随着物联网的兴起，万物互联需要一个强大而又灵活的协议体系，TCP/IP协议得天独厚，而在嵌入式网络设备中，由于硬件资源的限制，需要特殊的实现方式。LWIP作为TCP/IP协议的一种轻量级实现方式，满足了这一要求。本章我们利用VITIS软件自带的lwIP Echo Server例程模板，初步了解lwip的使用。本章包括以下几个部分： 3131.1简介 31.2实验任务 31.3硬件设计 31.4软件设计 31.5下载验证

1)TCP/IP协议简介 TCP/IP协议中文名为传输控制协议/因特网互联协议，又名网络通讯协议，是Internet最基本的协议、Internet国际互联网络的基础，由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成。TCP/IP定义了电子设备如何连入因特网，以及数据如何在它们之间传输的标准。协议采用了4层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的协议来完成自己的需求。通俗而言：TCP负责发现传输的问题，一有问题就发出信号，要求重新传输，直到所有数据安全正确地传输到目的地。而IP是给因特网的每一台联网设备规定一个地址。 TCP/IP协议不是TCP和IP这两个协议的合称，而是指因特网整个TCP/IP协议族。从协议分层模型方面来讲，TCP/IP由四个层次组成：网络接口层、网络层、传输层、应用层。OSI（Open System Interconnection）是开放式系统互连参考模型，该模型将TCP/IP分为七层：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。TCP/IP模型与OSI模型对比如表32.1.1所示。 表32.1.1 OSI模型与TCP/IP模块

2)LWIP简介 LWIP是瑞典计算机科学院(SICS)的Adam Dunkels等开发的一个小型开源的TCP/IP协议栈，是TCP/IP的一种实现方式。LWIP是轻量级IP协议，有无操作系统的支持都可以运行。LWIP实现的重点是在保持TCP协议主要功能的基础上减少对 RAM的占用，它只需十几KB的RAM和40K左右的ROM就可以运行，这使LWIP协议栈适合在低端的嵌入式系统中使用。关于LWIP的详细信息大家可以去http://savannah.nongnu.org/projects/lwip/这个网站去查阅。 LWIP 的主要特性如下： •IGMP 协议，用于网络组管理，可以实现多播数据的接收 •Internet协议（IP），包括 IPv4 和 IPv6，支持 IP 分片与重装，包括通过多个网络接口的数据包转发 •用于网络维护和调试的Internet控制消息协议（ICMP） •用户数据报协议（UDP） •传输控制协议（TCP）拥塞控制，往返时间（RTT）估计，快速恢复和重传 •DNS，域名解析 •SNMP，简单网络管理协议 •动态主机配置协议（DHCP） •以太网地址解析协议（ARP） •AUTOIP，IP 地址自动配置 •PPP，点对点协议，支持 PPPoE 我们本次使用的lwip212_v1_1是一个基于开源lwIP库版本2.1.2构建的库（Vivado 2019.2版本）。lwip212_v1_1库为Ethernetlite（axi_ethernetlite）、TEMAC（axi_ethernet）以及千兆以太网控制器和MAC（GigE）内核提供适配器。该库可以在MicroBlaze、ARM Cortex-A9、ARM Cortex-A53和ARM Cortex-R5处理器上运行。Ethernetlite和TEMAC核心适用于MicroBlaze系统。千兆以太网控制器和MAC（GigE）内核仅适用于ARM Cortex-A9（MPSOC-7000处理器设备）、ARM Cortex-A53和ARM Cortex-R5系统（MPSOC UltraScale+ MPSoC）。 lwip212_v1_1提供二种用户编程接口方式：raw API和socket API。 Raw API：是为高性能和低内存开销而定制的。这种类型的API把网络协议栈和应用程序放在一个进程里，连接网络协议和应用程序的纽带是回调函数，回调函数实际上是一个普通的C函数。为了接收数据，应用程序会首先向协议栈注册一个回调函数，当关联的连接有一个信息到达时，该回调函数就被协议栈调用。这种实现方式即有优点也有缺点。优点是数据的接收和发送不会导致进程的切换，提供了最好的性能，执行速度快，而且消耗的内存资源少；缺点是应用程序无法进行连续运算，因为网络协议的处理和运算是在同一进程中完成的，二者无法并行发生。Raw API是资源较少的嵌入式系统的首选方法，也是在没有操作系统的情况下运行lwIP时唯一可用的API。 Socket API：提供了一个基于open-read-write-close 模块的BSD socket-style接口，需要操作系统。此接口在性能和内存要求方面不如Raw API高效，不适用于小型嵌入式系统，但移植性更好。 本章我们使用无需操作系统（standalone）的RAW API编程接口。 3)PS的千兆以太网控制器 在介绍PS的千兆以太网控制器之前，我们首先了解下MAC与PHY芯片及GMII与RGMII接口。 以太网卡工作在OSI模型的最后两层，物理层和数据链路层，物理层定义了数据传送与接收所需要的电与光信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电路等，并向数据链路层设备提供标准接口。物理层的芯片称之为 PHY。此外PHY还提供了和对端设备连接的重要功能并通过LED灯显示出当前的连接的状态和工作状态。当我们给网卡接入网线的时候，PHY不断发出的脉冲信号检测到对端有设备，它们通过一套标准的语言交流，互相协商并确定连接速度、工作模式、是否采用流控等。通常情况下，协商的结果是两个设备中能同时支持的最大速度和最好的双工模式。这个技术被称为AutoNegotiation，即自协商。 数据链路层则提供寻址机构、数据帧的构建、数据差错检查、传送控制、向网络层提供标准的数据接口等功能。以太网卡中数据链路层的芯片称之为MAC控制器。 MAC控制器与PHY通过MII（Medium Independent Interface）接口进行连接。MII接口有很多类型，千兆以太网多使用GMII（Gigabit Medium Independent Interface）或RGMII（Reduced Gigabit Media Independent Interface）接口进行连接。

