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uIP学习笔记
1.前言
最近半年的时间一直在学习应用嵌入式以太网。虽然学习的动机仅仅是玩玩,但是以太网真的深深吸引了我。这里我和各位分享一下uIP的使用经验。uIP是一个简单好用的嵌入式网络协议栈,易于移植且消耗的内存空间较少,非常适合学习和使用。可以肯定的说uIP是嵌入式以太网学习的好起点,但不一定是终点。uIP的功能远不如LwIP强大,但两者并没有孰优孰劣之分,uIP和LwIP的作者同为Adam
Dunkels,LwIP开发较早uIP开发较晚,uIP经过这几年的发展从IPV4迁移到IPV6,最终可以适用于无线传感网络。总的来说,uIP是一个很好的起点,学好uIP可以迁移到LwIP,也可以迁移到uIPV6。
【freemodbus modbus TCP 学习笔记】——使用uIP协议栈实现modbus TCP。
【uip的yeelink实现】——作者为我的同事,使用uIP协议栈与yeelink平台交互数据,很有意思。
2.搭建实验环境
先讲一下如何搭建实验环境。建议于把开发板接到路由器上,而调试使用的PC机通过有线或者无线接到路由器上,保证开发板和PC机接入同一个路由器。由于uIP不支持DHCP(不直接支持),所以需要保证开发板和PC位于相同的子网,开发板的IP地址、路由器地址和子网掩码都需要手动设定。设定之前最好看看调试PC机IP地址和路由器(网关)地址。例如调试PC机的IP地址如下图所示。
图1 PC机IP地址
路由器的IP地址为192.168.1.1。那么开发板的IP地址可以设定为 192.168.1.2到192.168.1.255。为保证你的调试万无一失,还是建议访问路由器,确认此时有哪些设备接入路由器,该步骤的主要功能是避免IP地址重复。
图2 和路由器相连的以太网设备
3.硬件和软件说明
3.1 硬件环境
奋斗开发板。
奋斗开发板上有一片ENC28J60,ENC28J60通过SPI接口控制内部寄存器,并有中断输出接口。STM32通过SPI1和ENC28J60相连。具体接口如下:
SPI1_MISO@PA6
SPI1_MOSI@PA7
SPI1_SCK@PA5
ENC28J60_CS@PA4
ENC28J60_INT@PA1
由于SPI上同时挂载其他SPI从设备,所有初始化的过程中需要通过操作CS端口禁止其他SPI从设备。(别小看这步,调试的时候在这步花费了非常多的时间)其他SPI从设备包括SST25VF016,CS端位于PC5;VS1003,CS端口位于PB12。
其他说明
串口调试位于UART1。有三个LED灯分别位于PB.5,PD.6和PD.3。如果您的开发板和有存在差别,请按照顺序修改相关IO口并打开相应RCC时钟。
3.2 软件说明
工具链为EWARM 6.5。
4.网卡驱动
网卡驱动采用ENC28J60。具体可参考论坛中的另一篇博文【ENC28J60学习笔记】
博文详细分析了如何使用ENC28J60,虽然ENC28J60使用复杂但是深入理解两点即可,第一点如何通过SPI发送命令和数据;第二点理解ENC28J60的缓冲区,在发送以太网和接受以太网数据包的过程中,ENC28J60会帮助用户做些额外的工作,例如发送时自动填充SFD,在读取接收缓冲区数据时会包含若干状态信息,包括数据包长度和CRC校验结果等。如果你比较“速食”可以跳过该部分内容,如果你比较“耐心”可以花点时间看看。其他的以太网驱动芯片或RF芯片也遵循相同的规律,可以做到触类旁通。
5.一个简单有效的定时器
uIP协议栈处理过程需要一个定时配合,该定时器实际为一个软件定时器,定时器帮助uIP处理若干周期性任务,例如处理TCP连接重传,定时更新ARP缓冲表等。设计定时器的方法很多,在这里推荐uIP原作者的timer模块。timer模块的原理类似于MCU硬件中的比较匹配原理,timer模块中有一个全部变量counter,每次MCU发生某个定时器中断时累加1,如果某个任务需要使用定时器服务,在该任务中声明一个timer(在该任务中为全局变量),并记录此时的counter值。判断溢出可查询当前的counter和被记录的counter的差值,如果差值超过间隔值那么软件定时器timer溢出(类似于发生比较匹配中断)。软件定时器的主要作用有两个。第一,更新TCP或UDP连接,第二,更新ARP缓冲区(ARP表)。虽然uIP在功能上比LwIP简单的多,但是LwIP也有类似的部分(或者说完全一样)。
详细代码如下:
/* 引用头文件 *****************************************************************/ #include "timer.h" #include "stm32f10x_it.h" /* 私有数据类型 ***************************************************************/ /* 私有常数宏 *****************************************************************/ /* 私有动作宏 *****************************************************************/ /* 私有变量 *******************************************************************/ /* 全局变量 定时器计数值 */ uint16_t current_clock = 0; /* 私有函数声明 ***************************************************************/ /* 私有函数 ******************************************************************/ /* ******************************************************************************** * 