gaoro-xiao/TCP2UART
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refactor: 确定路径A架构(NO_SYS=0+netconn+多TCP任务)，精确化任务设计与内存预算

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- FreeRTOSConfig.h: 堆8->10KB, 优先级56->7, 添加lwIP sys_arch宏和任务优先级/栈大小定义
- lwipopts.h: LWIP_SOCKET=0节省RAM, LWIP_TCPIP_CORE_LOCKING=1, MEM_SIZE 8KB,
  PBUF_POOL 10, MEMP_NUM_NETCONN 8, TCP_SND_BUF/WND 8xMSS, 关闭DHCP/UDP,
  TCPIP_THREAD_STACKSIZE/PRIO明确指定
- 项目技术实现: 9+1任务架构, netconn阻塞模式每连接独立任务, 零拷贝route_msg_t,
  内存精确估算49KB(RCT6超1KB需优化或换RDT6), 模块重写/复用清单
- 项目需求说明: 明确netconn API路线, 添加RDT6备选, 更新任务列表9个任务
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2026-04-15 19:23:48 +08:00
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Core/Inc/FreeRTOSConfig.h
+38 -3
View File
@@ -59,13 +59,13 @@
#define configUSE_PREEMPTION 1 #define configUSE_PREEMPTION 1
#define configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION 1 #define configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION 1
#define configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION 1 #define configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION 1
#define configUSE_IDLE_HOOK 0 #define configUSE_IDLE_HOOK 1
#define configUSE_TICK_HOOK 0 #define configUSE_TICK_HOOK 0
#define configCPU_CLOCK_HZ ( SystemCoreClock ) #define configCPU_CLOCK_HZ ( SystemCoreClock )
#define configTICK_RATE_HZ ((TickType_t)1000) #define configTICK_RATE_HZ ((TickType_t)1000)
#define configMAX_PRIORITIES ( 56 ) #define configMAX_PRIORITIES ( 7 )
#define configMINIMAL_STACK_SIZE ((uint16_t)128) #define configMINIMAL_STACK_SIZE ((uint16_t)128)
#define configTOTAL_HEAP_SIZE ((size_t)8192) /* Fit R8 RAM budget with dynamic tasks */ #define configTOTAL_HEAP_SIZE ((size_t)10240)
#define configMAX_TASK_NAME_LEN ( 16 ) #define configMAX_TASK_NAME_LEN ( 16 )
#define configUSE_TRACE_FACILITY 1 #define configUSE_TRACE_FACILITY 1
#define configUSE_16_BIT_TICKS 0 #define configUSE_16_BIT_TICKS 0
@@ -151,6 +151,41 @@ standard names. */
/* USER CODE BEGIN Defines */ /* USER CODE BEGIN Defines */
/* Section where parameter definitions can be added (for instance, to override default ones in FreeRTOS.h) */ /* Section where parameter definitions can be added (for instance, to override default ones in FreeRTOS.h) */
/* lwIP sys_arch compatibility macros */
#define sys_arch_protect() vPortEnterCritical()
#define sys_arch_unprotect(x) vPortExitCritical()
#define sys_now() ((uint32_t)xTaskGetTickCount())
#define SYS_ARCH_DECL_PROTECT(lev) uint32_t lev
#define SYS_ARCH_PROTECT(lev) (lev) = vPortEnterCritical()
#define SYS_ARCH_UNPROTECT(lev) vPortExitCritical()
/* Application task priorities (higher number = higher priority) */
#define TASK_PRIORITY_TCPIP 6
#define TASK_PRIORITY_NET_POLL 5
#define TASK_PRIORITY_TCP_SERVER 4
#define TASK_PRIORITY_TCP_CLIENT 4
#define TASK_PRIORITY_UART_RX 4
#define TASK_PRIORITY_ROUTE 3
#define TASK_PRIORITY_CONFIG 2
#define TASK_PRIORITY_DEFAULT 1
/* Application task stack sizes (in words) */
#define TASK_STACK_TCPIP 512
#define TASK_STACK_NET_POLL 384
#define TASK_STACK_TCP_SERVER 384
#define TASK_STACK_TCP_CLIENT 256
#define TASK_STACK_UART_RX 384
#define TASK_STACK_ROUTE 512
#define TASK_STACK_CONFIG 256
#define TASK_STACK_DEFAULT 128
/* Route message pool for zero-copy inter-task communication */
#define ROUTE_MSG_POOL_SIZE 8
#define ROUTE_MSG_MAX_PAYLOAD 512
/* lwIP thread name for tcpip_thread */
#define TCPIP_THREAD_NAME "tcpip"
/* USER CODE END Defines */ /* USER CODE END Defines */
#endif /* FREERTOS_CONFIG_H */ #endif /* FREERTOS_CONFIG_H */
Drivers/LwIP/src/include/arch/lwipopts.h
+40 -30
View File
@@ -1,12 +1,15 @@
/** /**
* @file lwipopts.h * @file lwipopts.h
* @brief LwIP configuration for STM32F103 + FreeRTOS + CH390 Ethernet * @brief LwIP configuration for STM32F103RCT6 + FreeRTOS + CH390 Ethernet
* *
* This configuration is optimized for: * Path A: NO_SYS=0, netconn API, multi-task TCP architecture.
* - STM32F103 with limited RAM (~20KB available) * Optimized for STM32F103RCT6 (48KB SRAM) with pin-to-pin backup STM32F103RDT6 (64KB SRAM).