图 32.1.1 GMII接口 GMII接口提供了8位数据通道，125MHz的时钟速率，从而具有1000Mbps的数据传输速率。除MDC和MDIO外，有24根接口信号线，如图 32.1.1所示。 GMII接口主要包括四个部分。一是从MAC层到物理层（PHY）的发送数据接口，二是从物理层到MAC层的接收数据接口，三是从物理层到MAC层的状态指示信号，四是MAC 层和物理层之间传送控制和状态信息的MDIO接口。各部分接口信号说明见下表： 表32.1.2 GMII接口信号

RGMII接口即Reduced GMII，是GMII接口的简化版本。RGMII采用4位数据接口，工作时钟125MHz，并且在上升沿和下降沿同时传输数据，因此传输速率可达1000Mbps。采用 RGMII的目的是降低电路成本，使实现这种接口的器件的引脚数从24个减少到14个（不包括MDC和MDIO），接口信号如下图所示：

图 32.1.2 RGMII接口 可以看到RGMII接口相对于GMII 接口，在TXD和RXD上总共减少8根数据线。TX_CTL信号线上传送TX_EN和TX_ER两种信息，在TX_CLK的上升沿发送TX_EN，下降沿发送TX_ER；同样的，RX_CTL信号线上传送RX_DV和RX_ER两种信息，在RX_CLK的上升沿发送RX_DV，下降沿发送RX_ER。进一步减少了2根数据线。其他信号同GMII接口。 现在我们来看下PS的千兆以太网控制器（GEM）。PS的千兆以太网控制器实现了与IEEE 802.3-2008标准兼容的10/100/1000 Mb/s以太网MAC，在10/100Mb/s速度下，能够在半双工或全双工模式下运行，在1000Mb/s速度下全双工运行。PS配备四个千兆以太网控制器。每个控制器都可以独立配置，其内部原理图如下：

图 32.1.3 以太网控制器 DMA控制器通过AXI接口连接到存储器。MAC控制器与FIFO接口的连接为嵌入式处理系统中的分组数据存储提供scatter-gather类型的功能。另外从图 32.1.3中可以看到，如果通过MIO连接至PS端的以太网PHY芯片，则每个控制器使用RGMII接口以节省引脚。如果通过EMIO连接至PL端的以太网PHY芯片，则每个控制器使用GMII接口。 可以通过APB总线访问千兆以太网控制器的寄存器。寄存器用于配置MAC的功能、选择不同的操作模式、以及启用和监控网络管理统计信息。每个控制器为管理PHY芯片提供MDIO接口。

