lwIP概述

lwIP是一个用于嵌入式系统的开源TCP/IP协议集，是一套可以独立运行的栈，无需依赖操作系统，但也可以与操作系统同时使用。lwIP提供了两套API（术语为A05PI），供用户选择：

RAW API：直接访问核心的lwIP栈；
Socket API：通过BSD socket风格的接口访问lwIP栈。

基于lwIP 1.4.1库版本，SDK提供了相应适配的库，称作lwip 141_v1_x。这个库为Ethernetlite、TEMAC、GigE、MAC核提供了适配器（adapter）。Ethernetlite和TEMAC核用于MicroBlaze系统；GigE控制器和MAC核用于Zynq。想在Xilinx FPGA环境下熟练使用lwIP，不仅要了解lwIP的API用法，还要掌握xilinx适配器的一些知识。

Xilinx中lwIP的使用可以参考xapp1026和UG650；lwIP的开发者主页为 http://savannah.nongnu.org/projects/lwip/ ；查阅lwip的相关知识：https://lwip.fandom.com/wiki/LwIP_Wiki。

设置硬件系统

lwIP支持的硬件系统包含的关键组件如下：

处理器：MicroBlaze、Zynq中的Cortex-A9、Zynq UltraScale+ MPSoC系统中的Cortex-A53和Cortex-R5；
MAC：lwIP支持axi_ethernetlite、axi_ethernet、GigE控制器和MAC核；
定时器：基于lwIP RAW API的应用需要按周期间隔调用某些函数，可通过一个带定时器的中断处理器来实现。
DMA：对于MicroBlaze，axi_ethernet核可以配置一个软DMA引擎或一个FIFO接口。对于Zynq，已经有嵌入的DMA，因此无需额外配置。

学会Zynq（12）lwIP 1.4.1库的配置与使用-LMLPHP
上图是一个MicroBlaze系统架构的示例，使用了带DMA的axi_ethernet核。

设置软件系统

把Vivado的硬件平台导入到SDK中时，默认是不包含lwIP库的，因此必须先做相应配置，编译lwIP库到应用程序中。步骤如下：

1.SDK中选择File->New->Xilinx Board Support Package，创建新的板级支持包。
学会Zynq（12）lwIP 1.4.1库的配置与使用-LMLPHP
2.设置工程名称和目录。Zynq系列选择FreeRTOS或裸机；MicroBlaze还可以选择XilKernel。点击Finish，弹出配置窗口，配置BSP。

3.选中lwip 141，窗口左侧会出现对lwip库做更详细配置的窗口。

4.配置完成后点击OK，SDK会自动构建包含lwIP的板级支持包。

lwIP的详细配置

lwIP提供了可配置的参数，SDK中可以改变这些参数值。可配置的选项可以分为两类：

Xilinx适配器的相关选项：Xilinx适配器把这些控制设置用于以太网核；
基本lwIP选项：这些选项是lwIP库本身的一部分，包括用于TCP、UDP、IP等其它协议的参数。

1.定制lwIP API模式

lwip141_v1_x支持RAM API和Socket API。RAW API有更好的性能和更低的内存占用，但由于是基于回调机制的，因此不能与其它TCP 栈兼容；Socket API提供了一个BSD socket风格的接口，因此移植性很强，但在性能和内存需求方面没有RAW API效率高。

