丨從內(nèi)核到應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)在中如何流轉(zhuǎn)

APIDMACRC了解了發(fā)送數(shù)據(jù)的過程以后，掌握接收數(shù)據(jù)的過程就更容易了，因為它就是過程。首先，網(wǎng)卡接受到數(shù)據(jù)，通過DMA到指定的內(nèi)存，接著發(fā)送中斷，以便通知網(wǎng)卡驅(qū)前面只是幫你梳理一下數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收的流程，其實我們真正要關(guān)注的是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議?？墒俏覀?nèi)羰謩訉崿F(xiàn)一個完整的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，不太現(xiàn)實，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的復(fù)雜度大到也許要重新開一門課程，才可以完全解決，所以下面我們借用一下P認識一下lwIP現(xiàn)在我們清楚了一次具體網(wǎng)絡(luò)發(fā)收過程是怎么回事，那怎么讓Cosmos實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信呢？這里我們選擇lwIP這個TCP/IP協(xié)議的輕量級開源項目，讓它成為Cosmos的網(wǎng)絡(luò)部的戰(zhàn)lwIP是由瑞典計算機科學(xué)（SICS）的AdamDunkels開發(fā)的小型開源TCP/IP協(xié)議棧。它是一個用C語言實現(xiàn)的軟件組件，一共有兩套接口層，向下是操作系統(tǒng)要提供的，向上是提供給應(yīng)用程序的。這樣lwIP就能嵌入到任何操作系統(tǒng)之中工作，并為這個操作系統(tǒng)lwIPLinuxlwIP計目標就是盡量用少量資源消耗，實現(xiàn)一個相對完整的TCP/IP協(xié)議棧。這里的“完整性”主要是指TCP協(xié)議的完整性，實現(xiàn)的關(guān)鍵點就是在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少對RAM的占用。同時，lwIP還支持IPv6的標準實現(xiàn)，這也讓我們與這里額外提供你一份擴展閱讀資料，lwIP的項目主頁，這里包含了大量相關(guān)資料，感的同學(xué)可以課后深入了解。另外，lwIP既可以移植到操作系統(tǒng)上運行，也可以在沒lwIP在結(jié)構(gòu)上可分為四層：OS層、API層、層、硬件驅(qū)動層，如下圖所示MCUlwIPlwIP是從這里入手，通過netconn或lwip_api使用lwIP的各種功能函數(shù)。在典型的TCP通信的客戶端應(yīng)用程序中，一般先要通過netconn_new創(chuàng)建一個structnetconn對象，然后調(diào)用netconn_connect連接到服務(wù)器，并返回成功或失敗。成功后，可以調(diào)用netconn_write向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，也可以調(diào)用netconn_recv接收數(shù)據(jù)。最后，關(guān)閉連接并通過netconn_close釋放資源。lwIPapinetconnnetconnapi。習慣使用socket的同學(xué)也可以使用lwip_socket等函數(shù)，以標準的socket方式調(diào)用lwIP。新版本增加了http、mqtt等應(yīng)用的代碼，這些額外的應(yīng)用對目前的物聯(lián)網(wǎng)通信來lwIP的層存放了TCP/IP協(xié)議棧的代碼，它不僅實現(xiàn)了大部分的TCP和UDP功能，還實現(xiàn)了DNS、ICMP、IGMP等協(xié)議，同時也實現(xiàn)了內(nèi)存管理和網(wǎng)絡(luò)接口功能。sys_archlwIP量、消息隊列等功能。和操作系統(tǒng)相關(guān)的真正定義寫在了lwip/include/sys.h文件中。硬件驅(qū)動層提供PHY驅(qū)動，用來匹配lwIP的使用。lwIP會調(diào)用該層的代碼將組裝好lwIPlwIP原始API：原始的lwIPAPI。它通過回調(diào)機制開發(fā)應(yīng)用程序。該應(yīng)用編程接口提供了NetconnAPI：API、需要實時操作系統(tǒng)（RTOS）的支持（提供進程間通信的方法）。NetconnAPI支持多線程。