如何在i.MX RT微控制器上初始化LWIP协议栈

在i.MX RT微控制器上初始化LWIP协议栈是一个复杂但有趣的过程，它涉及多个步骤和关键组件的配置。以下是该初始化流程的介绍：

LWIP协议栈与开发平台简介

LWIP(Light Weight IP)，是一种轻量化且开源的TCP/IP协议栈。LwIP在有限的RAM和ROM条件下，实现了一个完整的TCP/IP 协议栈，并且LwIP在MCU平台上得到了非常广泛的应用。此外，它既可以基于操作系统运行，也可以在裸机情况下运行。

TCP/IP协议栈的模型结构如下图所示:

本篇文章基于i.MX RT四位数跨界MCU平台，RT四位数跨界MCU最高主频可达1Ghz，并且搭载了很多性能强劲的外设，广泛的应用于工业，自动化，IoT,消费电子等领域，并且NXP官方提供免费的IDE，开发工具以及SDK软件包等，为开发者提供了全面的支持。

以太网接口及PHY管理接口硬件初始化

Ethernet MAC与PHY之间通过以太网接口连接，常见的接口有RMII，MII等。与此同时，RT四位数上的EthernetMAC外设也配备了PHY管理接口，可通过MDC MDIO来实现PHY相关寄存器的读写。

此处以RT1060举例，在RT1060 EVK上默认使用的是RMII以太网接口，对照原理图完成RMII相关管脚的初始化。

MDC,MDIO初始化:

PHYINIT以及RESET管脚初始化，配成GPIO输出即可:

RMII的TX_CLK由MCU提供,因此要将TX_CLK的方向配置为输出:

至此，以太网接口，PHY管理接口等硬件配置基本初始化完成。

LWIP时基初始化与超时事件注册

在LWIP中，经常会进行一些超时判定，例如ARP缓存表的时间管理，IP分片数据报的重装等待超时等等，并且LwIP也提供了超时事件注册函数sys_timeout，在RT1060官方SDK的ping bm demo中就是通过超时事件来发送ping请求。

而超时的判定需要一个时基，MCU中一般会用系统滴答定时器来作为时基，且时间间隔设置为1ms并开启中断。每一次进中断都会将当前时间加1。设置滴答定时器的代码如下图所示。

在LWIP协议栈初始化时，也需要注册一些超时事件，通过调用sys_timeout函数，该函数中又会调用sys_timeout_abs函数。

在sys_timeout_abs函数中会计算出超时事件即将超时的时间，并且根据超时时间将这些超时事件连接成一个链表，如下图所示。当超时发生时就会调用对应的处理函数。

SDK中会把需要注册的超时事件都放在一个数组中，在初始化时调用注册函数去一个个注册这些超时事件。超时事件数组如下图所示。

LWIP内存堆内存池初始化

在LwIP中，内存分配策略一般有两种，一种是分配固定大小的内存块。如TCP 首部、UDP 首部，IP 首部，以太网首部等都是固定的数据结构，其大小就是一个固定的值，那么我们就能采用这种方式分配这些固定大小的内存空间，这样子的效率就会大大提高。另一种是利用内存堆进行动态分配，属于可变长度的内存块。

在LWIP协议栈初始化时一定要对这两种内存分配方式进行初始化，方便后续协议栈进行相关内存分配。内存堆初始化代码如下所示，其中LWIP_RAM_HEAP_POINTER实际上就是分配的内存堆数组首地址。

内存堆数组大小为想要分配的内存堆大小对齐后再加上两倍的mem结构体对齐后的大小，mem结构体中会存放一些内存堆相关管理信息，宏定义如下图所示。

不难看出在内存堆初始化代码中实际上就是初始化了两个mem结构体。第一个mem结构体在内存堆起始地址处，next成员为MEM_SIZE_ALIGNED, prev和used成员皆初始化为0。

第二个mem结构体ram_end设置为内存堆首地址偏移MEM_SIZE_ALIGNED处，used变量设置为1，next和prev皆指向偏移MEM_SIZE_ALIGNED的位置。

内存池初始化函数为memp_init，如下图所示。它使用轮询的方式调用memp_init_pool去初始化每一类内存池，memp_pools数组中存放了初始化过的memp结构体。

在memp_init_pool中会根据初始化过的memp结构体中的一些参数，比如下图中所示的num，num代表有多少个内存块，memp_init_pool中会根据num将内存块连接成单链表。

网卡挂载及初始化

调用netif_add来挂载网卡，netif结构体是抽象出来的网卡结构体，IP地址，网关，子网掩码等都会保存在该结构体中。网卡初始化函数也会作为参数之一传入netif_add函数，并在netif_add函数中被调用。在该初始化函数中最终会完成以下几部分初始化:

1.以太网相关数据结构的初始化，包括rx_buffer,tx_buffer, buffer descriptor，buffer descriptor ring。初始化这些数据结构，以便在接收发送以太网数据时使用。

2.phy的初始化，初始化以太网外设中的MDC MDIO，如下图所示。

通过MDC MDIO去操作PHY相关的寄存器，例如去配置PHY的百兆千兆模式，软复位PHY，检查自动协商，连接状态以及配置LED等等。确保PHY工作在想要的状态下，部分初始化PHY的代码如下所示。

3.设置netif相关参数，例如MAC地址长度，MTU，flags,以及网络接口层输入，网络接口层输出函数等。

4.初始化Ethernet MAC外设，去配置以太网外设中的接口类型，速度，工作模式，中断等等。部分配置代码如下所示。

LWIP不同API初始化

在完成上述初始化流程之后，还需要调用一些LwIP提供的API，LwIP常用的API有RAW API, Socket API, NETCONN API三种，前者是不需要基于操作系统的，后两者需要基于操作系统运行。这三种API在初始化时也是不同的，Socket API和NETCONN API类似，此处以RT1060 SDK中的ping demo来举例说明。

首先是RAW API，在raw.c中定义了一个raw_pcb结构体，初始化时会定义一个新的raw_pcb结构体并插入raw_pcbs链表。并且给新定义的raw_pcb赋初值，如下图所示，通过raw_recv绑定ping_recv函数。通过raw_bind绑定IP地址，并且注册一个超时事件，超时时就调用ping_timeout函数，参数为ping_pcb。在ping_timeout函数中会发送ping请求。

当LWIP跑在操作系统上时，LWIP协议栈是作为一个独立线程存在的。因此，在初始化时要创建tcpip_thread线程。用户代码与tcpip_thread线程之间是通过邮箱进行数据的交互的。因此，在初始化时也需要创建一个邮箱。

在使用Socket API时，首先要调用lwip_socket函数向内核申请一个套接字，然后调用setsockopt设置套接字的一些选项。接着就可以调用lwip_sendto函数去发送数据包。调用recvfrom函数接收数据包。

至此，在i.MX RT使用LwIP协议栈初始化流程介绍完毕，通过理解和实践这些步骤，开发者可以在i.MX RT微控制器上成功初始化LWIP协议栈，并实现网络通信功能。

总体看来，整个初始化流程还是相对复杂的，这个过程不仅涉及硬件驱动编程和TCP/IP协议栈的配置，还需要对内存管理、中断处理、超时检查等关键知识点有深入的理解。感兴趣的读者可以下载RT四位数的SDK深入了解。