* - FreeRTOS integration (NO_SYS=0) *
* - TCP Server + Client dual link transparent transmission * Key design decisions:
* - CH390 Ethernet controller * - netconn API for thread-safe multi-connection TCP
* - tcpip_thread handles all lwIP core operations
* - LWIP_TCPIP_CORE_LOCKING=1 allows direct send from application tasks
* - Conservative memory footprint: target ~16KB for lwIP
*/ */
#ifndef LWIP_LWIPOPTS_H #ifndef LWIP_LWIPOPTS_H
@@ -19,11 +22,15 @@
/* Use FreeRTOS - this enables the sequential API (netconn, sockets) */ /* Use FreeRTOS - this enables the sequential API (netconn, sockets) */
#define NO_SYS 0 #define NO_SYS 0
/* Enable socket API */ /* Enable netconn API (primary), disable socket API to save RAM */
#define LWIP_SOCKET 1 #define LWIP_SOCKET 0
#define LWIP_NETCONN 1 #define LWIP_NETCONN 1
#define LWIP_NETIF_API 0 #define LWIP_NETIF_API 0
/* Core locking: allows netconn_write/recv from any task without going through mbox */
#define LWIP_TCPIP_CORE_LOCKING 1
#define LWIP_TCPIP_CORE_LOCKING_INPUT 0
/* Critical section protection */ /* Critical section protection */
#define SYS_LIGHTWEIGHT_PROT 1 #define SYS_LIGHTWEIGHT_PROT 1
@@ -35,17 +42,20 @@
#define LWIP_PROVIDE_ERRNO 1 #define LWIP_PROVIDE_ERRNO 1
/*----------------------------------------------------------------------------- /*-----------------------------------------------------------------------------
* Memory Configuration (optimized for STM32F103 with ~20KB RAM) * Memory Configuration (optimized for STM32F103RCT6 with 48KB SRAM)
*---------------------------------------------------------------------------*/ *---------------------------------------------------------------------------*/
/* Memory alignment (ARM Cortex-M3 = 4 byte alignment) */ /* Memory alignment (ARM Cortex-M3 = 4 byte alignment) */
#define MEM_ALIGNMENT 4 #define MEM_ALIGNMENT 4
/* Heap size for dynamic memory allocation */ /* Heap size for dynamic memory allocation.
#define MEM_SIZE (4 * 1024) /* 4KB for LwIP heap */ * With netconn: larger heap needed for netbuf allocation and connection management.
* 8KB provides headroom for 4 concurrent TCP connections. */
#define MEM_SIZE (8 * 1024)
/* Number of pbufs in pool */ /* Number of pbufs in pool.
#define PBUF_POOL_SIZE 8 * 10 pools for 4 concurrent connections with some headroom. */
#define PBUF_POOL_SIZE 10
/* Size of each pbuf in pool (must hold one Ethernet frame) */ /* Size of each pbuf in pool (must hold one Ethernet frame) */
#define PBUF_POOL_BUFSIZE LWIP_MEM_ALIGN_SIZE(TCP_MSS + 40 + PBUF_LINK_ENCAPSULATION_HLEN + PBUF_LINK_HLEN) #define PBUF_POOL_BUFSIZE LWIP_MEM_ALIGN_SIZE(TCP_MSS + 40 + PBUF_LINK_ENCAPSULATION_HLEN + PBUF_LINK_HLEN)
@@ -65,19 +75,20 @@
/* Number of listening TCP connections */ /* Number of listening TCP connections */
#define MEMP_NUM_TCP_PCB_LISTEN 2 #define MEMP_NUM_TCP_PCB_LISTEN 2
/* Number of simultaneously queued TCP segments */ /* Number of simultaneously queued TCP segments
#define MEMP_NUM_TCP_SEG 17 * Increased for 4 concurrent connections */
#define MEMP_NUM_TCP_SEG 24
/* Number of simultaneously active timeouts */ /* Number of simultaneously active timeouts */
#define MEMP_NUM_SYS_TIMEOUT 8 #define MEMP_NUM_SYS_TIMEOUT 8
/* Number of netbufs (for sequential API) */ /* Number of netbufs (for netconn API, one per pending recv) */
#define MEMP_NUM_NETBUF 4 #define MEMP_NUM_NETBUF 8
