LwIP使用经验(转载)
一 LWIP内存管理
LWIP的内存管理使用了2种方式:内存池memp和内存堆mem,如图1所示。
内存池的特点是预先开辟多组固定大小的内存块组织成链表,实现简单,分配和回收速度快,不会产生内存碎片,但是大小固定,并且需要预估算准确。
内存堆的本质是对一个事先定义好的内存块进行合理有效的组织和管理,主要用于任意大小的内存分配,实现较复杂,分配需要查找,回收需要合并,容易产生内存碎片,需要合理估算内存堆的总大小。
图1内存池与内存堆
1. 数据包管理
数据包管理结构pbuf共有四种类型,它们的特点和使用场合如表1所示。
类别 |
分配方式 |
特点 |
使用场合 |
PBUF_RAM |
内存堆,包括pbuf和数据区 |
长度不定,分配耗时 |
应用程序和协议栈 |
PBUF_POOL |
内存池,包括pbuf和数据区 |
长度固定,分配快 |
中断服务程序 |
PBUF_ROM |
内存池,仅包括pbuf |
所指数据位于ROM中 |
应用程序引用内存区 |
PBUF_REF |
内存池,仅包括pbuf |
所指数据位于RAM中 |
应用程序引用内存区 |
表1 pbuf类型与特点
每一种pbuf分配内存的方式都不一样,如图2所示。
图2四种数据包管理结构
只有选择合适的pbuf类型才能发挥LWIP的最大性能,一个数据包可能是多种pbuf的组合,用链表连接起来,如图3所示。
图3 pbuf链表
2. 设置内存大小
为LWIP开辟一个专用的内存堆是应该的,这样一来LWIP的mem_alloc()和mem_free()都将基于该堆内存进行分配和回收,不影响其他系统内存的使用。如图1左所示,lwipopt.h文件中宏MEM_SIZE定义了堆区的大小,对于一个负荷较重的系统堆区需要分配较大。
图4堆和PBUF_ROM内存区
LWIP使用PBUF_ROM类型的内存池来发送“只读”数据(处于ROM中或者其他进程中不可修改),宏MEMP_NUM_PBUF定义了该缓冲池的个数,如图2右所示。
在ISR(中断服务程序中)经常需要快速分配一部分内存进行数据存储,这是通过PBUF_POOL类型的缓冲区实现的。为此需要定义两个宏:PBUF_POOL_SIZE定义缓冲池的个数,PBUF_POOL_BUFSIZE定义单个缓冲区的大小,如图5所示。
图5 PBUF_POOL内存区
3 宏编译开关
若定义MEM_LIBC_MALLOC=1,直接使用C库中的malloc、free来分配动态内存;否则使用LWIP自带的mem_malloc、mem_free等函数。
若定义MEMP_MEM_MALLOC=1,则memp.c中的全部内容不会被编译,用内存堆来实现内存池分配,使用这种方式得考虑是否能忍受内存堆分配带来的时间延迟。
若定义MEM_USE_POOLS=1,则mem.c中的全部内容不会被编译,用内存池来实现内存堆的分配,使用这种方式得考虑是否能忍受因为POOL内存固定大小而带来的内存浪费。此外用户需要定义宏MEM_USE_CUSTOM_POOLS=1,还需要额外实现一个头文件lwippools.h,并在其中开辟一些用于内存堆分配函数的内存池POOL,开辟空间的格式如下:
LWIP_MALLOC_MEMPOOL_START
LWIP_MALLOC_MEMPOOL(20, 256)
LWIP_MALLOC_MEMPOOL(10, 512)
LWIP_MALLOC_MEMPOOL_END
二 LWIP启动时序
图6展示了LWIP启动时序,大部分函数都是LWIP自带的,主要的移植代码是eth_init()实现初始化以太网接口,启动程序会创建2个线程:tcpip_thread负责LWIP的绝大部分工作(主要是协议栈的解析和系统运行),ethernetif_thread负责从网口接收数据包再交付给tcpip_thread线程进行处理。
图6 LWIP启动函数
三 LWIP运行逻辑
1 接收数据包
图7接收数据包
当以太网口接收到一个数据包后,EMAC_IRQ中断服务程序通过信号量通知ethernetif线程,ethernetif线程调用low_level_input()接收该数据包并通过邮箱交付给tcpip_thread线程,tcpip_thread根据该数据包的类型进行相应处理。它是建立在消息传递的基础上的,如图8所示。