BSDAPIAPI（NetconnAPINETCONNAPISequentialAPI）對于以上三種接口，前者只需要機調(diào)用，后兩種需要操作系統(tǒng)調(diào)用。因此，移植lwIP有兩種方法，一種是只移植內(nèi)核，不過這樣之后只能基于RAW/CallbackAPI編寫應(yīng)用程序。第二種是移植內(nèi)核和上層API。這時應(yīng)用程序編程可以使用三種API，即RAW/CallbackAPI、順序API和SocketAPI。lwIP接下來，讓我們順著之前的思路來對應(yīng)到lwIP在收發(fā)過程中的函數(shù)，具體過程我同樣梳理了流程圖。你可以結(jié)合圖里關(guān)鍵的函數(shù)名以及步驟順序，按這個順序在IwIP代碼中檢由于我們把lwIP作為Cosmos的一個內(nèi)核組件來工作，自然要由lwIP接受來自內(nèi)核上層發(fā)來的數(shù)據(jù)。內(nèi)核上層首先會調(diào)用lwIP的netconn層的接口函數(shù)netconn_write，通過這個函數(shù)，數(shù)據(jù)正式流進lwIP組件層。接著，netconn層調(diào)用lwIP組件的TCP層的接口函數(shù)tcp_write，在TCP層對數(shù)據(jù)首次進行打包。然后，TCP層將打包好的數(shù)據(jù)通過調(diào)用io_output函數(shù)，向下傳遞給lwIP組件的IP層，進行打包。最后，IPnetif，這里調(diào)用了實際的網(wǎng)卡驅(qū)動程lwIPnetconnnetconn_recvethernet_inputethernetip4_input在lwIP組件的IP層對數(shù)據(jù)解包，進行相應(yīng)處理之后，還會調(diào)用tcp_input函數(shù)，進入lwIP組件的TCP層對數(shù)據(jù)解包。sys_mbox_trypostmbox，也就是消息盒子里，這樣lwIPlwIP非常優(yōu)秀，這讓移植工作變得很容易。我們這里只要了解lwIP組件的sys_arch層的接口下面我們一起了解lwIPlwIPNO_SYS，無操作系統(tǒng)模式，一種是有操作系統(tǒng)模式。用NO_SYS模式比較簡單，你可以自行探索。操作系統(tǒng)模式主要需要基于操作系統(tǒng)的IPC機制，對網(wǎng)絡(luò)連接進行了抽象（/隊列、互斥體等機制），從而保證內(nèi)核與應(yīng)用層API的通訊，這樣做的好處是lwIP內(nèi)核線程可以只負責數(shù)據(jù)包的TCP/IP封裝和拆封，而不用進行數(shù)據(jù)的應(yīng)用層處理，從而極大而這些操作系統(tǒng)模擬層的函數(shù)主要是在h中的，我們一般在syc完成其定義。所以，我們很清楚，帶操作系統(tǒng)的移植就是在無操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上添加操作系統(tǒng)模擬層。CosmosCosmos統(tǒng)提供的IPC等機制基礎(chǔ)之上，對照sys.h文件中的函數(shù)一一去實現(xiàn)了。實際工程中完整移植網(wǎng)絡(luò)棧，需要將后面表格里的這0在IP中，用戶代碼通過郵箱與協(xié)議棧內(nèi)部交互。郵箱本質(zhì)上是指向數(shù)據(jù)的指針。API指針傳遞給內(nèi)核，內(nèi)核通過這個指針數(shù)據(jù)，然后進行處理。相反，內(nèi)核也是通過郵箱將數(shù)據(jù)傳遞給用戶代碼的。代err_tsys_mbox_new(sys_mbox_t*mbox,int{osMessageQDef(QUEUE,size,void*mbox=osMessageCreate(osMessageQ(QUEUE),#if7if(lwip_stats.sys.mbox.max<lwip_stats.sys.mbox.used)lwip_stats.sys.mbox.max=}#endif/*SYS_STATS