本章的实验任务是建立PS的以太网的硬件环境，使用VITIS软件自带的Lwip Echo Server模板了解LWIP的使用。

MPSOC开发板上有一个PS端RJ45以太网接口，用于连接以太网线，其原理图如图 32.3.1所示：

图 32.3.1 RJ45接口原理图 以太网的数据传输离不开以太网PHY（物理层）芯片的支持。我们的MPSOC开发板上使用的PHY芯片为裕太车通公司的YT8521S，其部分原理图如图 32.3.2所示：

图 32.3.2 YT8521S原理图 YT8521S是高度集成的以太网收发器，符合10Base-T、100Base-TX和1000Base-T IEEE 802.3标准，提供了所有必要的物理层功能。YT8521S采用最先进的 DSP 技术和模拟前端（AFE），实现了交叉检测和自动校正、极性校正、自适应均衡、串音消除、回声消除、定时恢复和纠错等功能，以提供10Mbps、100Mbps或1000Mbps的强大传输和接收能力。 在图 32.3.2中，YT8521S右侧引脚连接到开发板的RJ45接口，左侧引脚通过RGMII接口与PS端相连接。MDC/MDIO接口用来配置YT8521S。其复位信号与PS的PS_POR_B相连接，在PS的上电复位时同时复位YT8521S，不需要通过MIO来控制。YT8521S与PS的MIO引脚的连接如下图所示，从中可以看到，YT8521S的RGMII接口通过MIO64-75引脚与PS相连接，MDC/MDIO连接到PS的MIO76-77引脚。

图 32.3.3 PHY芯片同PS接口连接 根据实验任务我们可以画出本次实验的系统框图，如下图所示：

图 32.3.4 系统框图 在图 32.3.4中，UART用于打印程序相关的信息，千兆以太网控制器GEM通过MIO与外部以太网进行连接。 step1：创建Vivado工程 本次实验的硬件设计可以在《第一章Hello World》实验的基础上进行。 1-1 我们先打开《第一章Hello World》实验的Vivado工程，打开后将工程另存为 “lwip_echo_server”工程，如下图所示，然后点击“OK”按钮。

图 32.3.5 另存为工程为lwip_echo step2：使用IP Integrator创建Processing System 2-1 在Flow Navigator中，点击IP INTEGRATOR下的Open Block Design，如下图所示：

图 32.3.6 打开Block Design 2-2 在打开的下图Diagram窗口，双击打开Zynq UltraScale+ MPSOC重定义窗口。

图 32.3.7 重定义Zynq UltraScale+ MPSOC 2-3 在打开的重定义窗口中，点击左侧的I/O Configuration，在右侧的界面中依次展开High Speed->GEM，勾选“GEM3”并选择“MIO64…75”，同时勾选“MDIO”并选择“MIO76…77”。这里选择“MIO64至MIO77”是为了和开发板硬件对应，如下图所示：

图 32.3.8 PS以太网接口配置界面 2-4 同样是在刚才界面中，依次展开Low Speed->TTC，勾选TTC0至TTC3，完成后，点击右下角的“OK”，如下图所示：

图 32.3.9配置三路定时器 2-5 由于不需要添加其它IP，点击Validate Design验证无误后，按Ctrl+S快捷键保存Diagram。此时我们的第二步完成，进入第三步。 step3：生成顶层HDL 在sources面板中，右键点击Block Design设计文件“design_1.bd”，然后执行“Generate Output Products”。因为我们在创建Hello World实验时创建顶层HDL Wrapper使用的是Let Vivado manage wrapper and auto-update选项，所以此处无需再创建顶层HDL Wrapper，Vivado会自动更新顶层HDL Wrapper step4：生成Bitstream文件并导出到VITIS 由于本实验未用到PL部分，所以无需生成Bitstream文件，只需导出到VITIS即可。如果使用到PL，则需要添加引脚约束以及对该系统进行综合、实现并生成Bitstream文件。 4-1 导出硬件。 在菜单栏中选择 File > Export > Export hardware，并在弹出的对话框中，取消勾选“Include bitstream”，直接点击“OK”按钮。将导出的design_1_wrapper.xsa文件放到vitis文件夹中。 4-2 硬件导出完成后，选择菜单Tools->Launch Vitis，启动VITIS开发环境。 31.4软件设计 step5：在VITIS中创建应用工程 5-1 在菜单栏中选择File->New->Application Project, 新建一个VITIS应用工程。 5-2 在弹出的下图所示界面中，输入工程名“lwip_echo_server”。点击“Next”，在接下来的平台(platform)界面中，点击“Create a new platform from hardware(XSA)”标签页，添加硬件平台文件。

