STM32提高篇: 以太网通讯

一.以太网通讯介绍

以太网（Ethernet）是一种计算机局域网技术。IEEE组织的IEEE 802.3标准制定了以太网的技术标准，它规定了包括物理层的连线、电子信号和介质访问控制的内容。以太网是目前应用最普遍的局域网技术，取代了其他局域网标准如令牌环、FDDI和ARCNET。
以太网的标准拓扑结构为总线型拓扑，但目前的快速以太网（100BASE-T、1000BASE-T标准）为了减少冲突，将能提高的网络速度和使用效率最大化，使用交换机（Switch hub）来进行网络连接和组织。如此一来，以太网的拓扑结构就成了星型；但在逻辑上，以太网仍然使用总线型拓扑和CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，即载波多重存取/碰撞侦测）的总线技术。
经过长期的发展，以太网已成为应用最为广泛的局域网，包括标准以太网（10 Mbit/s）、快速以太网（100 Mbit/s）、千兆以太网（1000 Mbit/s）和万兆以太网（10 Gbit/s）等。IEEE 802.3规范则是基于以太网的标准制定的，并与以太网标准相互兼容。

二.W5500芯片介绍

要进行通讯，需要相应的硬件支持，在嵌入式应用领域，应用最广泛的一个以太网芯片就是W5500，素有以太之王的称号。
是韩国半导体公司WIZnet提供的一款高性价比的以太网芯片。其全球独一无二的全硬件TCPIP协议栈专利技术，解决了嵌入式以太网的接入问题，简单易用，安全稳定，是物联网设备的首选解决方案。
W5500 集成了 TCP/IP 协议栈，10/100M 以太网数据链路层（MAC）及物理层（PHY），使得用户使用单芯片就能够在他们的应用中拓展网络连接。
久经市场考验的WIZnet全硬件 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。 如果你使用 W5500，你只需要一些简单的Socket编程就能实现以太网应用。这将会比其他嵌入式以太网方案更加快捷、简便。
用户可以同时使用8个硬件Socket独立通讯。 W5500 提供了SPI（外设串行接口）从而能够更加容易与外设 MCU 整合。而且，W5500的使用了新的高效SPI协议支持80MHz 速率，从而能够更好的实现高速网络通讯。为了减少系统能耗，W5500提供了网络唤醒模式（WOL）及掉电模式供客户选择使用。

1.W5500芯片特点

（1）支持硬件TCP/IP协议：TCP，UDP，ICMP，IPv4，ARP，IGMP，PPPoE。
（2）支持8个独立端口（Socket）同时通讯。
（3）支持掉电模式。
（4）支持网络唤醒。
（5）支持高速串行外设接口（SPI模式 0，3）。
（6）内部32K字节收发缓存。
（7）内嵌10BaseT/100BaseTX 以太网物理层（PHY）。
（8）支持自动协商（10/100-Based 全双工/半双工）。
（9）不支持 IP 分片。
（10）3.3V工作电压，I/O 信号口5V耐压。
（11）LED状态显示（全双工/半双工，网络连接，网络速度，活动状态）。
（12）LQFP48无铅封装（7x7mm，间距 0.5mm）

2.W5500应用目标

W5500适合于以下嵌入式应用：
（1）家庭网络设备：机顶盒、个人录像机、数码媒体适配器。
（2）串行转以太网：门禁控制、LED 显示屏、无线 AP 继电器等。
（3）并行转以太网：POS/微型打印机、复印机。
（4）USB 转以太网：存储设备、网络打印机。
（5）GPIO 转以太网：家庭网络传感器。
（6）安全系统：数字录像机、网络摄像机、信息亭。
（7）工厂和楼宇自动化控制系统。
（8）医疗监测设备。
（9）嵌入式服务器。

3.接入框图

三.驱动移植

注册函数：

void user_register_function(void)
{/* 注册片选函数 */reg_wizchip_cs_cbfunc(wizchip_cs_select, wizchip_cs_deselect);/* 注册spi读写的函数 */reg_wizchip_spi_cbfunc(wizchip_spi_readbyte, wizchip_spi_writebyte);/* 注册临界区函数  (有实时操作系统的时候才会用到) */reg_wizchip_cris_cbfunc(wizchip_cris_enter, wizchip_cris_exit);
}