/* Number of netconns */ /* Number of netconns: 2 listeners + 2 accepted + 2 clients + 2 margin = 8 */
#define MEMP_NUM_NETCONN 6 #define MEMP_NUM_NETCONN 8
/* TCPIP message queue size */ /* TCPIP message queue size (must be >= max simultaneous API calls) */
#define MEMP_NUM_TCPIP_MSG_API 8 #define MEMP_NUM_TCPIP_MSG_API 8
#define MEMP_NUM_TCPIP_MSG_INPKT 8 #define MEMP_NUM_TCPIP_MSG_INPKT 8
@@ -118,15 +129,14 @@
* DHCP Configuration * DHCP Configuration
*---------------------------------------------------------------------------*/ *---------------------------------------------------------------------------*/
#define LWIP_DHCP 1 #define LWIP_DHCP 0 /* Static IP only */
#define DHCP_DOES_ARP_CHECK 1 #define DHCP_DOES_ARP_CHECK 0
/*----------------------------------------------------------------------------- /*-----------------------------------------------------------------------------
* UDP Configuration * UDP Configuration
*---------------------------------------------------------------------------*/ *---------------------------------------------------------------------------*/
#define LWIP_UDP 1 #define LWIP_UDP 0 /* UDP not used in this project */
#define UDP_TTL 255
/*----------------------------------------------------------------------------- /*-----------------------------------------------------------------------------
* TCP Configuration (optimized for transparent transmission) * TCP Configuration (optimized for transparent transmission)
@@ -138,14 +148,14 @@
/* TCP Maximum Segment Size */ /* TCP Maximum Segment Size */
#define TCP_MSS 536 /* Conservative value for compatibility */ #define TCP_MSS 536 /* Conservative value for compatibility */
/* TCP sender buffer space (bytes) */ /* TCP sender buffer space - increased for bridge throughput */
#define TCP_SND_BUF (4 * TCP_MSS) #define TCP_SND_BUF (8 * TCP_MSS)
/* TCP sender buffer space (pbufs) */ /* TCP sender buffer space (pbufs) */
#define TCP_SND_QUEUELEN ((4 * (TCP_SND_BUF) + (TCP_MSS - 1)) / (TCP_MSS)) #define TCP_SND_QUEUELEN ((4 * (TCP_SND_BUF) + (TCP_MSS - 1)) / (TCP_MSS))
/* TCP receive window */ /* TCP receive window - increased for bridge throughput */
#define TCP_WND (4 * TCP_MSS) #define TCP_WND (8 * TCP_MSS)
/* TCP writable space threshold */ /* TCP writable space threshold */
#define TCP_SNDLOWAT LWIP_MIN(LWIP_MAX(((TCP_SND_BUF)/2), (2 * TCP_MSS) + 1), (TCP_SND_BUF) - 1) #define TCP_SNDLOWAT LWIP_MIN(LWIP_MAX(((TCP_SND_BUF)/2), (2 * TCP_MSS) + 1), (TCP_SND_BUF) - 1)
@@ -188,8 +198,8 @@
* Callback Configuration * Callback Configuration
*---------------------------------------------------------------------------*/ *---------------------------------------------------------------------------*/
#define LWIP_NETIF_STATUS_CALLBACK 1 #define LWIP_NETIF_STATUS_CALLBACK 0
#define LWIP_NETIF_LINK_CALLBACK 1 #define LWIP_NETIF_LINK_CALLBACK 0
/*----------------------------------------------------------------------------- /*-----------------------------------------------------------------------------
* Checksum Configuration * Checksum Configuration
项目技术实现.md
+282 -97
View File
@@ -48,105 +48,183 @@
+--------------------------------------------------+ +--------------------------------------------------+
``` ```
## 四、FreeRTOS 任务设计 ## 四、FreeRTOS 任务设计（路径 A：netconn + 多 TCP 任务）
### 4.1 任务列表 ### 4.1 架构路线
| 任务名 | 优先级 | 栈大小 | 周期 | 职责 | 本项目采用 **路径 A**：`NO_SYS=0 + netconn API + 每个 TCP 连接独立任务`。
|--------|--------|--------|------|------|
