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STM32+W5500实现以太网通信

网友: 文章列表 2024-03-21 18:14:54

STM32+W5500实现以太网通信

STM32系列32位微控制器基于Arm® Cortex®-M处理器，旨在为MCU用户提供新的开发自由度。它包括一系列产品，集高性能、实时功能、数字信号处理、低功耗/低电压操作、连接性等特性于一身，同时还保持了集成度高和易于开发的特点。本例采用STM32作为MCU。

W5500是一款全硬件TCP/IP嵌入式以太网控制器，为嵌入式系统提供了更加简洁的互联网方案。W5500集成了TCP/IP协议栈，10/100M以太网数据链路层(MAC)以及物理层(PHY)。全硬件实现的TCP/IP协议栈支持TCP,UDP,IPv4,ICMP,ARP,IGMP以及PPPoE协议。W5500内嵌32K字节片上缓存以供以太网包处理，用户可以同时使用8个硬件Socket独立通信。W5500使用了高效的SPI协议支持80MHz速率，解决系统通信瓶颈，更好地实现高速网络通信。

文章目录

概念说明

实现原理

嵌入式程序 

底层通用接口

W5500抽象接口

官网例程补充说明

概念说明

  • SPI：Serial Peripheral interface是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线。SPI分为主、从两种模式，一个SPI通讯系统需要包含一个（且只能是一个）主设备，一个或多个从设备。这里STM32为主设备（Master）提供时钟，W5500为从设备（Slave）。SPI接口一般使用四条信号线通信：SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCK（时钟），CS（片选）
    • MISO：主设备输入/从设备输出引脚。该引脚在从模式下发送数据，在主模式下接收数据。
    • MOSI：主设备输出/从设备输入引脚。该引脚在主模式下发送数据，在从模式下接收数据。
    • SCLK：主设备输出/从设备输入引脚。该引脚在主模式下发送数据，在从模式下接收数据。
    • CS/SS：主设备输出/从设备输入引脚。该引脚在主模式下发送数据，在从模式下接收数据。从设备片选信号，由主设备控制。它的功能是用来作为“片选引脚”，也就是选择指定的从设备，让主设备可以单独地与特定从设备通讯，避免数据线上的冲突。
  • TCP/IP协议：TCP/IP协议是Internet互联网最基本的协议，其在一定程度上参考了七层ISO模型。OSI模型共有七层，在TCP/IP协议中，七层被简化为了四个层次。TCP/IP模型中的各种协议，依其功能不同，被分别归属到这四层之中，常被视为是简化过后的七层OSI模型。 W5500实现的部分为红框部分：
  •  Socket：在计算机通信领域，socket 被翻译为“套接字”，它是计算机之间进行通信的一个虚拟通道描述符，一个socket对应着网络通信的一扇门。
  • 网络参数：网络通信需要的参数有很多，我这里介绍一下我们常见的：
    • IP地址：Internet Protocol Address是指互联网协议地址，两台通过IP协议通信的机器通过IP地址寻找对方，子网掩码配合IP地址能得到对端IP地址是在本地子网，还是需要发送至网关进行路由发送至广域网。
    • MAC地址：Media Access Control 地址是制造商为网络硬件 (如无线网卡或以太网网卡)分配的唯一代码。MAC地址作为数据链路设备的地址标识符，ARP协议局域网寻址使用MAC地址。
    • 网络端口号：网络中的计算机是通过IP地址来代表其身份的，它只能表示某台特定的计算机，但是一台计算机上可以同时提供很多服务，比如常见的端口号21表示的是FTP服务。端口号是socket的属性之一。
    • DNS/DHCP/网关：网关作为局域网的一个出口可以将报文转发至广域网中，DNS服务器提供域名解析功能,DHCP服务器提供局域网IP地址管理功能。

 

实现原理

嵌入式程序跑在STM32微控制器，通过片上SPI控制器与W5500进行通信，配置所需网络参数并与远端服务器建立链接（TCP客户端）之后发送接收数据；又或者是建立服务器（TCP服务器）等待建立链接之后收发数据。抑或是不用建立连接直接发送报文（UDP）。PHY信号变压之后通过RJ45接口收发至网线。原理示意图如下：