函 数 名: timer_config * 功能说明: 使用systick作为时钟 * 参 数:无 * 返 回 值: 无 * 使用说明:可在上电初始化时调用 * 调用方法:timer_config() ******************************************************************************** */ void timer_config(void) { /* Systick时钟每秒触发CLOCK_SECOND次 */ if (SysTick_Config(SystemCoreClock / CLOCK_SECOND)) { while (1); } } /* ******************************************************************************** * 函 数 名: SysTick_Handler * 功能说明: Systick中断函数 * 参 数:无 * 返 回 值: 无 * 使用说明: * 调用方法: ******************************************************************************** */ void SysTick_Handler(void) { /* 时间标志累加 */ current_clock++; } /* ******************************************************************************** * 函 数 名: clock_time * 功能说明: 返回当前计数值 * 参 数:无 * 返 回 值: uint16_t current_clock 当前计数时间 * 使用说明: * 调用方法:clock_time() ******************************************************************************** */ uint16_t clock_time(void) { return current_clock; } /* ******************************************************************************** * 函 数 名: timer_set * 功能说明: 设定定时器定时间隔时间 * 参 数:timer_typedef* ptimer 定时器结构体 * uint16_t interval 间隔时间 * 返 回 值: 无 * 使用说明: * 调用方法:timer_set(&arp_timer,10000); ******************************************************************************** */ void timer_set(timer_typedef* ptimer,uint16_t interval) { /* 设置时间间隔 */ ptimer->interval = interval; /* 设置启动时间 */ ptimer->start = clock_time(); } /* ******************************************************************************** * 函 数 名: timer_reset * 功能说明: 重新设定定时器 * 参 数:timer_typedef* ptimer 定时器结构体 * 返 回 值: 无 * 使用说明: * 调用方法:timer_reset(&arp_timer); ******************************************************************************** */ void timer_reset(timer_typedef * ptimer) { ptimer->start =ptimer->start + ptimer->interval; } /* ******************************************************************************** * 函 数 名: timer_expired * 功能说明: 查询定时器是否溢出 * 参 数:timer_typedef* ptimer 定时器结构体 * 返 回 值: int8_t 定时器是否溢出 1 代表溢出 0代表未溢出 * 使用说明: * 调用方法:timer_expired(&arp_timer) ******************************************************************************** */ int8_t timer_expired(timer_typedef* ptimer) { /* 一定要装换为有符号数,进行数学比较时,多使用有符号数 */ if((int16_t)(clock_time() - ptimer->start) >= (int16_t)ptimer->interval) return 1; else return 0; }
6.uIP基本结构与配置
6.1 uIP基本结构
uIP的代码编写需要遵守一定的结构,而且这种结构最好保持稳定(保持不变)。这个结构主要做以下几个部分任务。
1.获得以太网数据包
2.处理ARP报文
3.处理IP报文
4.定期处理TCP和UDP连接
5.定期更新ARP缓冲区