| `NetworkTask` | osPriorityHigh (4) | 512 words | 事件驱动 | CH390 事件消费 + lwIP 超时处理 |
| `UartTask` | osPriorityHigh (4) | 512 words | 事件驱动 | UART DMA/IDLE 接收 + MUX 帧提取 |
| `ConfigTask` | osPriorityNormal (3) | 256 words | 事件驱动 | AT 命令解析与响应 |
| `RouteTask` | osPriorityNormal (3) | 512 words | 事件驱动 | SRCID/DSTMASK 数据路由分发 |
| `DefaultTask` | osPriorityLow (1) | 128 words | 1000ms 周期 | LED 心跳 + IWDG 喂狗 |
### 4.2 任务间通信机制 核心决策：
1. lwIP 以 `NO_SYS=0` 模式运行，`tcpip_thread` 由 lwIP 自动创建
2. TCP 连接使用 `netconn` 阻塞 API（`netconn_accept` / `netconn_recv` / `netconn_write`）
3. 每个 TCP Server 和 Client 实例各占一个独立任务
4. 任务间通过 Queue 传递指针 + 元数据描述符，实现零拷贝
```text ### 4.2 任务列表（共 9 个任务 + 1 个 lwIP 自建）
UART ISR --[Semaphore]--> UartTask --[Queue]--> RouteTask --[Queue]--> NetworkTask
| | 任务名 | 优先级 | 栈(words) | 模式 | 职责 |
ConfigTask <--[Queue]-- RouteTask <--[Queue]-- NetworkTask <--------+ |--------|--------|-----------|------|------|
| | `tcpip_thread` | 6 (最高) | 512 | 阻塞 | lwIP 内核线程（自动创建） |
+--> UART TX (Direct DMA send) | `NetPollTask` | 5 | 384 | 事件驱动 | `ethernetif_poll` + 链路检测 |
| `TcpSrvTask_S1` | 4 | 384 | 阻塞 | `netconn_accept` + S1 收发 |
| `TcpSrvTask_S2` | 4 | 384 | 阻塞 | `netconn_accept` + S2 收发 |
| `TcpCliTask_C1` | 4 | 256 | 阻塞 | `netconn_connect` + C1 收发 |
| `TcpCliTask_C2` | 4 | 256 | 阻塞 | `netconn_connect` + C2 收发 |
| `UartRxTask` | 4 | 384 | 事件驱动 | UART DMA/IDLE 接收 + MUX 帧提取 |
| `ConfigTask` | 2 | 256 | 阻塞 | AT 命令解析与响应 |
| `DefaultTask` | 1 | 128 | 周期 | LED 心跳 + IWDG 喂狗 |
说明：
- `tcpip_thread` 是 lwIP 自建的内核线程，处理所有协议栈内部事件
- 所有 `netconn_*` API 通过 `tcpip_thread` 消息机制实现线程安全
- `LWIP_TCPIP_CORE_LOCKING=1` 允许应用任务直接调用 `netconn_write` 而不经邮箱中转
- `tcpip_thread` 优先级最高（6），确保 TCP ACK 和超时处理不被延迟
### 4.3 零拷贝路由消息设计
```c
/* 路由消息描述符 - Queue 传递的是此结构的指针，不拷贝负载数据 */
typedef struct {
uint8_t src_id; /* 源端点 ID */
uint8_t dst_mask; /* 目标端点位图 */
uint16_t len; /* 数据长度 */
uint8_t conn_type; /* 连接标识：LINK_S1/S2/C1/C2 */
uint8_t *data; /* 指向预分配静态缓冲区 */
} route_msg_t;
``` ```
具体通信对象： 静态缓冲池（预分配，避免动态分配）：
```c
#define ROUTE_BUF_COUNT 4
#define ROUTE_BUF_SIZE 512
static uint8_t g_route_buf_pool[ROUTE_BUF_COUNT][ROUTE_BUF_SIZE];
static volatile uint8_t g_route_buf_used[ROUTE_BUF_COUNT];
```
- 发送方：从池中获取空闲缓冲区，拷贝数据，填充 `route_msg_t`，Queue 发送指针
- 接收方：从 Queue 取 `route_msg_t*`，处理数据后标记缓冲区为可用
- 无动态分配，无堆碎片
### 4.4 任务间通信机制
```text
UART ISR ──[TaskNotify]──> UartRxTask ──[Queue*]──> TcpSrvTask / TcpCliTask
│ ▲
├──[Queue*]──────────────>─┘
│
DSTMASK=0 └──[Queue]──> ConfigTask
TcpSrvTask / TcpCliTask ──[Queue*]──> UartRxTask (UART TX 方向)
EXTI0 ISR ──[BinarySem]──> NetPollTask ──> ethernetif_poll ──> tcpip_thread
```
通信对象：
| 对象 | 类型 | 生产者 | 消费者 | 用途 | | 对象 | 类型 | 生产者 | 消费者 | 用途 |
|------|------|--------|--------|------| |------|------|--------|--------|------|
| `xUartRxQueue` | Queue (64 items) | UartTask | RouteTask | UART 接收帧传递 | | `xNetSemaphore` | Binary Semaphore | EXTI0 ISR | NetPollTask | CH390 中断通知 |
| `xTcpRxQueue` | Queue (32 items) | NetworkTask | RouteTask | TCP 接收数据传递 | | `xUartRxNotify` | TaskNotification | UART IDLE ISR | UartRxTask | UART 接收通知 |
| `xConfigQueue` | Queue (16 items) | RouteTask | ConfigTask | AT 命令文本传递 | | `xTcpRxQueue` | Queue (16, route_msg_t*) | TCP 任务 | UartRxTask | TCP→UART 数据 |
| `xCh390Semaphore` | Binary Semaphore | EXTI0 ISR | NetworkTask | CH390 中断通知 | | `xUartTxQueue` | Queue (8, route_msg_t*) | UartRxTask | TCP 任务 | UART→TCP 数据 |