图8数据包消息的产生和处理
2 SequentialAPI函数调用
API设计的核心在于让用户进程负责尽可能多的工作,例如数据的计算、拷贝等;而协议栈进程只负责简单的通信工作,这是很合理的,因为系统可能存在多个应用程序,它们都使用协议栈进程提供的通信服务,保证内核进程的高效性和实时性是提高系统性能的重要保障。进程之间通信使用IPC技术,包括邮箱、信号量和共享内存,如图9所示。
图9协议栈API实现
以函数netconn_bind()为例看API是如何实现的,首先用户程序中调用函数netconn_bind()绑定一个连接,则这个函数实现时,是通过向内核进程发送一个TCPIP_MSG_API类型的消息,告诉内核进程执行do_bind函数:在消息发送后,函数阻塞在信号量上,等待内核处理该消息;内核在处理消息时,会根据消息内容调用do_bind,而do_bind会根据连接的类型调用内核函数udp_bind、tcp_bind或raw_bind;当do_bind执行完后,它会释放信号量,这使被阻塞的netconn_bind得以继续执行,整个过程如图10所示。
图10 API函数实现
四 TCP/IP核心知识点
1. 滑动窗口
图11滑动窗口
接收窗口相关的字段中,rcv_nxt是自己期望收到的下一个字节编号,rcv_wnd表示接收窗口的大小,rcv_ann_wnd表示将向对方通告的窗口大小值,这个值在报文发送时会被填在首部中的窗口大小字段,rcv_ann_right_edge记录了上一次窗口通告时窗口右边界取值。上面这四个字段都会随着数据的发送和接收动态地改变,如图12所示。
图12接收窗口
发送窗口中,lastack记录了被接收方确认的最高序列号,snd_nxt表示自己将要发送的下一个数据的起始编号,snd_wnd记录了当前的发送窗口大小,它常被设置为接收方通告的接收窗口值,snd_lbb记录了下一个被应用程序缓存的数据的起始编号,如图10所示。
上面这四个字段的值也是动态变化的,每当收到接收方的一个有效ACK后,lastack的值就做相应的增加,指向下一个待确认数据的编号,当发送一个报文后,snd_nxt的值就做相应的增加,指向下一个待发送数据,snd_nxt和lastack之间的差值不能超过snd_wnd的大小。
由于实际数据发送时是按照报文段的形式组织的,因此可能存在这样的情况:即使发送窗口允许,但并不是窗口内的所有数据都能发送以填满窗口,如图13中编号为11~13的数据,可能因为它们太小不能组织成一个有效的报文段,因此不会被发送。发送方会等到新的确认到来,从而使发送窗口向右滑动,使得更多的数据被包含在窗口中,这样再启动下一个报文段的发送。
图13发送窗口
2. 三次握手
图14连接建立过程
3. 断开连接
图15连接断开过程
4. TCP状态转换
图16 TCP状态转换图
5. 同时打开
图17双方同时打开
6. 同时关闭
图18双方同时关闭
五正确使用LWIP
一般说来LWIP协议栈是比较稳定的,尤其像V1.3.2经历过业界广泛使用和工程应用,完全可以应用于嵌入式产品。那为什么还是有很多人反映LWIP不稳定呢?主要是以下几个方面的原因:
1. 网络硬件驱动 确保EMAC口接收与发送稳定可靠
2. 移植LWIP 基于OS的移植代码正确稳定
3. 配置LWIP 根据设备RAM尺寸进行合理配置
1) 值(PBUF_POOL_SIZE * PBUF_POOL_BUFSIZE)必须大于TCP_SND_BUF和TCP_WND,否则容易引起错误;
2) 当内存有限时TCP发送不能太快(具体值依赖于分配内存的大小),否则引起tcp_enqueue()逻辑错误;
4. 调用LWIP的API函数 正确使用API函数,特别防止内存泄露。
5. 资源不足 打开报警提醒,当资源不够时提醒设计者
六 LWIP常见问题
1. 网卡驱动程序
首先,必须将协议栈完全初始化才能打开网络接收功能,接收中断必须将数据封装在PBUF中,然后交会给协议栈内核处理。其次,LWIP的全局变量(arp_table,netif_list,udp_pcbs等)确保赋初值0,否则容易一运行就崩溃。
2. 内存泄露
第一个原则(责任制):谁分配内存,谁就负责回收。
