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LWIP--以太网

news 2025/11/11 7:44:48

一：硬件说明

1、MAC 简介

STM32F407 自带有 10/100Mbit/s 的以太网 MAC 内核，这个以太网 MAC 内核有如下特性：

1、支持外部 PHY 接口实现 10/100Mbit/s 数据传输速率。

2、通过符合 IEEE802.3 的 MII 接口与外接快速以太网 PHY 进行通信

3、支持全双工和半双工操作

4、报头和帧起始数据 (SFD) 在发送路径中插入、在接收路径中删除

5、可逐帧控制 CRC 和 pad 自动生成。

6、可编程帧长度，支持高达 16KB 的巨型帧。

7、可编程帧间隔

8、支持通过 MDIO 接（标注说明：这个意思就是 MDIO 接口）

1.2、SMI 接口

F407 的 MAC 有 3 种接口：SMI、MII 和 RMII。SMI 称为站管理接口，程序中可以通过这个接口来访问 PHY 寄存器，SMI 接口有两条线：数据线 MDIO 和时钟线 MDC，该接口支持访问多达 32 个 PHY。

MDC：周期性时钟，提供以最大频率 2.5 MHz 传输数据时的参考时序，在空闲状态下，SMI 管理接口将 MDC 时钟信号驱动为低电平。
MDIO：数据输入 / 输出比特流，用于通过 MDC 时钟信号向 / 从 PHY 设备同步传输状态信息。

A.MII 接口

MII 接口：介质独立接口 (MII) 定义了 10 Mbit/s 和 100 Mbit/s 的数据传输速率下 MAC 子层与 PHY 之间的互连。

时钟说明

TX_CLK 和 RX_CLK 为发送和接收连续时钟，当速率为 10Mbit/s 时为 2.5MHZ，速率为 100Mbit/s 时为 25MHZ（标注说明：这个一乘就出来了TX和RX都是4个）。

时钟需求：为生成 MII 接口的 TX_CLK 和 RX_CLK 时钟，需向外部 PHY 提供 25MHz 时钟。
供给方式
- 方式一：使用 25M 晶振直接提供。
- 方式二：利用 STM32F4xx 的MCO 引脚（微控制器时钟输出引脚）配置输出 25MHz 时钟。
功能意义：25MHz 时钟是 MII 接口在 100Mbit/s 速率下（或分频到 10Mbit/s）实现 MAC 与 PHY 时序同步的关键，两种供给方式为硬件设计提供了灵活性，开发者可根据电路复杂度、时钟精度需求选择方案。

B.精简介质独立接口（RMII）

接口作用：降低 10/100 Mbit/s 下微控制器以太网外设与外部 PHY 间的引脚数。
引脚数对比：根据 IEEE 802.3u 标准，MII 包含 16 个数据和控制信号引脚，RMII 将引脚数减少为 7 个，引脚数减少 62.5%。
时钟要求：RMII 接口的参考时钟必须为 50MHz。
接口信号（STM32 与外部 PHY 之间）：TXD [1:0]、TX_EN、RXD [1:0]、CRS_DV、MDC、MDIO、REF_CLK（由时钟源提供）。

RMII 时钟源

驱动方式：通常采用 50MHz 时钟直接驱动 PHY，或借助嵌入式 PLL 将 25MHz 时钟倍频生成 50MHz 频率来驱动 PHY。
功能意义：为 RMII 接口提供 50MHz 参考时钟，确保 10/100 Mbit/s 速率下 STM32 与外部 PHY 的时序同步，是 RMII 接口稳定工作的关键时钟保障，两种方案为硬件时钟源设计提供了灵活选择。

我们使用的是探索者，使他外部的25MHZ晶振提供给PHY芯片作为时钟。支持2中接口

2、YT8512C 简介

芯片类型：低功耗单端口 10/100Mbps 以太网 PHY 芯片。
物理层功能：通过两条标准双绞线电缆收发器，实现发送和接收数据所需的所有物理层功能。
接口类型：通过标准 MII 和 RMII 接口与 MAC 层进行连接。