// BUF指向uIP缓冲区 uip_eth_hdr为以太网首部结构体 // 6字节目标MAC地址 6字节源MAC地址 2字节类型 #define BUF ((struct uip_eth_hdr *)&uip_buf[0]) void GPIO_Config(void); int main(void) { timer_typedef periodic_timer, arp_timer; uip_ipaddr_t ipaddr; /* 设定查询定时器 ARP定时器 */ timer_set(&periodic_timer, CLOCK_SECOND / 2); timer_set(&arp_timer, CLOCK_SECOND * 10); GPIO_Config(); /* 禁止SPI其他设备,防止窜扰 */ timer_config(); /* 配置systic作为1ms中断 */ BSP_ConfigSPI1(); /* 网卡初始化,ENC28J60,包括MAC地址初始化 */ tapdev_init(); /* UIP协议栈初始化 */ uip_init(); /* 设置本机IP地址 */ uip_ipaddr(ipaddr, 192,168,1,15); uip_sethostaddr(ipaddr); /* 设置默认路由器IP地址 */ uip_ipaddr(ipaddr, 192,168,1,1); uip_setdraddr(ipaddr); /* 设置网络掩码 */ uip_ipaddr(ipaddr, 255,255,255,0); uip_setnetmask(ipaddr); /* 用户任务初始化 为TCP echo任务*/ example1_init(); /* 初始化串口 重定义putchar */ BSP_ConfigUSART1(); /* 打印本机IP地址 */ printf("\r\nuip start!\r\n"); printf("ipaddr:192.168.1.15\r\n"); /* 打印个人信息,呵呵*/ printf("eID:xukai871105\r\r"); printf("Email:xukai19871105@126.com"); while (1) { /* 读取以太网数据包,返回数据长度 */ uip_len = tapdev_read(); if(uip_len > 0) { /* 收到IP数据包 */ if(BUF->type == htons(UIP_ETHTYPE_IP)) { uip_arp_ipin(); uip_input(); if (uip_len > 0) { uip_arp_out(); tapdev_send(); } } /* 收到ARP数据包 */ else if (BUF->type == htons(UIP_ETHTYPE_ARP)) { uip_arp_arpin(); if (uip_len > 0) { tapdev_send(); } } } /* 查询定时器是否超时 */ if(timer_expired(&periodic_timer)) { timer_reset(&periodic_timer); /* 测试使用,表现为LED灯闪烁 */ GPIOB->ODR ^= GPIO_Pin_5; /* 查询并处理所有TCP连接*/ for(uint8_t i = 0; i < UIP_CONNS; i++) { uip_periodic(i); if(uip_len > 0) { uip_arp_out(); tapdev_send(); } } #if UIP_UDP /* 查询并处理所有UDP连接*/ for(uint8_t i = 0; i < UIP_UDP_CONNS; i++) { uip_udp_periodic(i); if(uip_len > 0) { uip_arp_out(); tapdev_send(); } } #endif /* UIP_UDP */ /* ARP定时是否溢出 */ if (timer_expired(&arp_timer)) { timer_reset(&arp_timer); uip_arp_timer(); } } } }
【简单说明】
1.#define BUF ((struct uip_eth_hdr *)&uip_buf[0])
指向uIP缓冲区,强制类型转化为uip_eth_hdr结构体,uip_eth_hdr即为以太网首部结构,6字节目标MAC地址 6字节源MAC地址 2字节类型。
2. tapdev_init();tapdev_read();tapdev_send();
三个函数为以太网操作函数,只有tapdev_read有返回值,其他函数即无输入参数也无返回参数。这三个函数便是ENC28J60操作的三个封装,ENC28J60发送或接收直接操作uIP的两个全局变量uip_buf和uip_len。
具体代码如下:
#include "tapdev.h" #include "uip.h" #include "uip_arp.h" #include "enc28j60.h" // MAC地址 struct uip_eth_addr uip_mac; static unsigned char ethernet_mac[6] = {0x00,0x14,0x0B,0x3F,0x04,0xB1}; /* ******************************************************************************** * 函 数 名: tapdev_init * 功能说明: 初始化网卡,并赋值MAC地址 * 参 数:无 * 返 回 值: 无 * 使用说明: * 调用方法: ******************************************************************************** */ void tapdev_init(void) { enc28j60_init(ethernet_mac); /*初始化enc28j60 赋值MAC地址*/ for (uint8_t i = 0; i < 6; i++) { uip_mac.addr[i] = ethernet_mac[i]; } uip_setethaddr(uip_mac); /* 设定uip mac地址*/ } /* ******************************************************************************** * 函 数 名: tapdev_read * 功能说明: 读取以太网数据,最大读取数据包为1500字节 * 参 数:无 * 返 回 值: 返回读取数据包大小 * 使用说明: * 调用方法: ******************************************************************************** */ uint16_t tapdev_read(void) { return enc28j60_packet_receive(uip_buf,1500); } /* ******************************************************************************** * 函 数 名: tapdev_send * 功能说明: 发送以太网数据包 * 参 数:无 * 返 回 值: 无 * 使用说明:操作uIP全局变量 uip_buf和uip_len * 调用方法: ******************************************************************************** */ void tapdev_send(void) { enc28j60_packet_send(uip_buf,uip_len); }
6.2 uIP配置部分
IP地址配置
IP地址设置包括,本地IP地址,网关地址和子网掩码。具体代码如下:
MAC地址配置
MAC的地址较为特殊,由于ENC28J60本身没有唯一的EUI-48(俗称MAC地址)地址,所以EUI-48地址需要手动配置。该地址不但应用于ENC28J60也应用于uIP。相关代码在上一小节已说明。
6.3 uip-conf.h部分
uip-conf部分说明三点
1.如果不熟悉请保留默认参数,例如UIP_CONF_MAX_CONNECTIONS等
2.如果设置UIP_CONF_LOGGING为1,请添加void uip_log(char *m){}
3.必须包含用户任务头文件,且放在该头文件的最后。例如添加#include "example1.h"。这样做的主要目的是定义uip_tcp_appstate_t和UIP_APPCALL两个关键参数。
具体代码如下:
#ifndef __UIP_CONF_H #define __UIP_CONF_H #include <inttypes.h> typedef uint8_t u8_t; typedef uint16_t u16_t; typedef unsigned short uip_stats_t; /* 最大TCP连接数 */ #define UIP_CONF_MAX_CONNECTIONS 10 /* 最大端口监听数 */ #define UIP_CONF_MAX_LISTENPORTS 10 /* uIP 缓存大小*/ #define UIP_CONF_BUFFER_SIZE 1500 /* CPU字节顺序 */ #define UIP_CONF_BYTE_ORDER UIP_LITTLE_ENDIAN /* 日志开关 */ #define UIP_CONF_LOGGING 1 /* UDP支持开关*/ #define UIP_CONF_UDP 0 /* UDP校验和开关 */ #define UIP_CONF_UDP_CHECKSUMS 1 /* uIP统计开关 */ #define UIP_CONF_STATISTICS 1 // 加入用户任务头文件,请修改 #include "example1.h" #endif
7.案例——最简单的TCP echo程序
先来一个最简单的TCP程序。uIP作为server,IP地址为192.168.1.15。PC机做client,IP地址为192.168.1.10X。
1.在网络调试助手中,选择以太网通信种类为client(表示PC机为Client),IP地址输入192.168.1.15,端口号输入1234。最后点击连接。
2.在发送区域输入任意内容,点击发送数据。
3.观察返回结果,是否和发送数据相同。
为了实现该功能新建example1.c和example1.两个文件。代码如下:
#include "example1.h" #include "uip.h" #include <string.h> #include <stdio.h> #include <stdint.h> void example1_init(void) { uip_listen(HTONS(1234)); } void example1_appcall(void) { if( uip_newdata() ) { // 输出远程IP和端口号 printf("remote ip addr:%d.%d.%d.%d\r\n", (uip_conn->ripaddr[0]) & 0X00ff, (uip_conn->ripaddr[0]) >> 8, (uip_conn->ripaddr[1]) & 0X00ff, (uip_conn->ripaddr[1]) >> 8 ); printf("remote ip port:%d\r\n",HTONS(uip_conn->rport)); // TCP ECHO uip_send(uip_appdata,uip_len); } }
图3 TCP Echo实验结果
代码做如下分析
1.uip_listen(HTONS(1234));侦听1234端口,
2.uip_newdata()即查询uip_buf中是否有新数据,如果返回1的话,表示接收到新数据。
3.uip_send(uip_appdata,uip_len);uip_send为发送数据包函数
4.uip_appdata指向用户数据,所谓用户数据即TCP负载数据,例如网络调试助手发送xukai871105,那么uip_appdata指向xukai871105.