图 32.4.1 创建工程 5-3 继续点击“Next”，在接下来的模板界面中(templates)，选择“lwIP Echo Server”工程模版，然后点击“Finish”按钮，完成工程创建，如图 32.4.2所示。 lwIP Echo Server应用程序提供了如何使用轻量级IP堆栈（lwIP）的简单演示。此应用程序将MPSOC开发板MAC地址设置为00：0a：35：00：01：02，默认使用DHCP获取动态IP地址，如果DHCP失败，则使用默认设置的静态IPv4地址192.168.1.10或IPv6地址FE80：0：0：0：20​​A：35FF：FE00：102。服务器在端口7处侦听输入，并简单地回传发送到该端口的任何数据。 这里简单的介绍下DHCP。DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）即动态主机配置协议，通常应用在大型的局域网络环境中，主要作用是集中的管理、分配IP地址，使网络环境中的主机动态的获得IP地址、Gateway地址、DNS服务器地址等信息，并能够提升地址的使用率。

图 32.4.2 选择“lwIP Echo Server”模版 5-4 展开lwip_echo_server应用工程目录下的src目录，可以看到很多源文件，如图 32.4.4所示，其中大多是平台相关的文件（platform开头的文件）。下面我们简单的介绍下各文件的作用。 echo.c：Echo服务的的主要实现代码。 i2c_access.c：IIC访问PHY的功能实现，本实验不用。 iic_phyreset.c：IIC复位PHY，本实验不用。 main.c：main函数所在文件。 platform_config.h：平台配置相关文件，主要是宏定义所使用的平台。 我们打开“platform_config.h”文件，内容如下：

图 32.4.3 platform_config.h文件内容 可以看到宏定义了 PLATFORM_ZYNQMP，也就是说本实验是与ZYNQMP平台相关的。所以本实验需要的是platform_zynqmp.c文件，而以下的与其它平台相关的platform_mb.c、platform_ppc.c、platform_zynq.c、platform.c都无需使用。 platform_config.h是基于硬件设计生成的。 sfp.c和si5324.c分别用于sfp PHY和si5324芯片，用于官方特定的开发板，与我们使用的MPSOC开发板不相关。

图 32.4.4 src目录 5-5 为了方便分析，我们将src文件夹与本实验不相关的平台文件删除，删除后的src文件夹内容如下图所示：

图 32.4.5 删除不相关文件后的src文件夹内容 5-6 现在我们打开main.c文件，为了方便分析源代码，在main.c文件中将带有下图箭头所指的预编译指令删除。

图 32.4.6 删除不需要的预编译指令 删除不适用的预编译指令后的main.c代码如下：

可以看到代码中有很多的#if LWIP_IPV60和#if LWIP_DHCP1这类预编译指令，这是因为lwip既支持IPv4也支持IPv6，IPv4和DHCP默认支持。如果想重新配置lwip如取消DHCP，可以通过以下方式重配置lwip。 双击硬件平台工程“platform.spr”，在右侧打开的界面中点击psu_cortexa_53_0裸机开发下的板级支持包(Board Support Package)，然后在板级支持包界面中选择“Modify BSP Settings”，如下图所示：

图 32.4.7 Board Support Package Settings 在弹出的界面中点击左侧standalone下的lwip211，右侧就是lwip的配置面板。如下图所示，箭头所指的两处分别是配置启用DHCP和使能IPv6，可以看到，dhcp默认为true，ipv6默认为false。