(*mbox==returnreturn}void (sys_mbox_t{if(osMessageWaiting(*mbox){#if#endif/*SYS_STATS}#if#endif/*SYS_STATS}voidsys_mbox_post(sys_mbox_t*mbox,void{while(osMessagePut(*mbox,(uint32_t)data,osWaitForever)!=}err_tsys_mbox_trypost(sys_mbox_t*mbox,void{err_tif(osMessagePut(*mbox,(uint32_t)msg,0)=={result=}elseresult=#if#endif/*SYS_STATS}return}u32_tsys_arch_mbox_fetch(sys_mbox_t*mbox,void**msg,u32_t{osEventuint32_tstarttime=if(timeout!={event=osMessageGet(*mbox,if(event.status=={*msg=(voidreturn(osKernelSysTick()-}{return}}{event=osMessageGet(*mbox,*msg=(voidreturn(osKernelSysTick()-}}u32_tsys_arch_mbox_tryfetch(sys_mbox_t*mbox,void{osEventevent=osMessageGet(*mbox,if(event.status=={*msg=(voidreturn}{return}}intsys_mbox_valid(sys_mbox_t{if(*mbox==returnreturn}voidsys_mbox_set_invalid(sys_mbox_t{*mbox=}//創(chuàng)建一個新的信號量。而"count"err_tsys_sem_new(sys_sem_t*sem,u8_t{*sem=osSemaphoreCreate(osSemaphore(SEM),if(*sem=={#if113#endif/*SYS_STATSreturn}if(count==0)//Meansitcan'tbe{}#if122if(lwip_stats.sys.sem.max<lwip_stats.sys.sem.used)lwip_stats.sys.sem.max=}#endif/*SYS_STATSreturn}此外還有一些函數(shù)也是協(xié)議棧需要的函數(shù)，特別是sys_thread_new函數(shù)，不但協(xié)議棧在初始化時需要用到，在后續(xù)我們實現(xiàn)各類基于lwIP的應(yīng)用時也會用得到，它的具體實現(xiàn)如下。代代sys_thread_tsys_thread_new(constchar*name,lwip_thread_fnthread,void{constosThreadDef_tos_thread_def={(char*)name,(os_pthread)thread,4456789returnosThreadCreate(&os_thread_def,}osThreadIdosThreadCreate(constosThreadDef_t*thread_def,void{TaskHandle_t#if(configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION==1)&&(if((thread_def->buffer!=NULL)&&(thread_def->controlblock!=NULL)){handle=xTaskCreateStatic((TaskFunction_t)thread_def->pthread,(constportCHARthread_def->stacksize,argument,thread_def->buffer,thread_def-}elseif(xTaskCreate((TaskFunction_t)thread_def->pthread,(constportCHAR*)thread_dthread_def->stacksize,argument,make &handle)!=pdPASS){return}}#elif(configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION==1handle=xTaskCreateStatic((TaskFunction_t)thread_def->pthread,(constthread_def->stacksize,argument,thread_def->buffer,thread_def->controlblock);if(xTaskCreate((TaskFunction_t)thread_def->pthread,(constportCHARthread_def->stacksize,argument,make&handle)!=pdPASS){return}return}至此，基于Cosmos操作系統(tǒng)移植lwIPDMAIPC、信號量、DMA最后，我們實現(xiàn)了將IPCosmos課我?guī)銓崿F(xiàn)了郵箱和系統(tǒng)線程相關(guān)的關(guān)鍵部分，其他函數(shù)移植道理相通，感的同學(xué)可以自行探索。我是LMOS，我們下節(jié)課見！給需要的人，Ta訂閱后你可得20贊