嵌入式程序 

嵌入式程序分两个部分，第一部分是一些底层通用接口。第二部分W5500抽象供上层调用的接口。

底层通用接口

这部分实现主要包括IO口控制器初始化，以及MCU不同位宽配置芯片接口和Socket批量发送接收数据接口，代码片如下（中文注释帮助您更好的理解实现）：

//IO口控制器初始化
uint8 w55_IoInit(void)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;SPI_InitTypeDef    SPI_InitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd(SPI_CS_RCC|SPI_SCLK_RCC|SPI_SO_RCC|SPI_SI_RCC|W5500_RESET_RCC|LINK_RCC|RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);/*使能AFIO时钟*/RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);   /*只保留SWD模式*/GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_SWJ_JTAGDisable, ENABLE);   RCC_APB1PeriphClockCmd(W5500_SPI_CLK ,ENABLE);GPIO_StructInit(&GPIO_InitStructure);GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   = W5500_RESET_pin;GPIO_Init(W5500_RESET_GPIO, &GPIO_InitStructure);GPIO_StructInit(&GPIO_InitStructure);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =SPI_CS_pin;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(SPI_CS_GPIO, &GPIO_InitStructure);GPIO_SetBits(SPI_CS_GPIO,SPI_CS_pin);GPIO_StructInit(&GPIO_InitStructure);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =SPI_SCLK_pin|SPI_SI_pin|SPI_SO_pin;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(SPI_SCLK_GPIO, &GPIO_InitStructure);GPIO_SetBits(SPI_SCLK_GPIO,SPI_SCLK_pin|SPI_SI_pin|SPI_SO_pin);RCC_APB1PeriphClockCmd(LINK_RCC ,ENABLE);GPIO_StructInit(&GPIO_InitStructure);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = LINK_pin;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode= GPIO_Mode_IPU;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(LINK_GPIO, &GPIO_InitStructure);SPI_InitStructure.SPI_Direction=SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;SPI_InitStructure.SPI_Mode=SPI_Mode_Master;									SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;						SPI_InitStructure.SPI_CPOL=SPI_CPOL_Low;										SPI_InitStructure.SPI_CPHA=SPI_CPHA_1Edge;										SPI_InitStructure.SPI_NSS=SPI_NSS_Soft;											SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler=SPI_BaudRatePrescaler_2;		SPI_InitStructure.SPI_FirstBit=SPI_FirstBit_MSB;							SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial=7;												SPI_Init(W5500_SPI, &SPI_InitStructure); SPI_Cmd(W5500_SPI,ENABLE);return 1;
}//spi发送一个字节
void SPI_Send_Byte(unsigned char dat)
{while (SPI_I2S_GetFlagStatus(W5500_SPI, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET); SPI_I2S_SendData(W5500_SPI, dat);
}
//spi接收一个字节
unsigned char SPI_Recv_Byte(void)
{return (uint8)(SPI_I2S_ReceiveData(W5500_SPI));
}
//spi发送两个字节
void SPI_Send_Short(unsigned short dat)
{SPI_Send_Byte(dat/256);SPI_Send_Byte(dat);	
}
//通过spi向指定地址寄存器写n个字节数据
uint8 w55_WritenByte(uint16 reg, uint8 *dat_ptr, uint16 size)
{unsigned short i;GPIO_ResetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS);	SPI_Send_Short(reg);SPI_Send_Byte(VDM|RWB_WRITE|COMMON_R);for(i=0;i<size;i++){SPI_Send_Byte(*dat_ptr++);}GPIO_SetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS); return 1;
}
//读取W5500指定地址1Byte数据
uint8 w55_Read1Byte(uint16 reg)
{unsigned char i;GPIO_ResetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS);SPI_Send_Short(reg);SPI_Send_Byte(FDM1|RWB_READ|COMMON_R);i=SPI_Recv_Byte();SPI_Send_Byte(0x00);i=SPI_Recv_Byte();GPIO_SetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS);return i;
}
///
//华丽的分割线
///
//单字节配置socket
uint8 w55_WriteSock1Byte(SOCKET s, uint16 reg, uint8 dat)
{GPIO_ResetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS);SPI_Send_Short(reg);SPI_Send_Byte(FDM1|RWB_WRITE|(s*0x20+0x08));SPI_Send_Byte(dat);GPIO_SetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS);return 1;
}
//两字节配置socket
uint8 w55_WriteSock2Byte(SOCKET s, uint16 reg, uint16 dat)
{GPIO_ResetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS);SPI_Send_Short(reg);SPI_Send_Byte(FDM2|RWB_WRITE|(s*0x20+0x08));SPI_Send_Short(dat);GPIO_SetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS);return 1;
}
//四字节配置socket
uint8 w55_WriteSock4Byte(SOCKET s, uint16 reg, uint8 *dat_ptr)
{GPIO_ResetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS);//ÖÃW5500µÄSCSΪµÍµçƽSPI_Send_Short(reg);SPI_Send_Byte(FDM4|RWB_WRITE|(s*0x20+0x08));SPI_Send_Byte(*dat_ptr++);SPI_Send_Byte(*dat_ptr++);SPI_Send_Byte(*dat_ptr++);SPI_Send_Byte(*dat_ptr++);GPIO_SetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS); return 1;
}
//读取Socket1字节信息
uint8 w55_ReadSock1Byte(SOCKET s, uint16 reg)
{unsigned char i;GPIO_ResetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS);SPI_Send_Short(reg);SPI_Send_Byte(FDM1|RWB_READ|(s*0x20+0x08));//i=SPI_I2S_ReceiveData(W5500_SPI);i=SPI_Recv_Byte();SPI_Send_Byte(0x00);//i=SPI_I2S_ReceiveData(W5500_SPI);i=SPI_Recv_Byte();GPIO_SetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS);return i;
}
//读取2字节socket信息
uint16 w55_ReadSock2Byte(SOCKET s, uint16 reg)
{unsigned short i;GPIO_ResetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS);SPI_Send_Short(reg);SPI_Send_Byte(FDM2|RWB_READ|(s*0x20+0x08));i=SPI_Recv_Byte();SPI_Send_Byte(0x00);i=SPI_Recv_Byte();SPI_Send_Byte(0x00);i*=256;i+=SPI_Recv_Byte();GPIO_SetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS);return i;
}