PHY 地址设置：通过 LED0 和 LED1 引脚的电平进行配置。
时钟来源：PHY 内部时钟由 XTAL 和 Clock 引脚提供。
数据收发接口：TXP、TXN、RXP 和 RXN 引脚连接至 RJ45 网口，实现数据的发送与接收功能。

Pin24（LED0/PHYAD[0]）	Pin25（LED1/PHYAD[1]）	PHY 地址
0	0	00000
0	1	00010
1	0	00001
1	1	00011

二：软件

1、以太网 DMA 描述符

4.1、以太网 DMA 描述符

DMA 特性：F407 有一个以太网专用的 DMA，可在 CPU 完全不干预的情况下，通过描述符有效将数据从源传送到目标，接收缓冲区和发送缓冲区的数据均可通过以太网 DMA 传送。
描述符数量与结构：
- 共有两个描述符，一个用于接收，一个用于发送。
- 描述符是一种链表，最后一个描述符会指回第一个描述符构成环形结构。
存储位置：描述符列表位于主机的物理存储空间，两个列表的基址分别写入 ETH_DMARDLAR 寄存器和 ETH_DMATDLAR 寄存器中。
缓冲区指向：每个描述符最多可指向两个缓冲区。
结构类型：描述符共有两种结构，分别是环形结构和链接结构。

在 ST 提供的以太网驱动库 stm32f4x7_eth.c 中使用的是链接结构，链接结构如下：

描述符包含 Control/Status、Buffer Count、Buffer Address、Next Descriptor
1、一个以太网数据包可以跨越一个或多个 DMA 描述符
2、一个 DMA 描述符只能用于一个以太网数据包
3、DMA 描述符列表中的最后一个描述符指向第一个，形成链式结构

描述符不是实际存在的物理结构，而是在程序中通过软件实现的，其实就是一个结构体！在 ST 的以太网驱动库 stm32f4x7_eth.h 中有个结构体 ETH_DMADESCTypeDef，这个结构体就是 DMA 描述符！

typedef struct {__IO uint32_t Status; //状态uint32_t ControlBufferSize; //控制和buffer1，buffer2的长度uint32_t Buffer1Addr; //buffer1地址uint32_t Buffer2NextDescAddr; //buffer2地址或下一个描述符地址
//一下只有增强的以太网DMA描述符含有
#ifdef USE_ENHANCED_DMA_DESCRIPTORSuint32_t ExtendedStatus; //增强描述符状态uint32_t Reserved1; //保留uint32_t TimeStampLow; //时间戳低位uint32_t TimeStampHigh; //时间戳高位
#endif
} ETH_DMADESCTypeDef;

DMA 描述符类型说明

分类：分为增强描述符和常规描述符，本次仅讲解常规描述符（因网络例程仅使用常规描述符）。
结构差异：常规描述符与增强描述符的结构体成员变量不同，常规描述符仅使用前 4 个成员变量。
细分类型：常规描述符和增强描述符又分为发送描述符和接收描述符两种。
常规发送描述符：

2、ST 以太网驱动库简介

驱动库获取：ST 提供的以太网驱动库可从 ST 官网下载，也已放置在 F4 开发板光盘中。
文件组成：
文件名描述
stm32f4x7_eth.h 以太网驱动头文件
stm32f4x7_eth.c 以太网驱动库
stm32f4x7_eth_conf_template.h 以太网驱动配置文件
使用说明：使用时需将stm32f4x7_eth_conf_template.h重命名为stm32f4x7_eth_conf.h。

文件名	描述
stm32f4x7_eth.h	以太网驱动头文件
stm32f4x7_eth.c	以太网驱动库
stm32f4x7_eth_conf_template.h	以太网驱动配置文件

