以太網(wǎng)通訊是一種被廣泛使用的數(shù)據(jù)通訊方式。在嵌入式應用中也經(jīng)常使用,但協(xié)議棧的實現(xiàn)并不是一件容易的事。不過有些以太網(wǎng)控制器就帶有協(xié)議棧,如W5500。在本篇中我們將討論如何設計并實現(xiàn)W5500以太網(wǎng)控制器的驅動。
1、功能概述
W5500是WIZnet開發(fā)的單芯片全硬件TCP/IP協(xié)議棧,能夠方便的實現(xiàn)網(wǎng)絡連接應用。
1.1、硬件描述
W5500作為一款全硬件TCP/IP嵌入式以太網(wǎng)控制器,為嵌入式系統(tǒng)提供了更加簡易的互聯(lián)網(wǎng)連接方案。W5500 集成了 TCP/IP 協(xié)議棧,10/100M 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層(MAC)及物理層(PHY),使得用戶使用單芯片就能夠在他們的應用中拓展網(wǎng)絡連接。 其引腳排布及分裝如下:
W5500全硬件 TCP/IP 協(xié)議棧支持 TCP,UDP,IPv4,ICMP,ARP,IGMP 以及 PPPoE 協(xié)議。W5500 內嵌 32K 字節(jié)片上緩存以供以太網(wǎng)包處理。使用W5500,只需要一些簡單的Socket 編程就能實現(xiàn)以太網(wǎng)應用。用戶可以同時使用8個硬件Socket 獨立通訊。
W5500提供了SPI(外設串行接口)從而能夠更加容易與外設MCU整合。而且,W5500的使用了新的高效SPI協(xié)議支持80MHz速率,從而能夠更好的實現(xiàn)高速網(wǎng)絡通訊。為了減少系統(tǒng)能耗,W5500提供了網(wǎng)絡喚醒模式(WOL)及掉電模式供客戶選擇使用。
1.2、通訊接口
W5500提供了SPI(串行外部接口)作為外設主機接口,有SCSn,SCLK,MOSI, MISO共4路信號,且作為SPI從機工作。W5500與MCU的連接方式如下圖所示。根據(jù)SCSn是否受主機控制,將其工作模式分為可變數(shù)據(jù)長度模式和固定數(shù)據(jù)長度模式。在可變數(shù)據(jù)長度模式中,W5500可以與其他SPI設備共用SPI接口。在固定數(shù)據(jù)長度模式,SPI將指定給W5500,不能與其他SPI設備共享。
SPI協(xié)議定義了四種工作模式(模式 0,1,2,3)。每種模式的區(qū)別是根據(jù)SCLK的極性及相位不同定義的。SPI 的模式 0 和模式 3 唯一不同的就是在非活動狀態(tài)下,SCLK 信號的極性。SPI的模式0和3,數(shù)據(jù)都是在SCLK的上升沿鎖存,在下降沿輸出。W5500支持SPI模式0及模式3。MOSI和MISO信號無論是接收或發(fā)送,均遵從從最高標志位(MSB)到最低標志位(LSB)的傳輸序列。
1.3、內部寄存器
W5500的SPI數(shù)據(jù)幀包括了16位地址段的偏移地址,8位控制段和N字節(jié)數(shù)據(jù)段。如圖下圖所示:
地址段為W5500的寄存器或TX/RX緩存區(qū)指定了16位的偏移地址。 這16 位偏移地址的值來自從最高標志位到最低標志位的順序傳輸。
控制段指定了地址段設定的偏移區(qū)域歸屬,讀/寫訪問模式及SPI工作模式。8位控制段可以通過修改區(qū)域選擇位(BSB[4:0]),讀/寫訪問模式位(RWB)以及SPI工作模式位(OM[1:0])來重新定義。區(qū)域選擇位選擇了歸屬于偏移地址的區(qū)域。
SPI數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)段通過偏移地址自增(每傳輸1字節(jié)偏移地址加1),支持連續(xù)數(shù)據(jù)讀/寫。
W5500有1個通用寄存器,8個Socket寄存器區(qū),以及對應每個Socket的收發(fā)緩存區(qū)。每個區(qū)域均通過SPI數(shù)據(jù)幀的區(qū)域選擇位(BSB[4:0])來選取。每一個Socket的發(fā)送緩存區(qū)都在一個16KB的物理發(fā)送內存中,初始化分配為2KB。每一個Socket的接收緩存區(qū)都在一個16KB 的物理接收內存中,初始化分配為 2KB。無論給每個Socket 分配多大的收/發(fā)緩存,都必須在 16 位的偏移地址范圍內(從 0x0000 到 0xFFFF)。
通用寄存器區(qū)配置了W5500的IP地址、MAC地址等基本信息。該區(qū)域可以通過SPI數(shù)據(jù)幀的區(qū)域選擇位(BSB[4:0])選定。
W5500支持8個Socket作為通訊信道。每一個Socket通過Socket n寄存器區(qū)控制(0≤n≤7)。Socket n寄存器可以通過SPI數(shù)據(jù)幀中的區(qū)域選擇寄存器(BSB[4:0])來選定對應的寄存器n。
2、驅動設計與實現(xiàn)
我們已經(jīng)對W5500以太網(wǎng)控制器的引腳封裝、接口方式、協(xié)議棧的操作流程以及基本操作庫有了比較詳細的了解。接下來我們將設計并實現(xiàn)W5500以太網(wǎng)控制器的驅動程序。
2.1、對象定義
在使用一個對象之前我們需要獲得一個對象。同樣的我們想要W5500以太網(wǎng)控制器就需要先定義W5500以太網(wǎng)控制器的對象。
