TCP2UART/项目技术实现.md

# TCP2UART 项目技术实现

## 一、文档目的

本文档描述 `TCP2UART` 项目基于 `STM32F103RCT6 + FreeRTOS` 的最终内部实现口径。

本文档只围绕最终协议模型展开：

- `MUX`：串口承载层
- `NET`：全局网络配置层
- `LINK[idx]`：实例配置与连接管理层

不再保留历史 `S1... / C1...` 外部字段模型。

## 二、当前工程基础

当前工程基础约束如下：

1. MCU：`STM32F103RCT6`（256KB Flash / 48KB SRAM）
2. 网络芯片：`CH390D`
3. 软件架构：`FreeRTOS + lwIP NO_SYS=0`
4. 协议栈：`lwIP socket/netconn API`
5. 调试输出：`SEGGER RTT`
6. 使用 `FreeRTOS` 任务调度
7. 不实现 DHCP

## 三、总体架构

```text
+--------------------------------------------------+
| AT / Control Plane                               |
| USART1 AT parser + MUX control frame parser      |
+--------------------------------------------------+
| Configuration Model                              |
| MUX / NET / LINK[idx]                            |
+--------------------------------------------------+
| FreeRTOS Tasks                                   |
| NetworkTask / UartTask / ConfigTask / RouteTask  |
+--------------------------------------------------+
| Inter-Task Communication                         |
| Queue / Semaphore / Mutex / StreamBuffer         |
+--------------------------------------------------+
| lwIP TCP/IP Stack (NO_SYS=0)                     |
| tcpip_thread + socket/netconn + sys_arch         |
+--------------------------------------------------+
| Driver Layer                                     |
| CH390 / lwIP netif / UART DMA+IDLE / HAL         |
+--------------------------------------------------+
```

## 四、FreeRTOS 任务设计

### 4.1 任务列表

| 任务名 | 优先级 | 栈大小 | 周期 | 职责 |
|--------|--------|--------|------|------|
| `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

```text
UART ISR --[Semaphore]--> UartTask --[Queue]--> RouteTask --[Queue]--> NetworkTask
                                                                   |
ConfigTask <--[Queue]-- RouteTask <--[Queue]-- NetworkTask <--------+
                    |
                    +--> UART TX (Direct DMA send)
```

具体通信对象：

| 对象 | 类型 | 生产者 | 消费者 | 用途 |
|------|------|--------|--------|------|
| `xUartRxQueue` | Queue (64 items) | UartTask | RouteTask | UART 接收帧传递 |
| `xTcpRxQueue` | Queue (32 items) | NetworkTask | RouteTask | TCP 接收数据传递 |
| `xConfigQueue` | Queue (16 items) | RouteTask | ConfigTask | AT 命令文本传递 |
| `xCh390Semaphore` | Binary Semaphore | EXTI0 ISR | NetworkTask | CH390 中断通知 |
| `xSpiMutex` | Mutex | NetworkTask | 多任务 | SPI/CH390 访问保护 |
| `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

```c
void NetworkTask(void *argument)
{
    /* 初始化 CH390 + lwIP netif */
    /* 创建 TCP Server/Client 实例 */
    for (;;) {
        /* 等待 CH390 中断信号量 */
        xSemaphoreTake(xCh390Semaphore, pdMS_TO_TICKS(10));
        /* 处理 CH390 事件 */
        ethernetif_poll();
        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

```c
void UartTask(void *argument)
{
    for (;;) {
        /* 等待 UART IDLE 中断通知 */
        ulTaskNotifyTake(pdTRUE, pdMS_TO_TICKS(10));
        /* 处理 UART2/UART3 DMA 接收数据 */
        /* MUX=0: 直接投递到路由队列 */
        /* MUX=1: 提取 MUX 帧，分流控制帧与数据帧 */
        /* 检查 StreamBuffer，发送 UART TX 数据 */
    }
}
```

### 4.5 ConfigTask 实现方向

```c
void ConfigTask(void *argument)
{
    for (;;) {
        /* 从配置队列接收 AT 命令文本 */
        xQueueReceive(xConfigQueue, &cmd, portMAX_DELAY);
        /* 解析并执行 AT 命令 */
        config_process_at_cmd(cmd);
        /* 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

### 5.1 MUX 帧承载层

数据口启用 MUX 后，统一处理如下帧：

```text
SYNC | LEN_H | LEN_L | SRCID | DSTMASK | PAYLOAD | TAIL
```