| `xSpiMutex` | Mutex | NetworkTask | 多任务 | SPI/CH390 访问保护 | | `xConfigQueue` | Queue (8, char*) | UartRxTask | ConfigTask | AT 文本 |
| `xUart2TxStream` | StreamBuffer (1024) | RouteTask | UartTask | UART2 发送数据 |
| `xUart3TxStream` | StreamBuffer (1024) | RouteTask | UartTask | UART3 发送数据 |
### 4.3 NetworkTask 实现方向 说明：
- TCP→UART 方向：TCP 任务调用 `netconn_recv` 获取数据，构造 `route_msg_t` 指针投递到 `xTcpRxQueue`，UartRxTask 取出后写入 UART DMA
- UART→TCP 方向：UartRxTask 从 UART DMA 读取数据，构造 `route_msg_t` 指针投递到 `xUartTxQueue`，对应 TCP 任务取出后调用 `netconn_write` 发送
- 路由逻辑内联在 UartRxTask 和各 TCP 任务中，不设独立 RouteTask
### 4.5 NetPollTask 实现
```c ```c
void NetworkTask(void *argument) void NetPollTask(void *argument)
{ {
/* 初始化 CH390 + lwIP netif */ /* 初始化 CH390 + lwIP netif */
/* 创建 TCP Server/Client 实例 */ ethernetif_init(&ch390_netif);
/* 等待链路就绪后启动 TCP 任务 */
/* ... */
for (;;) { for (;;) {
/* 等待 CH390 中断信号量 */ xSemaphoreTake(xNetSemaphore, pdMS_TO_TICKS(2));
xSemaphoreTake(xCh390Semaphore, pdMS_TO_TICKS(10)); ethernetif_poll(&ch390_netif);
/* 处理 CH390 事件 */ ethernetif_check_link(&ch390_netif);
ethernetif_poll(); /* sys_check_timeouts() 由 tcpip_thread 自动执行，此处不需要调用 */
ethernetif_check_link();
/* lwIP 超时处理由 tcpip_thread 自动完成 */
/* TCP 数据收发 */
tcp_link_process();
} }
} }
``` ```
### 4.4 UartTask 实现方向 ### 4.6 TcpSrvTask 实现模板
```c ```c
void UartTask(void *argument) void TcpSrvTask_S1(void *argument)
{ {
struct netconn *conn = netconn_new(NETCONN_TCP);
netconn_bind(conn, IP_ADDR_ANY, cfg->links[0].lport);
netconn_listen(conn);
for (;;) { for (;;) {
/* 等待 UART IDLE 中断通知 */ struct netconn *newconn;
ulTaskNotifyTake(pdTRUE, pdMS_TO_TICKS(10)); if (netconn_accept(conn, &newconn) == ERR_OK) {
/* 处理 UART2/UART3 DMA 接收数据 */ /* 在本任务内处理唯一客户端 */
/* MUX=0: 直接投递到路由队列 */ tcp_server_worker(newconn, LINK_S1);
/* MUX=1: 提取 MUX 帧，分流控制帧与数据帧 */ netconn_close(newconn);
/* 检查 StreamBuffer，发送 UART TX 数据 */ netconn_delete(newconn);
}
} }
} }
``` ```
### 4.5 ConfigTask 实现方向 ### 4.7 TcpCliTask 实现模板
```c
void TcpCliTask_C1(void *argument)
{
for (;;) {
struct netconn *conn = netconn_new(NETCONN_TCP);
ip_addr_t remote_ip;
IP_ADDR4(&remote_ip, cfg->links[2].rip[0], ...);
if (netconn_connect(conn, &remote_ip, cfg->links[2].rport) == ERR_OK) {
tcp_client_worker(conn, LINK_C1);
}
netconn_close(conn);
netconn_delete(conn);
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(cfg->links[2].reconnect_interval));
}
}
```
### 4.8 UartRxTask 实现
```c
void UartRxTask(void *argument)
{
for (;;) {
ulTaskNotifyTake(pdTRUE, pdMS_TO_TICKS(10));
/* 处理 UART2/UART3 DMA 接收数据 */
/* MUX=0: 构造 route_msg_t 指针投递到 xUartTxQueue */
/* MUX=1: 提取 MUX 帧，DSTMASK=0 投 xConfigQueue，否则投 xUartTxQueue */
/* 从 xTcpRxQueue 取数据，写入 UART DMA 发送 */
}
}
```
### 4.9 ConfigTask 实现
```c ```c
void ConfigTask(void *argument) void ConfigTask(void *argument)
{ {
for (;;) { for (;;) {
/* 从配置队列接收 AT 命令文本 */ char *cmd;
xQueueReceive(xConfigQueue, &cmd, portMAX_DELAY); xQueueReceive(xConfigQueue, &cmd, portMAX_DELAY);
/* 解析并执行 AT 命令 */
config_process_at_cmd(cmd); config_process_at_cmd(cmd);
/* 通过 UART1 发送响应 */ /* 通过 UART1 发送响应 */
} }
} }
``` ```
### 4.6 RouteTask 实现方向
```c
void RouteTask(void *argument)
{
for (;;) {
/* 从 UART 队列和 TCP 队列读取数据帧 */
/* 根据 SRCID/DSTMASK 决定路由目标 */
/* 控制帧 (DSTMASK=0x00) -> ConfigTask */
/* 数据帧 -> TCP 实例或 UART TX */
}
}
```
## 五、最终协议实现模型 ## 五、最终协议实现模型
### 5.1 MUX 帧承载层 ### 5.1 MUX 帧承载层
@@ -276,13 +354,16 @@ EN,LPORT,RIP,RPORT,UART
3. 在 `MUX=1` 时执行 MUX 帧收发 3. 在 `MUX=1` 时执行 MUX 帧收发
4. 将控制帧与业务数据帧分流 4. 将控制帧与业务数据帧分流