1.1、pbuf 结构

功能背景：LWIP 是 TCP/IP 协议栈的一种具体实现，本质是对数据包的处理，在 LWIP 中使用pbuf结构管理数据包，相关源码文件为pbuf.c和pbuf.h。
pbuf 结构体定义及成员说明：

struct pbuf
{struct pbuf    *next;     //构成链表时指向下一个pbufvoid           *payload;  //指向数据缓冲区u16_t          tot_len;   //pbuf链表中所有pbuf的数据长度u16_t          len;       //当前pbuf中的数据长度u8_t           type;      //pbuf类型u8_t           flags;     //状态u16_t          ref;       //记录当前pbuf被引用的次数
};

1.2、pbuf 类型

类型标识：pbuf 结构的type字段用于描述当前 pbuf 类型，在pbuf.h文件中通过枚举类型pbuf_type定义。
枚举类型定义及说明：

运行

typedef enum
{PBUF_RAM,  //pbuf数据紧跟着pbuf的结构存储，数据存储在ram中PBUF_ROM,  //pbuf数据存储在rom中PBUF_REF,  //pbuf数据存储在ram中，但是与pbuf结构的位置无关PBUF_POOL  //pbuf结构和其数据存储在同一个内存池中
} pbuf_type;///////////////////////////////////////////////////////////////////////////
/*** pbuf数据存储在RAM中，主要用于发送（TX）。struct pbuf及其有效载荷在一块连续的内存中分配（因此可通过struct pbuf计算出第一个有效载荷字节的位置）。* pbuf_alloc() 会将PBUF_RAM类型的pbuf分配为无链式结构的pbuf（不过未来版本可能会变更）。* 所有出站数据包（发送用）都应使用该类型。*/
PBUF_RAM = (PBUF_ALLOC_FLAG_DATA_CONTIGUOUS | PBUF_TYPE_FLAG_STRUCT_DATA_CONTIGUOUS | PBUF_TYPE_ALLOC_SRC_MASK_STD_HEAP),/*** pbuf数据存储在ROM中，即struct pbuf与其有效载荷位于完全不同的内存区域。由于其指向ROM，在排队发送时无需复制有效载荷。*/
PBUF_ROM = PBUF_TYPE_ALLOC_SRC_MASK_STD_MEMP_PBUF,/*** pbuf来自pbuf池。与PBUF_ROM类似，但有效载荷可能会改变，因此在排队发送前需根据对其的“引用（ref）”情况进行复制。*/
PBUF_REF = (PBUF_TYPE_FLAG_DATA_VOLATILE | PBUF_TYPE_ALLOC_SRC_MASK_STD_MEMP_PBUF),/*** pbuf有效载荷指向RAM。该类型来自内存池，应用于接收（RX）。有效载荷可链式存储（分散-聚集式接收），且与PBUF_RAM类似，struct pbuf及其有效载荷在一块连续的内存中分配（因此可通过struct pbuf计算出第一个有效载荷字节的位置）。* 不要将其用于发送（TX），若因TCP排队导致内存池耗尽，将无法接收TCP确认包！*/
PBUF_POOL = (PBUF_ALLOC_FLAG_RX | PBUF_TYPE_FLAG_STRUCT_DATA_CONTIGUOUS | PBUF_TYPE_ALLOC_SRC_MASK_STD_MEMP_PBUF_POOL)

PBUF_RAM 类型

内存申请来源：PBUF_RAM 类型的 pbuf 空间从 LWIP 的内存堆中申请。
应用场景：协议栈和应用程序中待发送数据采用该类型。
申请方式：在pbuf_alloc()中进行申请，代码如下：

case PBUF_RAM:p = (struct pbuf*)mem_malloc(LWIP_MEM_ALIGN_SIZE\(SIZEOF_STRUCT_PBUF + offset) + LWIP_MEM_ALIGN_SIZE(length));if (p == NULL){return NULL;}p->payload = LWIP_MEM_ALIGN((void *)((u8_t *)p + SIZEOF_STRUCT_PBUF +  offset));p->len = p->tot_len = length;p->next = NULL;p->type = type;break;

