包转发至TCP协议栈。

对于ADI微控制器，MaximSDK中提供了定制驱动程序，其路径为 “MaximSDK\Libraries\lwIP\Maxim\mxc_eth.c”。该驱动程序是对微控 制器自带的以太网MAC (EMAC)外设库的封装，相关库位于外设驱 动程序中：“C:\MaximSDK\ Libraries\PeriphDrivers\Source\EMAC”。

ping示例

ping”命令是一个用于排除网络故障的简单工具。它会向特定IP地址发送信号，然后等待回复，以此来执行互联网控制消息协议(ICMP)回显请求。目标地址收到此请求时，会发送一个回显回复包作为回应。本部分将解释如何从Windows PC对微控制器执行基本ping测试，以检查它们之间的连接。本部分还会介绍如何使用微控制器的ping模块与PC通信。

Windows ping实用程序的工作原理如下：

• PC向微控制器发送四个数据包并等待响应。
• 微控制器将这些数据包送回PC作为回复（这被称为回显回复请求）。

运行ping测试的步骤如下：

• 使用以太网线缆将微控制器评估套件连接到PC。
• 打开命令提示符，键入“ping ”，然后按回车键。

如果命令提示符中的回复类似图4所示的内容，则说明PC和微控制器之间连接正确。

在微控制器端测试ping

“lwIP_Ping”文件是MaximSDK中包含的ADI MAX32570微控制器ping示例。它位于“C:\MaximSDK\Examples\ MAX32570\lwIP_Ping”，相关步骤如下：

• 微控制器的IP地址通过“lwipcfg.h”文件设置。微控制器和PC的IP地址须在同一网段内。
• PC的IP地址应作为网关地址，并在微控制器“lwipcfg.h”文件中提供。
• 使用以太网线缆连接PC和MAX32570 EVKIT。
• 运行ping示例代码。
• 在eclipse中打开串行终端（Window -> Show view -> Terminal）。如 果ping操作成功，终端会显示ping结果，如图5所示。

命令提示符仅显示ping的统计信息。要查看实际发送的数据，需要使用名为Wireshark的工具。Wireshark能够从网络连接中捕获数据包。打开Wireshark后，应选择Ethernet选项。该工具会显示详细信息，例如来源和目标MAC地址、来源和目标IP地址、通信协议、发送的附加数据等。Wireshark中显示的信息如图6所示。

示例中显示，发送的数据为0x00、0x01……0x1F。但是，如果用户想要更改发送的数据，应该怎么做？

修改微控制器ping发送的数据

与ping一同发送的数据在“ping.c”文件中设置。“ping.c”文件就 是ping的发送程序模块。要发送的数据大小通过“ping.c”文件中 的“PING_DATA_SIZE”设置，如图7所示，数据大小设置为32字节。

要发送的数据也在“ping.c”文件中定义。如图8所示，附加数据缓冲区填充了一些数据：“0x00、0x01、0x02……0x1F”。

根据应用要求，如果用户希望更改数据，可以在“ping .c”文件中修改数据缓冲区。例如，将32个字节的数据全部更改为 “0x01、0x01……0x01”，如图9所示。

修改后的“ping .c”文件在Wireshark中显示的信息如图10所示。数据随后会被更新围新的参数。

TCP回显服务器

ping示例利用ICMP确定目标系统的响应能力。它使用默认数据通过网络向预期接收者发送回显请求。目标地址收到此请求时，会发送一个回显回复包作为回应。

用户想要将自定义数据从一个设备发送到另一个设备时，会使用TCP协议进行数据传输。回显服务是一个标准的TCP功能，主要用于检查可达性和识别路由问题。在此服务中，服务器和客户端基于TCP协议建立连接。服务器从客户端收到消息时，会将相同的消息送回客户端。

在MaximSDK中，“lwIP TCP”源文件演示了如何使用lwIP库中的TCP函数。 在这种情况下，微控制器充当TCP服务器，等待客户端请求。客户端发送的数据会被回显。TCP回显服务器示例中应使用“tcpecho_raw.c”应用程序源文件。按照以下步骤指定TCP回显服务器。

设置TCP回显服务器的步骤如下：

• 创建套接字
• 将套接字绑定到广播的端口号
• 绑定后，它便开始监听传入的连接
• 当请求连接时，它接受来自客户端机器的请求
• 然后，服务器接收客户端发送的数据
• 最后，服务器将相同的数据送回客户端

图11所示的代码片段简要呈现了固件结构，这段代码是主函数的一部分。config_emac函数对EMAC进行初始化，MXC_ETH_Init对lwIP协议栈进行初始化。

EMAC和lwIP协议栈初始化之后，使用tcpecho_raw_init对TCP回显服务器进行初始化。回显服务器初始化结构如图12所示。

回显服务器初始化时会创建一个新的套接字。它随后将分配的IP地址和端口号绑定到新的套接字。绑定后，它会监听来自远程客户端的连接请求。

要测试TCP服务器示例，请使用echotool.exe PC客户端实用程序。echotool. exe文件应保存在C盘，命令提示符应从C盘打开。在客户端模式下，它将数据发送到服务器，然后检查该数据是否被送回，如图13所示。测试服务器演示时，务必在客户端模式下使用回显工具。

如何测试TCP服务器示例：

• 确保所有连接均正常工作。
• 使用eclipse构建示例代码。
• 在调试模式下运行代码。
• 在远程PC上打开命令提示符窗口。
• 在命令提示符中输入以下内容：

  • “C:\>echotool IP_address /p tcp /r 7 /n 15 /t 2 /d LwIP TCP echo server 
    Example”
       IP_address为实际的电路板IP地址。静态IP地址为192.168.100.200
      /p tcp为协议（TCP协议）
      /r为回显服务器上的实际远程端口（回显端口）
       /n为回显请求的数量
    /t为连接超时时间（以秒为单位）
     /d为要发送的用于回显的消息（例如“LwIP TCP echo server 
    Example”）
                    

通过网络发送的TCP协议和数据可以利用Wireshark软件进行验证。Wireshark会显示通过网络发送的数据包，如图14所示。通过命令提示符发送的数据是“LwIP TCP echo server Example”，在Wireshark软件中可以看到同样的数据。

结论

理解并高效运用lwIP协议栈的功能，结合基于ICMP的ping工具和TCP协议，将极大地拓展网络诊断和数据传输的可能性。ADI的MAX32570微控制器和MaximSDK为实现lwIP协议栈和构建可靠的通信系统提供了坚实的基础。借鉴本文所述的示例，用户可以排除网络故障，建立顺畅的连接并确保数据完整性。

参考文献

¹ nongnu.org/lwIP/2_1_x/index.html

wireshark.org/download.html

github.com/PavelBansky/EchoTool

关于作者

Anju Puthenpurayil

Anju Puthenpurayil目前担任ADI公司CAC团队的核心应用工程师。Anju拥有印度浦那国防先进技术学院(DIAT)的VLSI和嵌入式系统硕士学位。她持续关注行业趋势和进展，为ADI公司产品的成功做出了重要贡献。