### 7.3 TCP Server / Client 模块 ### 7.3 TCP Server / Client 模块（需重写）
最终职责： 原 `tcp_server.c` / `tcp_client.c` 基于 lwIP RAW API 回调模式，需重写为 netconn 阻塞模式：
1. 不再从外部协议角度区分不同字段模型 1. 删除所有 `tcp_pcb` / `tcp_recv` / `tcp_accept` 回调代码
2. 统一受 `LINK[idx]` 配置驱动 2. 改用 `netconn_new` / `netconn_bind` / `netconn_listen` / `netconn_accept`（Server）
3. 由调度层决定实例与 UART 的数据交换路径 3. 改用 `netconn_new` / `netconn_connect`（Client）
4. 收发改为 `netconn_recv` / `netconn_write` 阻塞调用
5. 内部 ring buffer 可取消（netconn 内部已有 pbuf 缓冲）
6. 每个 TCP 任务内直接处理路由，通过 Queue 指针传递数据
### 7.4 FreeRTOS 初始化 `freertos.c` ### 7.4 FreeRTOS 初始化 `freertos.c`
@@ -309,36 +390,67 @@ CubeMX 生成的 FreeRTOS 初始化文件，职责：
| `configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK` | 1 | 内存分配失败钩子 | | `configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK` | 1 | 内存分配失败钩子 |
| `configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION` | 1 | 动态内存分配 | | `configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION` | 1 | 动态内存分配 |
## 八、lwIP 配置方向 ## 八、lwIP 配置（NO_SYS=0 + netconn）
### 8.1 lwIP 线程模型 ### 8.1 lwIP 线程模型
由于采用 `NO_SYS=0`，lwIP 将运行以下线程： 由于采用 `NO_SYS=0`，lwIP 将运行以下线程：
1. `tcpip_thread`：lwIP 核心线程，处理所有协议栈内部事件 1. `tcpip_thread`（优先级 6，栈 512 words）：lwIP 核心线程，处理所有协议栈内部事件
2. 应用任务通过 `netconn` / `socket` API 与 lwIP 交互 2. 应用任务通过 `netconn` API 与 lwIP 交互，由 `tcpip_thread` 消息机制保证线程安全
3. `LWIP_TCPIP_CORE_LOCKING=1`：允许应用任务在持有核心锁时直接调用 `netconn_write`，无需通过邮箱中转
### 8.2 lwIP 内存配置建议 ### 8.2 lwIP 关键配置项（lwipopts.h）
| 配置项 | 建议值 | 说明 | | 配置项 | 值 | 说明 |
|--------|--------|------| |--------|-----|------|
| `NO_SYS` | 0 | 启用 OS 抽象 |
| `LWIP_NETCONN` | 1 | 启用 netconn API |
| `LWIP_SOCKET` | 0 | 不使用 socket API，节省 RAM |
| `LWIP_TCPIP_CORE_LOCKING` | 1 | 允许直接发送，减少延时 |
| `MEM_SIZE` | 8192 | lwIP 堆大小 | | `MEM_SIZE` | 8192 | lwIP 堆大小 |
| `MEMP_NUM_NETCONN` | 6 | netconn 连接数 | | `PBUF_POOL_SIZE` | 10 | pbuf 池数量 |
| `MEMP_NUM_TCP_PCB` | 6 | TCP 控制块数 | | `MEMP_NUM_NETCONN` | 8 | 2监听 + 4连接 + 2余量 |
| `PBUF_POOL_SIZE` | 8 | pbuf 池大小 | | `MEMP_NUM_NETBUF` | 8 | netconn 缓冲 |
| `PBUF_POOL_BUFSIZE` | 1524 | pbuf 缓冲大小 | | `MEMP_NUM_TCP_PCB` | 4 | TCP 控制块 |
| `TCP_WND` | 2048 | TCP 窗口大小 | | `MEMP_NUM_TCP_PCB_LISTEN` | 2 | TCP 监听 |
| `TCP_MSS` | 1460 | TCP 最大段大小 | | `MEMP_NUM_TCP_SEG` | 24 | TCP 段 |
| `MEMP_NUM_TCPIP_MSG_API` | 8 | API 消息池 |
| `MEMP_NUM_TCPIP_MSG_INPKT` | 8 | 入包消息池 |
| `TCP_MSS` | 536 | 保守 MSS |
| `TCP_SND_BUF` | 8×MSS=4288 | 发送缓冲 |
| `TCP_WND` | 8×MSS=4288 | 接收窗口 |
| `TCPIP_THREAD_STACKSIZE` | 512 | tcpip_thread 栈 |
| `TCPIP_THREAD_PRIO` | 6 (最高) | tcpip_thread 优先级 |
| `LWIP_DHCP` | 0 | 不使用 DHCP |
| `LWIP_UDP` | 0 | 不使用 UDP |
### 8.3 sys_arch 移植层 ### 8.3 sys_arch 移植层
`Drivers/LwIP/port/sys_arch.c` 提供 lwIP 到 FreeRTOS 的适配： `Drivers/LwIP/port/sys_arch.c` 需实现 lwIP 到 FreeRTOS 的适配：
1. `sys_thread_new`：创建 lwIP 线程 1. `sys_thread_new`：创建 lwIP 线程（即 `tcpip_thread`）
2. `sys_mbox_*`：消息邮箱（基于 FreeRTOS Queue） 2. `sys_mbox_*`：消息邮箱（基于 FreeRTOS Queue，容量 `TCPIP_MBOX_SIZE=8`）
3. `sys_sem_*`：信号量（基于 FreeRTOS Semaphore） 3. `sys_sem_*`：信号量（基于 FreeRTOS Semaphore）
4. `sys_mutex_*`：互斥锁（基于 FreeRTOS Mutex） 4. `sys_mutex_*`：互斥锁（基于 FreeRTOS Mutex）
5. `sys_arch_protect / unprotect`：临界区保护 5. `sys_arch_protect / unprotect`：临界区保护（基于 `vPortEnterCritical / vPortExitCritical`）
### 8.4 lwIP 初始化流程
```c
/* 在 MX_FREERTOS_Init 或 NetPollTask 中调用 */
void lwip_init_task(void)
{
/* tcpip_thread 在 lwip_init() 或第一个 sys_thread_new 时自动启动 */
tcpip_init(NULL, NULL);
/* 等待 tcpip_thread 就绪 */