W5500抽象接口

这部分主要实现了芯片以及Socket初始化，模拟中断处理循环函数等，示例使用Socket0实现TCP客户端，您可以在此代码基础上增加配置别的Socket实现TCP服务器以及UDP等。代码片（会有中文注释帮助您更好地理解程序）如下，你会通过这部分代码片体会到C51单片机程序的编程风格（尤其是开始的两个接口）：

//从Socket接收数据缓存区读取数据
uint16 w55_ReadSockToBuffer(SOCKET s, uint8 *dat_ptr)
{unsigned short rx_size;unsigned short offset, offset1;unsigned short i;unsigned char j;rx_size=w55_ReadSock2Byte(s,W5500_Sn_RX_RSR);if(rx_size==0) return 0;//没接收到数据则返回if(rx_size>S_RX_SIZE) rx_size=S_RX_SIZE;		offset=w55_ReadSock2Byte(s,W5500_Sn_RX_RD);offset1=offset;offset&=(S_RX_SIZE-1);//计算实际的物理地址GPIO_ResetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS);SPI_Send_Short(offset);//写16位地址SPI_Send_Byte(VDM|RWB_READ|(s*0x20+0x18));//写控制字节，N字节数据长度，读数据，选择端口j=SPI_Recv_Byte();if((offset+rx_size)<S_RX_SIZE)//如果最大地址未超过w5500接收缓冲区寄存器的最大地址{for(i=0;i<rx_size;i++)//循环读取rx_size个字节数据{SPI_Send_Byte(0x00);//发送一个哑数据j=SPI_Recv_Byte();*dat_ptr=j;dat_ptr++;}}else//如果最大地址超过w5500接收缓冲区寄存器最大地址{offset=S_RX_SIZE-offset;for(i=0;i<offset;i++)//循环读出前offset个字节数据{SPI_Send_Byte(0x00);				j=SPI_Recv_Byte();*dat_ptr=j;dat_ptr++;}GPIO_SetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS); GPIO_ResetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS);SPI_Send_Short(0x00);//写16位地址SPI_Send_Byte(VDM|RWB_READ|(s*0x20+0x18));//写控制字j=SPI_Recv_Byte();for(;i<rx_size;i++)//循环读取后rx_size-offset个字节数据{SPI_Send_Byte(0x00);j=SPI_Recv_Byte();*dat_ptr=j;dat_ptr++;}}GPIO_SetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS); offset1+=rx_size;//更新实际物理地址，即下次读取接收到的数据的起始地址w55_WriteSock2Byte(s, W5500_Sn_RX_RD, offset1);w55_WriteSock1Byte(s, W5500_Sn_CR, RECV);//发送启动接收命令return rx_size;//返回接收到的数据长度
}
//将数据写入W5500的数据发送缓冲区
uint8 w55_WriteSockToBuffer(SOCKET s, uint8 *dat_ptr, uint16 size)
{unsigned short offset,offset1;unsigned short i;offset=w55_ReadSock2Byte(s,W5500_Sn_TX_WR);offset1=offset;offset&=(S_TX_SIZE-1);//计算实际物理地址GPIO_ResetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS);SPI_Send_Short(offset);SPI_Send_Byte(VDM|RWB_WRITE|(s*0x20+0x10));if((offset+size)<S_TX_SIZE)//如果最大地址未超过W5500发送缓冲区寄存器的最大地址{for(i=0;i<size;i++){SPI_Send_Byte(*dat_ptr++);	