复位和设置初始地址：

static void App_Eth_RST(void)
{RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPGEN;/* pg7:  推挽输出  mode=11 cnf=00 */GPIOG->CRL |= GPIO_CRL_MODE7;GPIOG->CRL &= ~GPIO_CRL_CNF7;/* RST引脚拉低不低于500us */GPIOG->ODR &= ~GPIO_ODR_ODR7;Delay_ms(1);GPIOG->ODR |= GPIO_ODR_ODR7;Delay_ms(100);
}uint8_t ip[]  = {192, 168, 32, 223};
uint8_t ga[]  = {192, 168, 32, 1};
uint8_t sub[] = {255, 255, 255, 0};
uint8_t mac[] = {110, 120, 13, 140, 150, 160};
void    App_Eth_Init(void)
{/* 初始化spi驱动 */Driver_SPI_Init();/* 软重启芯片 */App_Eth_RST();/* 注册函数 */user_register_function();/* 设置ip地址相关 *//* ip地址 */setSIPR(ip);/* mac地址 */setSHAR(mac);/* 子网掩码 */setSUBR(sub);/*  设置网关 */setGAR(ga);printf("ip地址设置完成\r\n");
}

数据导通：

四.tcp通讯

使用TCP协议：
面向连接的通信协议，通过三次握手建立连接，通讯完成时要拆除连接，由于TCP时面向连接的所以只能用端到端的通讯。

启动TCP服务器：
单片机作为服务器，使用本地电脑连接，成功则打印串口数据。

#define SN 0 /* socket 的编号 */
#define CLIENT 0
#define SERVER 1
uint8_t connected = 0;
uint8_t self = SERVER;
/* 启动一个TCP的服务器 */
void App_Tcp_ServerStart(void)
{self = SERVER;uint8_t status = getSn_SR(SN);// printf("%#x\r\n", status);if(status == SOCK_CLOSED) /* 表示socket已经关闭了 */{uint8_t r = socket(SN, Sn_MR_TCP, 8888, SF_TCP_NODELAY);if(r == SN){printf("socket 0打开成功\r\n");}else{printf("socket 0打开失败 %d\r\n", r);}connected = 0;}else if(status == SOCK_INIT) /* 表示socket的已经打开, 并处于tcp模式 */{/* 监听客户端的连接 */uint8_t r = listen(SN);if(r == SOCK_OK){printf("socket 0监听成功\r\n");}else{printf("socket 0监听失败 %d\r\n", r);}connected = 0;}else if(status == SOCK_CLOSE_WAIT){printf("失去与客户端的连接\r\n");close(SN);}
}

打印成功：

TCP协议接收数据：

uint8_t  clientIp[4];
uint16_t clientPort;
/* 接收tcp协议传输的数据 */
void App_Tcp_ReceiveData(uint8_t data[], uint16_t *dataLen)
{uint8_t status = getSn_SR(SN);// printf("%#x\r\n", status);if(status == SOCK_ESTABLISHED) /* 表示客户端已经连接成功服务器 */{if(connected == 0 && self == SERVER){/* 获取对方的ip地址和端口号 */getSn_DIPR(SN, clientIp);clientPort = getSn_DPORT(SN);printf("客户端连接建立成功:ip =  %d.%d.%d.%d, port = %d\r\n",clientIp[0],clientIp[1],clientIp[2],clientIp[3],clientPort);connected = 1;}if(getSn_IR(SN) & Sn_IR_RECV) /* 收到tcp数据 */{setSn_IR(SN, Sn_IR_RECV); /* 写1清除 *//* 收到的数据长度 */*dataLen = getSn_RX_RSR(SN);recv(SN, data, *dataLen); /* 接收数据 */}}
}