2.1.1、對象的抽象
我們要得到W5500以太網(wǎng)控制器對象,需要先分析其基本特性。一般來說,一個對象至少包含兩方面的特性:屬性與操作。接下來我們就來從這兩個方面思考一下W5500以太網(wǎng)控制器的對象。
先來考慮屬性,作為屬性肯定是用于標識或記錄對象特征的東西。我們來考慮W5500以太網(wǎng)控制器對象屬性。作為以太網(wǎng)控制器,W5500對象顯然需要有網(wǎng)絡配置參數(shù)作為它的屬性,包括IP地址和MAC地址等。所以我們將網(wǎng)絡參數(shù)定義為對象的屬性。在這里我們以結構體的方式來定義網(wǎng)絡參數(shù)。
接著我們還需要考慮W5500以太網(wǎng)控制器對象的操作問題。其實我們對W5500的操作就是對SPI接口的操作,這里我們因為使用了廠家的基礎庫,所以以函數(shù)注冊回調函數(shù)的方式傳遞了操作函數(shù)。我們不需要再將對SPI端口作為對象的操作,而是將他們以函數(shù)指針的方式在初始化函數(shù)中傳入。那么我們對對象的操作就是讀取和寫入信息的操作,而具體的數(shù)據(jù)處理總是依賴于具體應用,所以我們將其作為對象的操作。
根據(jù)上述我們對W5500以太網(wǎng)控制器的分析,我們可以定義W5500以太網(wǎng)控制器的對象類型如下:
1 /* 定義W5500對象類型 */
2 typedef struct W5500Object {
3 wiz_NetInfo gWIZNETINFO;
4 uint16_t (*DataParsing)(uint8_t *rxBuffer,uint16_t rxSize,uint8_t *txBuffer);//接收消息解析及返回消息生成,返回值為返回消息的字節(jié)長度
5 uint16_t (*RequestData)(uint8_t *rqBuffer); //得到請求命令,一般用于客戶端發(fā)起訪問
6 }W5500ObjectType;
2.1.2、對象初始化
我們知道,一個對象僅作聲明是不能使用的,我們需要先對其進行初始化,所以這里我們來考慮W5500以太網(wǎng)控制器對象的初始化函數(shù)。一般來說,初始化函數(shù)需要處理幾個方面的問題。一是檢查輸入?yún)?shù)是否合理;二是為對象的屬性賦初值;三是對對象作必要的初始化配置。據(jù)此我們設計W5500以太網(wǎng)控制器對象的初始化函數(shù)如下:
1 /*W5500對象初始化*/
2 void W5500Initialization(W5500ObjectType *w5500,
3 uint8_t mac[6], //本地Mac地址
4 uint8_t ip[4], //本地IP地址
5 uint8_t sn[4], //子網(wǎng)掩碼
6 uint8_t gw[4], //網(wǎng)關地址
7 uint8_t dns[4], //DNS服務器地址
8 dhcp_mode dhcp, //DHCP類型
9 W5500CSCrisType cris_en,
10 W5500CSCrisType cris_ex,
11 W5500CSCrisType cs_sel,
12 W5500CSCrisType cs_desel,
13 W5500SPIReadByteTYpe spi_rb,
14 W5500SPIWriteByteTYpe spi_wb,
15 W5500DataParsingType dataParse,
16 W5500RequestDataType requst
17 )
18 {
19 if((w5500==NULL)||(cris_en==NULL)||(cris_ex==NULL)||(cs_sel==NULL)||(cs_desel==NULL)||(spi_rb==NULL)||(spi_wb==NULL))
20 {
21 return;
22 }
23
24 for(int i=0;i<6;i++)
25 {
26 w5500->gWIZNETINFO.mac[i]=mac[i];
27 }
28
29 for(int i=0;i<4;i++)
30 {
31 w5500->gWIZNETINFO.ip[i]=ip[i];
32 w5500->gWIZNETINFO.sn[i]=sn[i];
33 w5500->gWIZNETINFO.gw[i]=gw[i];
34 w5500->gWIZNETINFO.dns[i]=dns[i];
35 }
36
37 w5500->gWIZNETINFO.dhcp=dhcp;
38
39 /*注冊TCP通訊相關的回調函數(shù)*/
40 RegisterFunction(cris_en,cris_ex,cs_sel,cs_desel,spi_rb,spi_wb);
41
42 /*初始化芯片參數(shù)*/
43 ChipParametersConfiguration();
44
45 /*初始化網(wǎng)絡通訊參數(shù)*/
46 NetworkParameterConfiguration(w5500->gWIZNETINFO);
47
48 if(dataParse!=NULL)
49 {
50 w5500->DataParsing=dataParse;
51 }
52 else
53 {
54 w5500->DataParsing=LoopBackDataHandle;