/* 添加网络接口 */
netif_add(&ch390_netif, &ipaddr, &netmask, &gw, NULL, &ethernetif_init, &tcpip_input);
netif_set_default(&ch390_netif);
netif_set_up(&ch390_netif);
}
```
## 九、中断与 HAL 时间基准 ## 九、中断与 HAL 时间基准
@@ -365,34 +477,65 @@ FreeRTOS 下 `SysTick` 被 FreeRTOS 占用，HAL 时间基准改用 `TIM4`：
FreeRTOS 可管理的中断优先级必须 >= `configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY`（本工程为 5）。 FreeRTOS 可管理的中断优先级必须 >= `configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY`（本工程为 5）。
## 十、内存预算 ## 十、内存预算（路径 A 精确估算）
以 `STM32F103RCT6` 为目标（48KB SRAM）： 以 `STM32F103RCT6` 为目标（48KB SRAM）：
### 10.1 RAM 预算 ### 10.1 RAM 预算
| 项目 | 建议值 | 说明 | | 项目 | 大小 | 说明 |
|------|--------|------| |------|------|------|
| 启动栈 (MSP) | 2 KB | startup_stm32f103xe.s 中定义 | | 启动栈 (MSP) | 2,048 B | `startup_stm32f103xe.s` 定义 0x800 |
| FreeRTOS 堆 | 10 KB | heap_4.c 管理 | | FreeRTOS 堆 (heap_4) | 10,240 B | `configTOTAL_HEAP_SIZE` |
| 任务栈合计 | ~6 KB | 5 个任务 | | 任务栈 (9 任务) | 13,312 B | 3,328 words × 4 (见上表) |
| lwIP 堆 | 8 KB | MEM_SIZE | | lwIP 堆 (MEM_SIZE) | 8,192 B | |
| UART 缓冲 | 4 KB | RX/TX DMA 缓冲 | | PBUF 池 (10 个) | ~6,000 B | 10 × ~600B |
| Queue/StreamBuffer | 4 KB | 任务间通信 | | MEMP 池 | ~4,000 B | netconn/netbuf/tcpip_msg/pcb/seg |
| 参数/状态 | 2 KB | 配置结构 | | UART DMA+Ring 缓冲 | 2,304 B | 2 通道 × (256+256+512+384)/2 |
| 空闲栈 | 1 KB | 系统预留 | | 路由缓冲池 (4×512B) | 2,048 B | 零拷贝指针传递 |
| **合计** | ~37 KB | 预留约 11 KB 余量 | | 配置结构 | 1,024 B | |
| **合计** | **~49,168 B** | |
| **余量 (RCT6 48KB)** | **~-928 B** | ⚠️ 超出，需优化或换 RDT6 |
| **余量 (RDT6 64KB)** | **~15,264 B** | ✅ 充裕 |
### 10.2 Flash 预算 ### 10.2 优化空间（RCT6 下）
若坚持使用 RCT6，可通过以下措施压缩到 48KB 以内：
| 优化项 | 节省 |
|--------|------|
| 取消 TCP 任务的 ring buffer（netconn 内部有 pbuf 缓冲） | -2,048 B |
| `configTOTAL_HEAP_SIZE` 降至 8KB | -2,048 B |
| `MEM_SIZE` 降至 6KB | -2,048 B |
| TcpCliTask 栈降至 192 words × 2 | -512 B |
| **优化后合计** | **~42,504 B** |
| **RCT6 余量** | **~5,464 B** |
### 10.3 备选 MCU
当 RAM 最终不够用时，切换为 `STM32F103RDT6`（pin-to-pin 替代）：
| 项目 | RCT6 | RDT6 |
|------|------|------|
| Flash | 256 KB | 384 KB |
| SRAM | 48 KB | 64 KB |
| 引脚 | LQFP64 | LQFP64（完全兼容） |
| 启动文件 | `startup_stm32f103xe.s` | `startup_stm32f103xd.s` |
| 宏定义 | `STM32F103xE` | `STM32F103xD` |
| Flash 算法 | `STM32F10x_HD` | `STM32F10x_HD`（相同） |
| SRAM 大小 | `0xC000` | `0x10000` |
| Flash 大小 | `0x40000` | `0x60000` |
### 10.4 Flash 预算
| 项目 | 估计值 | 说明 | | 项目 | 估计值 | 说明 |
|------|--------|------| |------|--------|------|
| FreeRTOS 内核 | ~8 KB | 含 CMSIS-RTOS V2 | | FreeRTOS 内核 | ~8 KB | 含 CMSIS-RTOS V2 |
| HAL 驱动 | ~20 KB | GPIO/UART/SPI/DMA/IWDG/TIM | | HAL 驱动 | ~20 KB | GPIO/UART/SPI/DMA/IWDG/TIM |
| lwIP 协议栈 | ~40 KB | core + api + ipv4 + netif | | lwIP 协议栈 | ~50 KB | core + api + ipv4 + netif + sys_arch |
| CH390 驱动 | ~4 KB | | | CH390 驱动 | ~4 KB | |
| 应用代码 | ~20 KB | config/uart_trans/tcp/route | | 应用代码 | ~20 KB | config/uart_trans/tcp_server/tcp_client |
| **合计** | ~92 KB | 预留约 164 KB 余量 | | **合计** | ~102 KB | RCT6 预留 154 KB，RDT6 预留 282 KB |
## 十一、硬件资源 ## 十一、硬件资源
@@ -451,3 +594,45 @@ FreeRTOS 可管理的中断优先级必须 >= `configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIOR
2. 控制帧只使用 `DSTMASK=0x00` 2. 控制帧只使用 `DSTMASK=0x00`
3. MUX 帧格式固定为 `SYNC | LEN_H | LEN_L | SRCID | DSTMASK | PAYLOAD | TAIL` 3. MUX 帧格式固定为 `SYNC | LEN_H | LEN_L | SRCID | DSTMASK | PAYLOAD | TAIL`
4. AT 手册、需求说明、技术实现三份文档不得再出现历史展开式字段 4. AT 手册、需求说明、技术实现三份文档不得再出现历史展开式字段
## 十四、路径 A 实现清单
### 14.1 必须重写的模块
| 模块 | 原实现 | 目标实现 | 说明 |
|------|--------|----------|------|