2.配置Xilinx适配器选项

axi_ethernetlite适配器（ethernetlite_adapter_options）相关的配置参数如下：

axi_ethernet和GigE适配器（temac_adapter_options）的相关配置参数如下：

3.配置内存选项

lwIP栈提供了不同种类的内存。当应用程序使用socket模式时，将使用不同的内存选项。所有可配置的内存选项都作为单独的类别提供。

4.pbuf_options

包缓冲区（Pbuf）跨TCP/IP栈的不同层，下面是lwip栈提供的pbuf内存选项，一般情况下无需修改该选项的默认值。

5.arp_options

一般情况下无需修改该选项的默认值。

6.lwip_ip_options

下表是下级菜单中的IP参数选项，一般情况下无需修改该选项的默认值。

7.icmp_options

该选项只可以设置ICMP的TTL值。Zynq中的GigE核不支持使用ICMP。

8.igmp_options

lwIP支持IGMP协议，该选项没有下级菜单，设置为true可以启用IGMP协议。

9.udp_options

lwIP支持UDP协议，一般情况下无需修改该选项的默认值。

10.tcp_options

lwIP支持TCP协议，一般情况下无需修改该选项的默认值。

11.dhcp_options

lwIP支持DHCP协议，一般情况下无需修改该选项的默认值。

12.stats_options

lwIP栈在设计上可以收集一些统计信息，比如使用的连接数、内存使用量、应用程序使用的信号量的数量。lwIP库提供了函数stats_display()来显示统计值。是否启用该功能在stats选项中设置。该选项下只有一个boolean类型的lwip_stats，默认为false。

13.debug_options

lwIP可以提供调试信息，debug_options下包括lwip_debug、ip_debug、tcp_debug、udp_debug、icmp_debug、igmp_debug、netif_debug、sys_debug、pbuf_debug几个选项，都是boolean类型，设置true/false来打开/关闭对应的调试功能。

软件API

lwIP库提供了两种不同的API：RAW mode和Socket mode。

RAW API基于回调机制，应用程序与TCP栈之间可以直接访问。因此没有额外的socket层，RAW API有优秀的性能表现，但不能与其它TCP栈兼容。此外，Xilinx适配器还为接收数据包提供了xemacif_input程序函数。必须经常调用此函数，将接收到的数据包从中断处理程序移动到lwIP栈。根据接受包的类型，lwIP回调相应的程序。

Socket API是一套BSD socket风格的API。该API提供了一个执行模型，它是一个阻塞的、“打开-读-写-关闭（open-read-write-close）”模型。使用Socket API和Xilinx适配器的应用程序需要生成一个单独的线程xemacif_input_thread。这个线程将接收到的数据包从中断处理程序移动到lwIP的tcpip_thread。必须使用lwIP的sys_thread_new API创建使用lwIP的应用程序线程。

Xilinx适配器提供了一些辅助函数，以简化lwIP API的使用，各函数简要说明如下：

1.lwip_init

void lwip_init()

这个函数为lwIP数据结构做了初始化，会替换对初始化状态、系统、内存、pbuf、ARP、IP、UDP、TCP的特定调用。

2.xemac_add

struct netif *xemac_add (struct netif *netif, struct ip_addr *ipaddr, struct ip_addr *netmask, struct ip_addr *gw, unsigned char *mac_ethernet_address, unsigned mac_baseaddr)

这个函数为添加任何Xilinx EMAC IP和GigE核提供了一个统一的接口。这个函数在lwIP的netif_add函数基础上封装的，用于初始化网络接口‘netif’，给定它的IP地址、网络掩码、网关的IP地址、6字节的以太网地址（MAC地址），以及axi_ethernetlite或axi_ethernet MAC核的基地址。

3.xemacif_input

void xemacif_input(struct netif *netif)

该函数只在RAW模式下可用。Xlinx lwIP适配器在中断模式下工作。接收中断处理程序从EMAC/GigE中将包数据移动并存储在队列中。xemacif_input函数从队列中取出这些包，传递给lwIP。因此在RAW mode下，需要使用这个程序。下面是一个简单示例：

while (1) {
	/* receive packets */
	xemacif_input(netif);

    /* do application specific processing */
}

该程序会通过回调通知已经接收到的数据。

4.xemacif_input_thread

void xemacif_input_thread(struct netif *netif)

该函数只在Socket模式下可用。Socket模式中，应用程序必须启动一个单独的线程来接收输入包。这与RAW模式下的xemacif_input函数功能相同，只不过它驻留在独立的线程中。因此，任何lwIP socket模式下的应用程序都需要有类似如下的代码：

sys_thread_new(“xemacif_input_thread”, xemacif_input_thread, netif,
                     THREAD_STACK_SIZE, DEFAULT_THREAD_PRIO);

然后，应用程序可以启动单独的线程来完成应用程序中特定的任务。xemacif_input_thread会接收中断处理程序处理的数据，将其传递给lwIP tcpip_thread。

5.xemacpsif_resetrx_on_no_rxdata

void xemacpsif_resetrx_on_no_rxdata(struct netif *netif)