图 32.4.8 lwip的配置面板 main函数可以说是使用lwip的一个标准函数，可以在不修改main函数的情况下就可实现其它的应用功能。main函数主要完成以下功能： 1)在代码的88行设置MPSOC开发板的MAC地址为00：0a：35：00：01：02。 2)通过调用init_platform函数配置定时器和建立中断以初始化平台，定时器产生周期性中断。 3)调用lwip_init函数完成对lwip协议栈的初始化，代码第122行。 4)初始化lwIP后，使用xemac_add函数添加以太网MAC到协议栈中。 5)使用platform_enable_interrupts函数使能中断和启动定时器。 6)从代码第156~174行，启动DHCP服务获取动态IP地址，如果超时未获取到动态IP地址，则使用默认的静态IP设置： IP Address: 192.168.1.10 Netmask : 255.255.255.0 Gateway : 192.168.1.1 我们也可以根据需要修改代码第171~173行的值，从而使用不同的静态IP地址。 7)start_application函数是用户应用函数，当我们使用lwip实现不同的应用功能时，可以在保持main函数不变的情况下，修改start_application函数的实现即可。本实验的start_application函数在echo.c文件中定义，该函数创建了一个TCP服务并设定了对应该服务的回调函数。当一个TCP连接请求被接收时，回调函数对客户端发送来的数据原封不动的发送回去，从而实现echo服务器的功能。由于本实验的目的在于初步了解lwip的使用，对于涉及到的TCP协议的使用，我们将在下一章讲解，本实验我们不多做介绍。 8)程序进入while(1)循环执行数据包接收操作，以及它需要执行的任何其他特定于应用程序的操作。TcpFastTmrFlag和TcpSlowTmrFlag是TCP TX处理所必需的，定时器中断分别以250ms和500ms的周期来改变这两个标志位。数据包接收函数xemacif_input处理由中断处理程序接收的数据包，并将它们传递给lwIP，然后lwIP为每个接收到的数据包调用适当的回调处理程序。transfer_data函数无实际意义，可以删除。 5-7 程序修改完成后，按快捷键Ctrl+S保存main.c文件，右击应用工程名选择Build Project进行编译。编译完成后控制台（Console）中会出现提示信息“Build Finished”，同时在应用工程的Binaries目录下可以看到生成的elf文件。

首先将下载器与开发板上的JTAG接口连接，下载器另外一端与电脑连接。再使用USB连接线将USB_UART(开发板PS PORT)接口与电脑连接，用于串口通信。使用网线一端连接开发板的PS以太网接口(PS_ETH)，另一端与电脑或路由器连接。最后连接开发板的电源，给开发板上电，如下图所示：

图 32.5.1 MPSOC开发板实物图 现在进入最后一步。 step6：板级验证 6-1打开Vitis Terminal终端，设置并连接串口。 6-2 下载程序。 6-3 可以看到串口打印的结果如下：

图 32.5.2 显示打印结果 在打印出“link speed for phy address 7: 1000”后要等一段时间进行DHCP服务。因为我们将开发板的以太网接口与电脑进行连接，所以出现了DHCP Timeout，开发板的IP地址为默认设置的静态IP地址192.168.1.10。如果和路由器进行连接，开发板的IP则是由DHCP获取的动态IP设置。TCP应答服务的端口号为7。另外需要说明的是串口打印的“TCP packets sent to port 6001 will be echoed back”可能是该模板最初版本使用的是6001端口，后面更新的时候使用了端口7，而该语句没有修改或删除，所以这是无意义的语句，可以找到print_app_header函数从而删除该语句。 在打印信息的第三行出现一个警告，这是因为lwip模板默认phy芯片是Marvell、TI或Realtek Ethernet这三家的，而我们开发板上使用的是其它厂家的，不影响正常工作，所以这个地方的警告忽略就可以了。 在使用静态IP地址时，需要确保同网段内没有主机使用192.168.1.10 的IP地址，否则会造成IP冲突。可以在开发板未上电前或未下载程序前在CMD里输入“ping 192.168.1.10”命令查看是否能ping通，如果能ping通，说明网络中有此IP地址，此时需要更改静态IP地址为其他值，如192.168.1.123等。 6-4 使用网络调试助手发送数据。在使用网络助手调试之前需要按照本章实验的步骤6-7设置网络适配器。设置完后在电脑端打开网络调试助手，设置协议类型为：TCP Client，服务器IP地址为串口打印的地址，此处为：192.168.1.10，服务器端口号为：7，然后点击连接，即可连上开发板的TCP Sever，如下图所示：