实现职责：

1. 识别帧边界
2. 解析长度字段
3. 提取 `SRCID`
4. 解析 `DSTMASK`
5. 按控制帧或数据帧分流

### 5.2 控制帧与数据帧分离

控制规则固定如下：

- `DSTMASK = 0x00`：系统控制帧
- `DSTMASK != 0x00`：业务数据帧

系统控制帧处理要求：

1. `PAYLOAD` 解释为 AT 文本
2. AT 文本必须以 `\r\n` 结束
3. 控制帧投递到 `ConfigTask`

业务数据帧处理要求：

1. `SRCID` 表示单一源端点
2. `DSTMASK` 表示目标端点集合
3. `RouteTask` 根据 `DSTMASK` 做多目标分发

### 5.3 统一端点编码

内部与外部文档统一使用以下端点编码：

| 端点 | 编码 |
|------|------|
| `C1` | `0x01` |
| `C2` | `0x02` |
| `UART2` | `0x04` |
| `UART3` | `0x08` |
| `S1` | `0x10` |
| `S2` | `0x20` |

实现要求：

- `SRCID` 为单值
- `DSTMASK` 为位图
- `DSTMASK=0x00` 仅保留为控制帧

## 六、配置层设计

### 6.1 MUX 记录

`MUX` 为全局记录，仅控制设备数据口是否进入 MUX 承载模式。

取值：

- `0`：普通透传
- `1`：MUX 透传

### 6.2 NET 记录

`NET` 为全局静态网络记录：

```text
IP,MASK,GW,MAC
```

说明：

- 设备只有一张网卡，因此不为每个实例单独配置本地 IP
- 当前实现目标中不包含 DHCP

### 6.3 LINK 记录

`LINK[idx]` 为统一实例记录：

```text
EN,LPORT,RIP,RPORT,UART
```

固定索引映射：

- `0 = S1`
- `1 = S2`
- `2 = C1`
- `3 = C2`

字段职责：

- `EN`：实例启用状态
- `LPORT`：本地端口
- `RIP / RPORT`：对端地址与端口
- `UART`：对应业务数据口

说明：

- `Server` 与 `Client` 共享同一记录结构
- `Server` 的 `RIP / RPORT` 可作为对端约束或预设
- `Client` 的 `RIP / RPORT` 表示远端目标

## 七、模块职责

### 7.1 配置模块 `config.c/.h`

最终职责：

1. 解析 `AT+MUX`
2. 解析 `AT+NET`
3. 解析 `AT+LINK`
4. 加载与保存配置
5. 处理 `SAVE / RESET / DEFAULT`

### 7.2 UART 透传模块 `uart_trans.c/.h`

最终职责：

1. 保持 `USART2 / USART3` 的 `DMA + IDLE` 接收发送基线
2. 在 `MUX=0` 时执行普通透传
3. 在 `MUX=1` 时执行 MUX 帧收发
4. 将控制帧与业务数据帧分流

### 7.3 TCP Server / Client 模块

最终职责：

1. 不再从外部协议角度区分不同字段模型
2. 统一受 `LINK[idx]` 配置驱动
3. 由调度层决定实例与 UART 的数据交换路径

### 7.4 FreeRTOS 初始化 `freertos.c`

CubeMX 生成的 FreeRTOS 初始化文件，职责：

1. 定义默认任务 `StartDefaultTask`
2. 用户在 `MX_FREERTOS_Init` 中创建自定义任务

### 7.5 FreeRTOS 配置 `FreeRTOSConfig.h`

关键配置项：

| 配置项 | 值 | 说明 |
|--------|-----|------|
| `configUSE_PREEMPTION` | 1 | 抢占式调度 |
| `configTICK_RATE_HZ` | 1000 | 1ms tick |
| `configMINIMAL_STACK_SIZE` | 128 | 最小栈（words） |
| `configTOTAL_HEAP_SIZE` | 10240 | FreeRTOS 堆大小 |
| `configMAX_PRIORITIES` | 7 | 最大优先级数 |
| `configUSE_MUTEXES` | 1 | 启用互斥锁 |
| `configUSE_COUNTING_SEMAPHORES` | 1 | 启用计数信号量 |
| `configUSE_RECURSIVE_MUTEXES` | 1 | 启用递归互斥锁 |
| `configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW` | 2 | 栈溢出检测方式 2 |
| `configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK` | 1 | 内存分配失败钩子 |
| `configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION` | 1 | 动态内存分配 |

## 八、lwIP 配置方向

### 8.1 lwIP 线程模型

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
2. 应用任务通过 `netconn` / `socket` API 与 lwIP 交互

### 8.2 lwIP 内存配置建议

| 配置项 | 建议值 | 说明 |
|--------|--------|------|
| `MEM_SIZE` | 8192 | lwIP 堆大小 |
| `MEMP_NUM_NETCONN` | 6 | netconn 连接数 |
| `MEMP_NUM_TCP_PCB` | 6 | TCP 控制块数 |
| `PBUF_POOL_SIZE` | 8 | pbuf 池大小 |
| `PBUF_POOL_BUFSIZE` | 1524 | pbuf 缓冲大小 |
| `TCP_WND` | 2048 | TCP 窗口大小 |
| `TCP_MSS` | 1460 | TCP 最大段大小 |