}}else//如果最大地址超过w5500发送缓冲区寄存器的最大地址{offset=S_TX_SIZE-offset;for(i=0;i<offset;i++){SPI_Send_Byte(*dat_ptr++);}GPIO_SetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS); GPIO_ResetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS);SPI_Send_Short(0x00);SPI_Send_Byte(VDM|RWB_WRITE|(s*0x20+0x10));for(;i<size;i++){SPI_Send_Byte(*dat_ptr++);}}GPIO_SetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS); offset1+=size;//更新实际物理地址，即下次写待发送数据到发送数据缓冲区起始地址w55_WriteSock2Byte(s, W5500_Sn_TX_WR, offset1);w55_WriteSock1Byte(s, W5500_Sn_CR, SEND);//发送启动发送指令			
}
//芯片初始化
uint8 w55_StartUp(void)
{uint8 i;w55_IoInit();w55_HardwareReset();w55_Write1Byte(W5500_MODE,MODE_RST); //软复位delay(1000);//设置网关的IP地址w55_WritenByte(W5500_GAR, s_app_w55_para.u8Gateway, 4);//设置子网掩码值w55_WritenByte(W5500_SUBR,s_app_w55_para.u8SubMask,4);//设置MAC地址w55_WritenByte(W5500_SHAR,s_app_w55_para.u8MacAddr,6);		//设置w5500的IP地址w55_WritenByte(W5500_SIPR,s_app_w55_para.u8LocalIp,4);	//设置发送缓冲区以及接收缓冲区大小for(i=0;i<8;i++){w55_WriteSock1Byte(i,W5500_Sn_RXBUF_SIZE, 0x02);//Socket Rx memory size=2kw55_WriteSock1Byte(i,W5500_Sn_TXBUF_SIZE, 0x02);//Socket Tx mempry size=2k }	//设置重连时间为200msw55_Write2Byte(W5500_RTR, 0x07d0);	//设置重连次数为8次w55_Write1Byte(W5500_RCR,8);w55_Write1Byte(W5500_IMR,IM_IR7|IM_IR6);w55_WriteSock1Byte(W55_SOCKETSERVER,W5500_Sn_IMR,(IMR_SENDOK|IMR_TIMEOUT|IMR_RECV|IMR_DISCON|IMR_CON));w55_WriteSock1Byte(W55_SOCKETCLIENT,W5500_Sn_IMR,(IMR_SENDOK|IMR_TIMEOUT|IMR_RECV|IMR_DISCON|IMR_CON));w55_WriteSock1Byte(W55_SOCKETUDP,W5500_Sn_IMR,(IMR_SENDOK|IMR_TIMEOUT|IMR_RECV|IMR_DISCON|IMR_CON));w55_WriteSock1Byte(W55_SOCKETLISTEN,W5500_Sn_IMR,(IMR_SENDOK|IMR_TIMEOUT|IMR_RECV|IMR_DISCON|IMR_CON));
}//Socket初始化
uint8 w55_SocketInit(SOCKET s)
{switch(s)			{case 0:		//将socket0用作Tcp客户端w55_WriteSock2Byte(s, W5500_Sn_MSSR, 1460);//设置最大字节分片数//设置源端口号w55_WriteSock2Byte(s, W5500_Sn_PORT, s_app_w55_para.u16UpPort);//设置目标（远程）端口号w55_WriteSock2Byte(1, W5500_Sn_DPORTR, s_app_w55_para.u16UpPort);//设置目标（远程）IP地址w55_WriteSock4Byte(s, W5500_Sn_DIPR, s_app_w55_para.u8UpIp);				break;case 4:break;case 5:break;case 6:break;case 7:break;default:break;}
}//Tcp客户端连接
uint8 u8_app_w55_SocketConnect(SOCKET s)