该函数在Raw模式和Socket模式下都可用，但只能用于Zynq系列的GigE控制器。GigE控制器上有一个与Rx路径有关的勘误表（errata）。该勘误表描述了当小数据包的Rx流量过大时，GigE的Rx路径完全没有响应的情况。这种情况很少发生，但发生时需要对控制器中的Rx逻辑进行软件重置。用户的应用程序必须周期性地调用这个函数，以确保Rx路径不会再超过100ms的时间内停止响应。

RAW API程序架构

使用RAW API的应用程序是单线程的，一般具有与下面伪代码类似的主架构：

int main()
{
	struct netif *netif, server_netif;
	struct ip_addr ipaddr, netmask, gw;
	//板子的MAC地址，每个PHY都不同
	unsigned char mac_ethernet_address[] =
		{0x00, 0x0a, 0x35, 0x00, 0x01, 0x02};

	lwip_init();

	//把网络接口添加到netif_list, 并设为默认
	if (!xemac_add(netif, &ipaddr, &netmask,
		&gw, mac_ethernet_address, EMAC_BASEADDR)) {
		printf(“Error adding N/W interface\n\r”);
		return -1;
	}
	netif_set_default(netif);

	platform_enable_interrupts();   //使能中断
	netif_set_up(netif);  //指定网络是否打开
	start_application();  //启动应用程序，设置回调

	//接收并处理包
	while (1) {
		xemacif_input(netif);
		transfer_data();  //执行应用程序的特定功能
	}
}

RAW API主要通过异步调用发送和接收的回调函数来工作。

Socket API程序架构

Socket模式下，基于Xilkernel的应用程序可以在Xilkernel软件平台的设置对话框中指定一个静态线程列表，这些线程会在Xilkernel启动时生成。假设main_thread()是一个设定的由Xilkernel启动的线程，在启动Xilkernel调度后，控制权会从应用程序中的“main”转移到这个线程。在main线程中，再创建一个线程（network_thread）来初始化MAC层。

对于基于FreeRTOS（Zynq-7000处理器系统）的应用程序，一旦控制权到达“main”，就会在启动调度程序之前创建一个带有main_thread()入口函数的任务。在FreeRTOS调度程序启动之后，控制权到达main_thread()，在这里进行lwIP的初始化。然后，应用程序再创建一个线程（network_thread）来初始化MAC层。

下面的伪代码展示了一个典型的Socket模式下的程序架构：

void network_thread(void *p)
{
	struct netif *netif, server_netif;
	struct ip_addr ipaddr, netmask, gw;
	//板子的MAC地址，每个PHY都不同
	unsigned char mac_ethernet_address[] =
		{0x00, 0x0a, 0x35, 0x00, 0x01, 0x02};
	netif = &server_netif;

	//初始化使用的IP地址
	IP4_ADDR(&ipaddr,192,168,1,10);
	IP4_ADDR(&netmask,255,255,255,0);
	IP4_ADDR(&gw,192,168,1,1);
	//把网络接口添加到netif_list, 并设为默认
	if (!xemac_add(netif, &ipaddr, &netmask,
		&gw, mac_ethernet_address, EMAC_BASEADDR)) {
		printf(“Error adding N/W interface\n\r”);
		return;
	}
	netif_set_default(netif);

	netif_set_up(netif); //指定网络是否打开
	//启动包接收线程
	sys_thread_new(“xemacif_input_thread”, xemacif_input_thread,
				netif, THREAD_STACKSIZE, DEFAULT_THREAD_PRIO);
	//启动应用程序线程
	sys_thread_new(“httpd” web_application_thread, 0,
				THREAD_STACKSIZE DEFAULT_THREAD_PRIO);
}

int main_thread()
{
	//调用sys_thread_new前初始化lwIP
	lwip_init();
	//使用lwIP的所有线程都要用sys_thread_new()创建
	sys_thread_new(“network_thread” network_thread,
			NULL, THREAD_STACKSIZE DEFAULT_THREAD_PRIO);
	return 0;
}

本文链接：https://blog.csdn.net/FPGADesigner/article/details/88689771

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学会Zynq（12）lwIP 1.4.1库的配置与使用