### 8.3 sys_arch 移植层

`Drivers/LwIP/port/sys_arch.c` 提供 lwIP 到 FreeRTOS 的适配：

1. `sys_thread_new`：创建 lwIP 线程
2. `sys_mbox_*`：消息邮箱（基于 FreeRTOS Queue）
3. `sys_sem_*`：信号量（基于 FreeRTOS Semaphore）
4. `sys_mutex_*`：互斥锁（基于 FreeRTOS Mutex）
5. `sys_arch_protect / unprotect`：临界区保护

## 九、中断与 HAL 时间基准

### 9.1 HAL 时间基准

FreeRTOS 下 `SysTick` 被 FreeRTOS 占用，HAL 时间基准改用 `TIM4`：

- `TIM4` 配置为 1ms 中断（72MHz / (71+1) / (999+1) = 1kHz）
- `HAL_InitTick` 使用 `TIM4` 而非 `SysTick`
- `uwTick` 在 `TIM4_IRQHandler` 中递增

### 9.2 中断优先级规划

| 中断 | 优先级 | 说明 |
|------|--------|------|
| `SysTick` | 15（最低） | FreeRTOS tick |
| `PendSV` | 15（最低） | FreeRTOS 上下文切换 |
| `SVCall` | 0 | FreeRTOS 服务调用 |
| `TIM4` | 0 | HAL 时间基准 |
| `EXTI0` | 5 | CH390 中断 |
| `DMA1_Ch2~7` | 5 | UART DMA |
| `USART1/2/3` | 5 | UART 中断 |
| `SPI1` | 5 | SPI 中断 |

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

以 `STM32F103RCT6` 为目标（48KB SRAM）：

### 10.1 RAM 预算

| 项目 | 建议值 | 说明 |
|------|--------|------|
| 启动栈 (MSP) | 2 KB | startup_stm32f103xe.s 中定义 |
| FreeRTOS 堆 | 10 KB | heap_4.c 管理 |
| 任务栈合计 | ~6 KB | 5 个任务 |
| lwIP 堆 | 8 KB | MEM_SIZE |
| UART 缓冲 | 4 KB | RX/TX DMA 缓冲 |
| Queue/StreamBuffer | 4 KB | 任务间通信 |
| 参数/状态 | 2 KB | 配置结构 |
| 空闲栈 | 1 KB | 系统预留 |
| **合计** | ~37 KB | 预留约 11 KB 余量 |

### 10.2 Flash 预算

| 项目 | 估计值 | 说明 |
|------|--------|------|
| FreeRTOS 内核 | ~8 KB | 含 CMSIS-RTOS V2 |
| HAL 驱动 | ~20 KB | GPIO/UART/SPI/DMA/IWDG/TIM |
| lwIP 协议栈 | ~40 KB | core + api + ipv4 + netif |
| CH390 驱动 | ~4 KB | |
| 应用代码 | ~20 KB | config/uart_trans/tcp/route |
| **合计** | ~92 KB | 预留约 164 KB 余量 |

## 十一、硬件资源

### 11.1 MCU

- 型号：`STM32F103RCT6`
- Flash：`256 KB`
- SRAM：`48 KB`
- 主频：`72 MHz`

### 11.2 主要外设

- `SPI1`：连接 `CH390D`
- `USART1`：配置串口
- `USART2`：数据透传串口
- `USART3`：数据透传串口
- `DMA1`：3 路 UART 收发 DMA
- `EXTI0`：CH390 中断输入
- `IWDG`：独立看门狗
- `TIM4`：HAL 时间基准（替代 SysTick）

### 11.3 引脚分配

| 引脚 | 功能 | 用途 |
|------|------|------|
| PA2 | USART2_TX | 数据透传串口 |
| PA3 | USART2_RX | 数据透传串口 |
| PA4 | SPI1_NSS | CH390D 片选 |
| PA5 | SPI1_SCK | CH390D SPI 时钟 |
| PA6 | SPI1_MISO | CH390D SPI 数据输入 |
| PA7 | SPI1_MOSI | CH390D SPI 数据输出 |
| PA9 | USART1_TX | 配置串口 |
| PA10 | USART1_RX | 配置串口 |
| PB0 | EXTI0 | CH390D INT |
| PB1 | GPIO_Output | CH390D RESET |
| PB10 | USART3_TX | 数据透传串口 |
| PB11 | USART3_RX | 数据透传串口 |
| PC13 | GPIO_Output | 状态 LED |
| PD0/PD1 | HSE | 8MHz 外部晶振 |

## 十二、实现边界

1. 保持单网卡静态网络模型
2. 不实现 DHCP
3. 不实现旧 `S1... / C1...` 外部协议字段
4. 不在文档中保留兼容层描述
5. 所有 AT 文本控制统一要求 `\r\n` 结束
6. FreeRTOS 堆管理使用 `heap_4.c`
7. HAL 时间基准使用 `TIM4` 而非 `SysTick`

## 十三、文档一致性要求

后续实现、联调、测试与代码注释必须遵守以下统一口径：

1. 对外协议只使用 `MUX / NET / LINK`
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`
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