第二个原则(对称性):分配内存者与回收内存者一一对应构成闭环。
另外,需要特别注意一些系统函数的调用,它们也会带来内存泄露,如:
例1
newconn = netconn_accept(conn);
do_something_for(newconn);
netconn_close(newconn);
netconn_delete(newconn); /*一定要释放newconn否则将导致内存泄露*/
例2
inbuf = netconn_recv(conn);
do_something_for(inbuf);
netbuf_delete(inbuf); /*一定要释放inbuf否则将导致内存泄露*/
3. PC机无法与LWIP建立TCP连接
问题:PC机能够与LWIP设备PING操作成功,但是无法建立TCP连接。
原因:通过代码跟踪,发现LWIP发出了SYN+ACK数据包,但是PC机无法接收该握手数据包,该数据包为60字节,小于以太网的最小长度(64字节),而LWIP设备的EMAC没有设置短小数据包填充功能,导致PC机无法接收该短数据包。
解决:使能EMAC的短小数据包填充功能。
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置信有很多用户都跟小编一样遇到过这样的问题,电脑时发现开机屏幕显现“正在配置Windows Update,请勿关机”(如下图所示),而且还需求等大约5分钟才干进入系统。这是怎样回事呢?一切都是正常操作的,为什么开时机呈现“正…...
2022/11/19 21:17:13 - 准备配置windows 请勿关闭计算机 蓝屏,Win7开机总是出现提示“配置Windows请勿关机”...
Win7系统开机启动时总是出现“配置Windows请勿关机”的提示,没过几秒后电脑自动重启,每次开机都这样无法进入系统,此时碰到这种现象的用户就可以使用以下5种方法解决问题。方法一:开机按下F8,在出现的Windows高级启动选…...
2022/11/19 21:17:12 - 准备windows请勿关闭计算机要多久,windows10系统提示正在准备windows请勿关闭计算机怎么办...
有不少windows10系统用户反映说碰到这样一个情况,就是电脑提示正在准备windows请勿关闭计算机,碰到这样的问题该怎么解决呢,现在小编就给大家分享一下windows10系统提示正在准备windows请勿关闭计算机的具体第一种方法:1、2、依次…...
2022/11/19 21:17:11 - 配置 已完成 请勿关闭计算机,win7系统关机提示“配置Windows Update已完成30%请勿关闭计算机”的解决方法...
今天和大家分享一下win7系统重装了Win7旗舰版系统后,每次关机的时候桌面上都会显示一个“配置Windows Update的界面,提示请勿关闭计算机”,每次停留好几分钟才能正常关机,导致什么情况引起的呢?出现配置Windows Update…...
2022/11/19 21:17:10 - 电脑桌面一直是清理请关闭计算机,windows7一直卡在清理 请勿关闭计算机-win7清理请勿关机,win7配置更新35%不动...
只能是等着,别无他法。说是卡着如果你看硬盘灯应该在读写。如果从 Win 10 无法正常回滚,只能是考虑备份数据后重装系统了。解决来方案一:管理员运行cmd:net stop WuAuServcd %windir%ren SoftwareDistribution SDoldnet start WuA…...
2022/11/19 21:17:09 - 计算机配置更新不起,电脑提示“配置Windows Update请勿关闭计算机”怎么办?
原标题:电脑提示“配置Windows Update请勿关闭计算机”怎么办?win7系统中在开机与关闭的时候总是显示“配置windows update请勿关闭计算机”相信有不少朋友都曾遇到过一次两次还能忍但经常遇到就叫人感到心烦了遇到这种问题怎么办呢?一般的方…...
2022/11/19 21:17:08 - 计算机正在配置无法关机,关机提示 windows7 正在配置windows 请勿关闭计算机 ,然后等了一晚上也没有关掉。现在电脑无法正常关机...