{u8_drv_w55_WriteSock1Byte(s,W5500_Sn_MR,MR_TCP);u8_drv_w55_WriteSock1Byte(s,W5500_Sn_CR,OPEN);//打开Socketdelay(5);//ÑÓʱ5msif(u8_drv_w55_ReadSock1Byte(s,W5500_Sn_SR)!=SOCK_INIT){u8_drv_w55_WriteSock1Byte(s,W5500_Sn_CR,CLOSE);return FALSE;//·µ»ØFALSE(0x00)}u8_drv_w55_WriteSock1Byte(s,W5500_Sn_CR,CONNECT);//设置Socket尝试连接return TRUE;
}	//循环模拟中断处理函数
uint8 w55_InterruptProcess(void)
{uint8 i,j;uint8 u8Data[50];uint16 u16Length;uint16 k;while(1){//读取当前中断标志i = w55_Read1Byte(W5500_IR);//清除中断标志																w55_Write1Byte(W5500_IR, (i&0xf0));												if((i & IR_CONFLICT) == IR_CONFLICT)															{//IP冲突处理代码添加return 0;}if((i & IR_UNREACH) == IR_UNREACH)															{//报文无法到达return 0;}i=w55_Read1Byte(W5500_SIR);																if((i & S1_INT) == S1_INT)	//Socket1用作TCP客户端																			{//读取socket1中断标志j=w55_ReadSock1Byte(W55_SOCKETCLIENT,W5500_Sn_IR);	//清除socket1中断标志			w55_WriteSock1Byte(W55_SOCKETCLIENT,W5500_Sn_IR,j);			if(j&IR_CON)//TCP客户端模式下，成功建立连接																										{//一般添加发送设备信息}if(j&IR_DISCON)	//TCP模式下socket断开连接处理																						{w55_WriteSock1Byte(W55_SOCKETCLIENT,W5500_Sn_CR,CLOSE);//关闭w55_SocketInit(W55_SOCKETCLIENT);//	初始化TCP客户端socket										w55_SocketConnect(W55_SOCKETCLIENT);//尝试建立连接}if(j&IR_SEND_OK)	//数据包发送成功{//添加发送成功相关代码}if(j&IR_RECV)		//数据包接收																								{			memset(w55_DataTmpRC,'\\0',sizeof(MAX_CIRCBUFF_SIZE_1+10));			u16Length = w55_ReadSockToBuffer(W55_SOCKETCLIENT,w55_DataTmpRC);				//通知处理接收数据}if(j&IR_TIMEOUT)//Socket连接或数据传输超时处理																								{w55_WriteSock1Byte(W55_SOCKETCLIENT,W5500_Sn_CR,CLOSE);//关闭w55_SocketInit(W55_SOCKETCLIENT);//初始化											w55_SocketConnect(W55_SOCKETCLIENT);	//重连						}}w55_WriteSockToBuffer(7,u8test1,2);if(w55_Read1Byte(W5500_SIR) != 0) {continue;}else{break;}}
}

官网例程补充说明

W5500官网提供了包括开发板，原理图，以及参考代码和常见问题与技术服务等。参考代码又针对STM32，DSP，C8051以及基于操作系统分别提供了作为TCP客户端/服务器，UDP收发等例程。下面我们对STM32F407+W5500例程中的W5500作为TCP客户端工程进行简单的分析，具体代码可以去官网下载，我这边就不贴了。

工程中包含了DHCP/DNS客户端的实现代码，示例中并没有使用，我也就不详述了，有兴趣的可以去看看。W5500.c包含了主要的驱动实现，包含所有寄存器的定义以及用以上层调用的初始化，建立连接，发送接收等接口。考虑到MCU可能不通过SPI控制器与W5500进行通信，W5500.c实现了注册平台提供的MCU与W5500直接数据交互的函数。下面是示例工程的流程图：

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