| `tcp_server.c/.h` | lwIP RAW API 回调 | netconn 阻塞任务 | `tcp_new` → `netconn_new`，回调 → 阻塞循环 |
| `tcp_client.c/.h` | lwIP RAW API 回调 | netconn 阻塞任务 | 同上 |
| `sys_arch.c/.h` | NO_SYS=1 空壳 | FreeRTOS 移植层 | `sys_mbox`、`sys_sem`、`sys_mutex`、`sys_thread` |
| `lwipopts.h` | NO_SYS=1 | NO_SYS=0 + netconn | 已更新 |
| `main.c` | while(1) 轮询 | FreeRTOS 任务创建 | `App_Poll()` → 各任务函数 |
| `stm32f1xx_it.c` | 裸机 ISR | FreeRTOS ISR | `xxFromISR` API |
### 14.2 可复用（需适配）的模块
| 模块 | 适配内容 |
|------|----------|
| `uart_trans.c/.h` | 添加 `xTaskNotifyFromISR` 替代 poll 模式 |
| `config.c/.h` | 添加 `xQueueReceive` 替代 `config_poll()` |
| `flash_param.c/.h` | 无需修改 |
| `CH390` 驱动 | `ethernetif_poll` 改为 NetPollTask 调用，SPI 加 Mutex 保护 |
| `ethernetif.c` | 添加 `netif_add` 的 `tcpip_input` 回调 |
### 14.3 无需修改的模块
| 模块 | 说明 |
|------|------|
| `FreeRTOSConfig.h` | 已更新（任务优先级宏、堆大小） |
| `startup_stm32f103xe.s` | 已适配 RCT6 |
| `TCP2UART.ioc` | 已适配 RCT6 + FreeRTOS + TIM4 |
| `MDK-ARM/TCP2UART.uvprojx` | 已适配 RCT6 + xE 宏 |
| MUX 帧编解码 | 协议逻辑与 RTOS 无关 |
### 14.4 新增模块
| 模块 | 职责 |
|------|------|
| `route_msg.c/.h` | 零拷贝路由消息池管理 |
| `task_tcp_server.c/.h` | netconn Server 任务模板 |
| `task_tcp_client.c/.h` | netconn Client 任务模板 |
| `task_net_poll.c/.h` | CH390 poll + link check 任务 |
项目需求说明.md
+18 -12
View File
@@ -22,6 +22,7 @@
### 2.1 硬件边界 ### 2.1 硬件边界
- 主控：`STM32F103RCT6`（256KB Flash / 48KB SRAM） - 主控：`STM32F103RCT6`（256KB Flash / 48KB SRAM）
- 备选主控：`STM32F103RDT6`（384KB Flash / 64KB SRAM），pin-to-pin 兼容，当 RAM 不够时直接替换
- 以太网芯片：`CH390D` - 以太网芯片：`CH390D`
- 网卡数量：`1` - 网卡数量：`1`
- 配置口：`UART1` - 配置口：`UART1`
@@ -30,10 +31,11 @@
### 2.2 软件边界 ### 2.2 软件边界
- 执行模型：`FreeRTOS` - 执行模型：`FreeRTOS`
- 网络协议栈：`lwIP + NO_SYS=0`（支持 socket/netconn 线程安全 API） - 网络协议栈：`lwIP NO_SYS=0 + netconn API`（线程安全，每连接独立任务）
- 调试输出：`SEGGER RTT` - 调试输出：`SEGGER RTT`
- 采用 `FreeRTOS` 任务调度 - 采用 `FreeRTOS` 任务调度
- 采用 `lwIP socket/netconn` 或 `RAW API` 实现多路 TCP 并发 - TCP 连接使用 `netconn` 阻塞 API（`netconn_accept` / `netconn_recv` / `netconn_write`）
- 每条 TCP 连路（S1/S2/C1/C2）独立一个任务
- 不包含 DHCP 协议支持 - 不包含 DHCP 协议支持
## 三、最终协议需求 ## 三、最终协议需求
@@ -152,22 +154,26 @@ EN,LPORT,RIP,RPORT,UART
| 任务 | 优先级 | 职责 | | 任务 | 优先级 | 职责 |
|------|--------|------| |------|--------|------|
| NetworkTask | 高 | CH390 事件轮询 + lwIP tcpip 处理 | | tcpip_thread | 6 (最高) | lwIP 内核线程（自动创建） |
| UartTask | 高 | UART DMA/IDLE 接收 + MUX 帧处理 | | NetPollTask | 5 | CH390 事件轮询 + 链路检测 |
| ConfigTask | 中 | AT 命令解析与响应 | | TcpSrvTask_S1 | 4 | S1 netconn_accept + 收发 |
| RouteTask | 中 | SRCID/DSTMASK 数据路由 | | TcpSrvTask_S2 | 4 | S2 netconn_accept + 收发 |
| DefaultTask | 低 | LED 心跳 + 看门狗 | | TcpCliTask_C1 | 4 | C1 netconn_connect + 收发 |
| TcpCliTask_C2 | 4 | C2 netconn_connect + 收发 |
| UartRxTask | 4 | UART DMA/IDLE 接收 + MUX 帧提取 + 路由 |
| ConfigTask | 2 | AT 命令解析与响应 |
| DefaultTask | 1 | LED 心跳 + 看门狗 |
### 6.2 任务间通信 ### 6.2 任务间通信
- 使用 `Queue` 传递 UART 接收数据帧 - 使用 `Queue` 传递指针 + 元数据描述符（零拷贝路由消息）
- 使用 `Semaphore` 同步 CH390 中断事件 - 使用 `Binary Semaphore` 同步 CH390 中断事件
- 使用 `Mutex` 保护 SPI/CH390 共享访问 - 使用 `TaskNotification` 通知 UART IDLE 事件
- 使用 `StreamBuffer` 传递 TCP 数据到 UART 方向 - 预分配静态缓冲池，避免动态分配
## 七、非功能需求 ## 七、非功能需求
1. 满足 `STM32F103RCT6` 的 `256KB Flash / 48KB SRAM` 约束 1. 满足 `STM32F103RCT6` 的 `256KB Flash / 48KB SRAM` 约束，若 RAM 不足可切换 `STM32F103RDT6`（pin-to-pin，64KB SRAM）
2. 工程可在 `MDK-ARM` 下构建 2. 工程可在 `MDK-ARM` 下构建
3. 调试输出统一使用 `SEGGER RTT` 3. 调试输出统一使用 `SEGGER RTT`
4. 不引入 DHCP、DNS、UDP 等当前非目标协议 4. 不引入 DHCP、DNS、UDP 等当前非目标协议