关机提示 windows7 正在配置windows 请勿关闭计算机 ,然后等了一晚上也没有关掉。现在电脑无法正常关机以下文字资料是由(历史新知网www.lishixinzhi.com)小编为大家搜集整理后发布的内容,让我们赶快一起来看一下吧!关机提示 windows7 正在配…...
2022/11/19 21:17:05 - 钉钉提示请勿通过开发者调试模式_钉钉请勿通过开发者调试模式是真的吗好不好用...
钉钉请勿通过开发者调试模式是真的吗好不好用 更新时间:2020-04-20 22:24:19 浏览次数:729次 区域: 南阳 > 卧龙 列举网提醒您:为保障您的权益,请不要提前支付任何费用! 虚拟位置外设器!!轨迹模拟&虚拟位置外设神器 专业用于:钉钉,外勤365,红圈通,企业微信和…...
2022/11/19 21:17:05 - 配置失败还原请勿关闭计算机怎么办,win7系统出现“配置windows update失败 还原更改 请勿关闭计算机”,长时间没反应,无法进入系统的解决方案...
前几天班里有位学生电脑(windows 7系统)出问题了,具体表现是开机时一直停留在“配置windows update失败 还原更改 请勿关闭计算机”这个界面,长时间没反应,无法进入系统。这个问题原来帮其他同学也解决过,网上搜了不少资料&#x…...
2022/11/19 21:17:04 - 一个电脑无法关闭计算机你应该怎么办,电脑显示“清理请勿关闭计算机”怎么办?...
本文为你提供了3个有效解决电脑显示“清理请勿关闭计算机”问题的方法,并在最后教给你1种保护系统安全的好方法,一起来看看!电脑出现“清理请勿关闭计算机”在Windows 7(SP1)和Windows Server 2008 R2 SP1中,添加了1个新功能在“磁…...
2022/11/19 21:17:03 - 请勿关闭计算机还原更改要多久,电脑显示:配置windows更新失败,正在还原更改,请勿关闭计算机怎么办...
许多用户在长期不使用电脑的时候,开启电脑发现电脑显示:配置windows更新失败,正在还原更改,请勿关闭计算机。。.这要怎么办呢?下面小编就带着大家一起看看吧!如果能够正常进入系统,建议您暂时移…...
2022/11/19 21:17:02 - 还原更改请勿关闭计算机 要多久,配置windows update失败 还原更改 请勿关闭计算机,电脑开机后一直显示以...
配置windows update失败 还原更改 请勿关闭计算机,电脑开机后一直显示以以下文字资料是由(历史新知网www.lishixinzhi.com)小编为大家搜集整理后发布的内容,让我们赶快一起来看一下吧!配置windows update失败 还原更改 请勿关闭计算机&#x…...
2022/11/19 21:17:01 - 电脑配置中请勿关闭计算机怎么办,准备配置windows请勿关闭计算机一直显示怎么办【图解】...
不知道大家有没有遇到过这样的一个问题,就是我们的win7系统在关机的时候,总是喜欢显示“准备配置windows,请勿关机”这样的一个页面,没有什么大碍,但是如果一直等着的话就要两个小时甚至更久都关不了机,非常…...
2022/11/19 21:17:00 - 正在准备配置请勿关闭计算机,正在准备配置windows请勿关闭计算机时间长了解决教程...
当电脑出现正在准备配置windows请勿关闭计算机时,一般是您正对windows进行升级,但是这个要是长时间没有反应,我们不能再傻等下去了。可能是电脑出了别的问题了,来看看教程的说法。正在准备配置windows请勿关闭计算机时间长了方法一…...
2022/11/19 21:16:59 - 配置失败还原请勿关闭计算机,配置Windows Update失败,还原更改请勿关闭计算机...
我们使用电脑的过程中有时会遇到这种情况,当我们打开电脑之后,发现一直停留在一个界面:“配置Windows Update失败,还原更改请勿关闭计算机”,等了许久还是无法进入系统。如果我们遇到此类问题应该如何解决呢࿰…...
2022/11/19 21:16:58 - 如何在iPhone上关闭“请勿打扰”
Apple’s “Do Not Disturb While Driving” is a potentially lifesaving iPhone feature, but it doesn’t always turn on automatically at the appropriate time. For example, you might be a passenger in a moving car, but your iPhone may think you’re the one dri…...
2022/11/19 21:16:57