图 32.5.3 电脑端网络调试助手TCP Client测试界面 6-5 本实验除了可以使用网络调试助手软件外，还可以使用telnet。 我们打开电脑的CMD（按win+r键后输入cmd），输入“telnet 192.168.1.10 7”，如下图所示：

图 32.5.4 进行telnet连接 回车后，进入下图所示界面：

图 32.5.5 连接成功后的界面 如果回车后出现像下图所示界面所示“telnet不是内部或外部命令，也不是可运行的程序或批处理文件”，则表明未开启Windows的telnet客户端功能，开启方式见6-6。

图 32.5.6 未启用telnet客户端时的界面 此时我们按键盘上的字母和数字键，如123abc，控制台显示如下：

图 32.5.7 控制台显示 可以看到除了1只有一个外，其它字符都显示两个，一个是我们按下的，另一个是开发板的lwip echo server应答的。可见功能基本正确，不过从使用上看还是有问题的，一是第一次按下的字符没有回显；二是不能输入字符串，这些问题主要是windows自带的telnet的问题。如果使用第三方提供的telnet工具，例如使用Win10系统的读者可以开启WSL，从而使用linux系统提供的telnet功能进行连接，如下图（通过WSL使用Ubuntu系统）：

图 32.5.8 功能完全正常 可以看到一点问题也没有。按“Ctrl+]”可以退出输入界面，然后输入“quit”即可退出telnet连接。 注：Telnet协议是TCP/IP协议族中的一员，是Internet远程登录服务的标准协议和主要方式。它为用户提供了在本地计算机上完成远程主机工作的能力。在终端使用者的电脑上使用telnet程序，用它连接到服务器。终端使用者可以在telnet程序中输入命令，这些命令会在服务器上运行，就像直接在服务器的控制台上输入一样。可以在本地就能控制服务器。 6-6 下面我们介绍一下如何开启Windows的telnet客户端功能。在Win10或Win7系统中，按“Win+r”快捷键后，在下图所示界面中输入“control”。

图 32.5.9 打开控制面板界面 进入下图所示控制面板界面，将查看方式设置为“类别”，单击“程序”下的“卸载程序”，如下图所示：

图 32.5.10 点击进入“程序和功能”界面 在弹出的界面中，单击“启用或关闭Windows功能”，如下图所示：

图 32.5.11 点击“启用或关闭Windows功能” 在弹出的“Windows功能”界面中，找到“Telnet Client”，并勾选，如下图所示：

图 32.5.12 勾选telnet client 单击确定后，如果出现“Windows需要重启电脑才能完成安装所请求的更改”字样，重新启动电脑即可，至此，Windows的telnet客户端服务已启用。 此时我们进行telnet连接会连接成功，但也有部分电脑会出现下图所示现象：

图 32.5.13 无法连接 出现这种情况是因为本地连接（Win10为以太网）设置有问题，需要重新设置。 6-7 更改适配器设置。在控制面板界面，单击“网络和Internet”下的“查看网络状态和任务”，如下图所示：

图 32.5.14 打开“查看网络和状态” 进入下图所示界面：

图 32.5.15 更改适配器设置 点击箭头所指的“更改适配器设置”，进入下图所示界面：

图 32.5.16 打开属性界面 点击“以太网”（或者本地连接，如果有）后出现“更改此连接的设置”，点击“更改此连接的设置”，进入“属性”界面，点击“Internet协议版本4（TCP/IPv4）”，如下图所示：

图 32.5.17 进入IPv4设置 进入下图所示界面后，按下图的设置进行修改。

图 32.5.18 设置IPv4 经过这些设置后，基本上就可以使用telnet了。 至此，本实验完成。