PBUF_POOL 类型

内存申请来源：PBUF_POOL 类型的 pbuf 空间从 LWIP 的内存池中申请。
特性：因从内存池申请，分配时间极短。
应用场景：网卡接收数据包时使用该类型。
申请代码：

运行

case PBUF_POOL:p = (struct pbuf *)memp_malloc(MEMP_PBUF_POOL);if (p == NULL){PBUF_POOL_IS_EMPTY();return NULL;}p->type = type;p->next = NULL;p->payload = LWIP_MEM_ALIGN((void *)((u8_t *)p + (SIZEOF_STRUCT_PBUF + offset)));break;

PBUF_ROM 和 PBUF_REF 类型

内存申请来源：PBUF_ROM 和 PBUF_REF 类型的 pbuf 空间从 LWIP 的内存池中申请，使用内存池MEMP_PBUF。
内存分配特点：仅申请 pbuf 结构体的内存空间，不包含数据空间。
分配代码：

运行

case PBUF_ROM:
case PBUF_REF:p = (struct pbuf *)memp_malloc(MEMP_PBUF);if (p == NULL){return NULL;}p->payload = NULL;p->len = p->tot_len = length;p->next = NULL;p->type = type;break;

PBUF_ROM 和 PBUF_REF 类型数据空间说明

数据空间特点：PBUF_ROM 和 PBUF_REF 类型未给数据空间申请内存，数据空间来自其他地方的内存。
数据空间差异：
- PBUF_ROM 的数据空间在 ROM 中。
- PBUF_REF 的数据空间在 RAM 中。

pbuf 的申请、释放与分层

操作函数：
- 申请：pbuf_alloc(pbuf_layer layer, u16_t length, pbuf_type type)
- 释放：pbuf_free(struct pbuf *p)
pbuf_alloc参数说明：
- layer：决定协议栈的申请层级，影响 pbuf 的数据区首部预留空间（offset）。
- type：决定申请的 pbuf 类型。
pbuf_layer枚举（定义于pbuf.h）：

运行

typedef enum {PBUF_TRANSPORT, //传输层PBUF_IP,        //IP层PBUF_LINK,      //链路层PBUF_RAW        //原始层
} pbuf_layer;

函数分组	API 函数	函数功能描述
TCP 连接建立	tcp_new()	创建一个 TCP 的 PCB 控制块
	tcp_bind()	为 TCP 的 PCB 控制块绑定一个本地 IP 地址和端口号
	tcp_listen()	开始 TCP 的 PCB 监听
	tcp_accept()	控制块 accept 字段注册的回调函数，侦听到连接时被调用
	tcp_accented()	通知 LWIP 协议栈一个 TCP 连接被接受了（注：原表格可能存在笔误，应为 tcp_accepted ()）
	tcp_connect()	连接远端主机
发送 TCP 数据	tcp_write()	构造一个报文并放到控制块的发送缓冲队列中
	tcp_sent()	控制块 sent 字段注册的回调函数，数据发送成功后被回调
	tcp_output()	将发送缓冲队列中的数据发送出去
接收 TCP 数据	tcp_recv()	控制块 recv 字段注册的回调函数，当接收到新数据时被调用
	tcp_recved()	当程序处理完数据后一定要调用这个函数，通知内核更新接收窗口
轮询函数	tcp_poll()	控制块 poll 字段注册的回调函数，该函数周期性调用
关闭和中止连接	tcp_close()	关闭一个 TCP 连接
	tcp_err()	控制块 err 字段注册的回调函数，遇到错误时被调用
	tcp_abort()	中断 TCP 连接

函数	描述
tcp_client_set_remoteip()	设置远端 IP 地址，即服务器地址
tcp_client_test()	TCP 客户端测试程序
tcp_client_connected()	TCP 连接建立后调用的回调函数
tcp_client_recv()	接收到数据时的回调函数
tcp_client_error()	接收错误时的回调函数
tcp_client_pool()	轮询函数
tcp_client_sent()	发送回调函数
tcp_client_senddata()	发送数据
tcp_client_connection_close()	关闭 TCP 连接