5.uip_len为用户数据长度,若串口调试助手发送xukai871105,那么uip_len为11。
8.wireshark网络包分析
程序虽然简单,但是TCP通过过程还是可以好好分析一下的。通过wireshark软件抓取整个通信过程。
其中192.168.1.102为调试PC机(下文简称PC机),192.168.1.15为uIP嵌入式开发板(下文简称uIP)。
图4 网络数据包分析
===================================================
1.建立连接阶段
【36】PC机向uIP发送SYN,表示请求连接(点击网络调试助手的连接按钮)
【37】uIP向PC机返回ACK,同时发送SYN(注意若接收到SYN标志,必须返回ACK)
【38】PC机向uIP发送应答ACK,表示该次TCP连接成功。
===================================================
2.数据交换阶段
(负载数据包假定为1234)
【51】PC机向uIP发送1234,标志位PSH+ACK,表示该数据包需要立即处理,并需要应答
【52】uIP向PC机返回1234,标志位PSH+ACK,表示该数据包需要立即处理,并需要应答
【53】PC机返回应答,表示PC机接收到echo数据包。
此时数据交换完成,若在网络调试助手再次点击发送,便重复51到53部分。
===================================================
3.关闭连接部分
【65】PC机要求停止连接,发送FIN标志。(点击网络调试助手的关闭按钮)
【66】uIP返回FIN+ACK,表示同意结束本次TCP连接。
【67】PC机发送ACK,表示收到了uIP的FIN。(至此,TCP连接完全结束)
===================================================
10.总结
1.掌握嵌入式以太网需要较多的背景知识,只能在实践的过程中一点一滴积累。回过头来想想自己的学习嵌入式以太网的经历,多数时间多是在急躁和失望中度过。唯有耐心与细致并不断学习基础知识才可以把问题解决,最终把想法变成现实。
2.uIP功能简单,但是易于使用。如果觉得uIP在实际中难以发挥作用的话,还有LwIP作为补充。虽然两者存在功能上的差异,但是TCP连接还是那几个——SYN、ACK、PSH、FIN标志位。LwIP提供套接字通信,这使得嵌入式以太网应用和PC机上的以太网应用变得极为相似。
3.由于TCP协议属于运输层协议,TCP传输的内容本身并没有含义,这些被传输的数据需要被赋予含义才可以使用。从工业控制来说,MODBUS协议可以应用与TCP协议,并可以实现完善的检测与控制功能。从其他应用来说,嵌入式系统可以提供HTTP通信、提供web service应用,通过解析JSON格式等手段实现更广泛的应用。
最后感谢大家的关注,我一定继续努力。若有描述错误的地方请指出,定当更正。
11.推荐图书资料
《基于IP的物联网架构、技术与应用》。图书作者之一adam dunkels为uIP和LwIP的作者,虽然uIP在书中只占非常小的一部分,但本书信息量较大,技术非常新颖。书中提到的PACHUBE即是在论坛打广告乐为物联的原型。
《嵌入式Internet TCP IP基础、实现及应用》。本书的TCP IP部分介绍的非常详细,书中有实现嵌入式以太网的代码分析。本书的作者也设计了一套功能完善的TCP IP协议栈。结合书中前半部分的基础和中部的实现,会有非常大的收获。
12.其他网络资料
第一次有学习嵌入式以太网的冲动便从淘宝上购入ENC28J60模块,卖家提供的源码为国外AVRNET项目的源码。如果耐心一点认真分析AVRNET项目的源代码,并不断修改实践,收获颇丰。顺着ARP、IP、ICMP、UDP、TCP写了几个帖子,算是自己对嵌入式以太网的第一个总结。在这里再次贴一下链接。
在这一系类帖子中,还欠了一个HTTP的帖子。通过大家的关注度我发现,ARP部分关注的人最少,因为这个离HTTP最远。包括我在内,得到网络模块ENC28J60的第一个反应就是如果实现网页(HTTP)控制LED灯,读取温度湿度数据。现在回过头来看看基础还是非常重要的。
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