以太网与 LwIP 协议栈在 MCU 上的移植
以太网与 LwIP 协议栈在 MCU 上的移植
嵌入式设备接入以太网，早已不是工控机和高端网关的专利。如今一颗几十块钱的 Cortex-M4，配上 RMII 接口的 PHY 芯片，就能让设备拥有标准 TCP/IP 通信能力。而谈到 MCU 上的以太网软件栈，LwIP（Lightweight IP）几乎是绕不开的选择。
本文以 STM32F4/F7 + LAN8720 这类主流组合为例，讲清楚 LwIP 移植的完整思路、关键配置和常见坑。
一、为什么是 LwIP
LwIP 是为嵌入式场景设计的轻量级 TCP/IP 协议栈，它的两个特性非常适合 MCU：
- 内存占用可控：所有协议结构体都通过内存池（memp）和内存堆（mem）管理，可用
lwipopts.h精细裁剪。 - 无需操作系统也能跑：支持裸机轮询模式，也支持 RTOS 下的专用任务/线程模式。
相比 uIP，LwIP 功能完整得多（完整的 TCP、UDP、IP、ICMP、DHCP、DNS），但代码量又远小于 BSD 栈，是资源受限设备接入以太网的黄金选择。
二、移植前的硬件准备
一个典型的以太网方案由三部分组成：
| 模块 | 作用 | 示例 |
|---|---|---|
| MCU 外设 | 提供 MAC 控制器 | STM32F407/F767 的 ETH 模块 |
| PHY 芯片 | 物理层收发 | LAN8720、DP83848 |
| 接口总线 | MAC 与 PHY 连接 | RMII 或 MII |
RMII 只用了 9 根信号线（相比 MII 的 16 根），引脚少、布线简单，是 STM32 系列最常用的选择。需要外接 50MHz 时钟源。
三、CubeMX 配置要点
以 STM32F407 + LAN8720 RMII 为例，关键配置如下：
- 使能 ETH 外设，接口选择 RMII；
- 配置 PHY 地址，LAN8720 默认地址为 0（需查硬件原理图，有的板子用 1）；
- 使能
LWIP中间件（CubeMX 已集成，无需自己下载）； - 网卡缓冲区大小根据应用调整，默认
ETH_RX_BUF_SIZE = 1524够用； - 若用 DHCP，勾选
LWIP_DHCP。
生成代码后，最核心的适配点在 ethernetif.c 的 low_level_init() 和 low_level_output()/low_level_input() 三个函数，这是 LwIP 与 STM32 HAL 库之间的”胶水层”。
/* low_level_init 中初始化 MAC 与 PHY */
static void low_level_init(struct netif *netif)
{
uint8_t macaddr[6] = {0x00, 0x80, 0xE1, 0x00, 0x00, 0x01};
netif->hwaddr_len = ETHARP_HWADDR_LEN;
netif->hwaddr[0] = macaddr[0];
netif->hwaddr[1] = macaddr[1];
netif->hwaddr[2] = macaddr[2];
netif->hwaddr[3] = macaddr[3];
netif->hwaddr[4] = macaddr[4];
netif->hwaddr[5] = macaddr[5];
netif->mtu = 1500;
netif->flags = NETIF_FLAG_BROADCAST | NETIF_FLAG_ETHARP | NETIF_FLAG_LINK_UP;
HAL_ETH_Start(&heth);
HAL_ETH_Start_IT(&heth);
}
MAC 地址一定不能是随机的 FF:FF:FF:FF:FF:FF，也不能多台设备冲突，否则链路层就乱了。
四、裸机模式 vs RTOS 模式
CubeMX 默认生成的工程会提供一个 MX_LWIP_Process() 函数，需要在主循环或某个任务里周期调用：
/* 裸机：主循环里轮询 */
while (1) {
MX_LWIP_Process();
}
/* RTOS（FreeRTOS）：放到一个独立任务 */
void LwIP_task(void *arg) {
for (;;) {
MX_LWIP_Process();
osDelay(10);
}
}
这一点是最容易忽略的：不调用 MX_LWIP_Process()，协议栈根本不会处理任何收发的数据包，现象就是 ping 得通但 TCP 连接建立不起来，或者 UDP 完全没反应。
五、lwipopts.h 裁剪：内存与性能的平衡
lwipopts.h 是 LwIP 的”性能旋钮”，几个关键参数直接影响可用性：
#define MEM_SIZE (16 * 1024) /* 内存堆，跑多 socket 需加大 */
#define MEMP_NUM_TCP_SEG 16 /* TCP 段数量 */
#define TCP_SND_BUF (4 * 1024) /* TCP 发送缓冲区 */
#define TCP_WND (4 * 1024) /* TCP 接收窗口 */
#define MEMP_NUM_NETBUF 8 /* 网络缓冲区 */
#define LWIP_SOCKET 1 /* 启用 BSD socket API */
内存给小了，压力测试时容易出现 mem_malloc 失败、TCP 连接被复位。给大了又浪费 MCU 宝贵的 SRAM。经验是：先用默认值跑通，再根据实际吞吐逐步调优，不要一上来就盲目加内存。
六、常见坑与排查思路
- ping 不通：先查 PHY 链路状态（
ETH_ReadPHYRegister读 BSR 寄存器），确认网线、PHY 地址、50MHz 时钟都对。 - 能 ping 但 TCP 建链慢/失败：几乎都是忘了周期调用
MX_LWIP_Process()，或任务优先级过低被饿死。 - 大量数据收发掉包：加大
ETH_RX_BUF_SIZE、MEMP_NUM_NETBUF、MEMP_NUM_TCP_SEG，并确认以太网中断优先级合理。 - IP 重复导致网络冲突：DHCP 未成功时回退的静态 IP 可能和局域网内其他设备冲突。
总结
把 LwIP 跑起来，本质上是理解四件事：硬件链路（RMII/PHY）→ 胶水层（ethernetif.c）→ 协议栈调度（MX_LWIP_Process）→ 内存裁剪（lwipopts.h）。这四环任何一环出问题，表现都各不相同，排查时要顺着这条链逐段定位。
跑通之后，一个 MCU 就真正从”单片机”变成了”网络设备”——无论是做 Modbus-TCP 网关、MQTT 节点，还是简单的内置 Web 配置页，都建立在这个基础之上。