启动TCP客户端：
单片机作为客户端连接电脑端服务器。

/* 启动一个客户端 */
uint8_t  serverIp[4] = {192, 168, 32, 228}; /* 服务端的ip地址: (电脑的ip地址) */
uint16_t serverPort  = 9999;
void     App_Tcp_ClientStart(void)
{self = CLIENT;uint8_t status = getSn_SR(SN);if(status == SOCK_CLOSED) /* 表示socket已经关闭了 */{uint8_t r = socket(SN, Sn_MR_TCP, 8888, SF_TCP_NODELAY);if(r == SN){printf("socket 0打开成功\r\n");}else{printf("socket 0打开失败 %d\r\n", r);}connected = 0;}else if(status == SOCK_INIT) /* 表示socket的已经打开, 并处于tcp模式 */{/* 客户端需要主动区连接tcp服务器 */int8_t r = connect(SN, serverIp, serverPort);if(r == SOCK_OK){printf("客户端连接服务器成功\r\n");App_Tcp_SendData("hello, this stm32 tcp client!", 29);}else{printf("客户端连接服务器失败 %d\r\n", r);}connected = 0;}else if(status == SOCK_CLOSE_WAIT){printf("失去与服务端的连接\r\n");close(SN);}
}

TCP协议发送数据：

void App_Tcp_SendData(uint8_t data[], uint16_t dataLen)
{if(dataLen == 0) return;uint8_t status = getSn_SR(SN);if(status == SOCK_ESTABLISHED){send(SN, data, dataLen);}
}

五.udp通讯

使用UDP协议：
面向无连接的通信协议，UDP数据包括目的端口号和源端口号信息，由于通讯不需要连接，所以可以实现广播发送。不需要接收方确认，属于不可靠传输，可能丢包实际使用要求程序员编程验证。
发送数据：

void App_UDP_SendData(uint8_t data[], uint16_t dataLen, uint8_t *sIp, uint16_t sPort)
{uint8_t status = getSn_SR(SN);if(status == SOCK_CLOSED) /* 表示socket已经关闭了 */{uint8_t r = socket(SN, Sn_MR_UDP, 8888, 0);if(r == SN){printf("socket 0打开成功\r\n");}else{printf("socket 0打开失败 %d\r\n", r);}}else if(status == SOCK_UDP){/* 发送数据 */int32_t r = sendto(SN, data, dataLen, sIp, sPort);printf("发送完毕.... %d\r\n", r);}
}

接收数据：

void App_UDP_ReceiveData(uint8_t data[], uint16_t *dataLen, uint8_t *rIp, uint16_t *rPort)
{memset(data, 0, strlen(data));*dataLen = 0;uint8_t status = getSn_SR(SN);if(status == SOCK_CLOSED) /* 表示socket已经关闭了 */{uint8_t r = socket(SN, Sn_MR_UDP, 8888, 0);if(r == SN){printf("socket 0打开成功\r\n");}else{printf("socket 0打开失败 %d\r\n", r);}}else if(status == SOCK_UDP){/* 先判断是否收到数据 */if(getSn_IR(SN) & Sn_IR_RECV){setSn_IR(SN, Sn_IR_RECV);/* 从寄存器读取到数据的长度, 比实际大8个字节 */uint16_t tmp = getSn_RX_RSR(SN);if(tmp > 0){*dataLen = tmp - 8;recvfrom(SN, data, *dataLen, rIp, rPort);}}}
}

六.http_server

初始化：

void App_HttpSever_Init(void)
{Driver_LED_Init();/* 初始化一个httpserver */httpServer_init(txBuff, rxBuff, 8, sockeList);/* 注册一个网页: 首页 */reg_httpServer_webContent((uint8_t *)"index.html", (uint8_t *)content);
}

启动初始化：

void App_HttpServer_Start(void)
{/* 启动服务器 */for(size_t i = 0; i < sizeof(sockeList); i++){httpServer_run(i);}
}

解析URL和控制小灯：

void App_HttpServer_DoAction(uint8_t action);
// 这个函数由http驱动层调用
void App_HttpServer_ParseUrl(uint8_t url[])
{// /index.html?action=2char *index = strstr((char *)url, "action");if(index != NULL){uint8_t action = (uint8_t)(*(index + 7));App_HttpServer_DoAction(action);}
}
void App_HttpServer_DoAction(uint8_t action)
{if(action == '1'){Drviver_LED_On(LED_2);}else if(action == '2'){Drviver_LED_Off(LED_2);}else if(action == '3'){Drviver_LED_Toggle(LED_2);}
}