55 }
56
57 if(requst!=NULL)
58 {
59 w5500->RequestData=requst;
60 }
61 else
62 {
63 w5500->RequestData=DefaultRequest;
64 }
65 }
2.2、對象操作
我們已經(jīng)完成了W5500以太網(wǎng)控制器對象類型的定義和對象初始化函數(shù)的設計。但我們的主要目標是獲取對象的信息,接下來我們還要實現(xiàn)面向W5500以太網(wǎng)控制器的各類操作。
W5500以太網(wǎng)控制器有哪些操作呢?作為通訊接口,最主要的就是數(shù)據(jù)的發(fā)送于接收。這些函數(shù)我們當然可以實現(xiàn)它,不過在廠商提供的基礎庫中已經(jīng)提供了這些函數(shù),我們直接實用就好了,這里就不再列出了。
3、驅動的使用
我們已經(jīng)設計了W5500以太網(wǎng)控制器的驅動,接下來我們設計一個簡單的應用驗證這一驅動。
3.1、聲明并初始化對象
使用基于對象的操作我們需要先得到這個對象,所以我們先要使用前面定義的W5500以太網(wǎng)控制器對象類型聲明一個W5500以太網(wǎng)控制器對象變量,具體操作格式如下:
W5500ObjectType w5500;
聲明了這個對象變量并不能立即使用,我們還需要使用驅動中定義的初始化函數(shù)對這個變量進行初始化。這個初始化函數(shù)所需要的輸入?yún)?shù)如下:
W5500ObjectType *w5500,
uint8_t mac[6], //本地Mac地址
uint8_t ip[4], //本地IP地址
uint8_t sn[4], //子網(wǎng)掩碼
uint8_t gw[4], //網(wǎng)關地址
uint8_t dns[4], //DNS服務器地址
dhcp_mode dhcp, //DHCP類型
W5500CSCrisType cris_en,
W5500CSCrisType cris_ex,
W5500CSCrisType cs_sel,
W5500CSCrisType cs_desel,
W5500SPIReadByteTYpe spi_rb,
W5500SPIWriteByteTYpe spi_wb,
W5500DataParsingType dataParse,
W5500RequestDataType requst
對于這些參數(shù),對象變量我們已經(jīng)定義了。而IP地址這些參數(shù)我們只需要睡著時輸入就可以了。主要的是我們需要定義幾個函數(shù),并將函數(shù)指針作為參數(shù)。這幾個函數(shù)的類型如下:
1 /*解析接收到的數(shù)據(jù)*/
2 typedef uint16_t (*W5500DataParsingType)(uint8_t *rxBuffer,uint16_t rxSize,uint8_t *txBuffer);
3
4 /*得到請求命令,一般用于客戶端發(fā)起訪問*/
5 typedef uint16_t (*W5500RequestDataType)(uint8_t *rqBuffer);
6
7 /*定義片選及臨界區(qū)操作函數(shù)類型*/
8 typedef void (*W5500CSCrisType)(void);
9
10 /*定義SPI讀一個字節(jié)函數(shù)類型*/
11 typedef uint8_t (*W5500SPIReadByteTYpe)(void);
12
13 /*定義SPI寫一個字節(jié)函數(shù)類型*/
14 typedef void (*W5500SPIWriteByteTYpe)(uint8_t wb);
對于這幾個函數(shù)我們根據(jù)樣式定義就可以了,具體的操作可能與使用的硬件平臺有關系。片選操作函數(shù)用于多設備需要軟件操作時,如采用硬件片選可以傳入NULL即可。具體函數(shù)定義如下:
1 /*寫1字節(jié)數(shù)據(jù)到SPI總線*/
2 static void SPI_WriteByte(uint8_t TxData)
3 {
4 HAL_SPI_Transmit(&w5500hspi,&TxData,1,1000);
5 }
6
7 /*從SPI總線讀取1字節(jié)數(shù)據(jù)*/
8 static uint8_t SPI_ReadByte(void)
9 {
10 uint8_t rxData;
11 HAL_SPI_Receive(&w5500hspi,&rxData,1,1000);
12 return rxData;//返回接收的數(shù)據(jù)
13 }
14
15 /*進入臨界區(qū)*/
16 static void SPI_CrisEnter(void)
17 {
18 __set_PRIMASK(1);
19 }
20
21 /*退出臨界區(qū)*/
22 static void SPI_CrisExit(void)
23 {
24 __set_PRIMASK(0);
25 }
26
27 /*片選信號輸出低電平*/
28 static void SPI_CS_Select(void)
29 {
30 HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_12, GPIO_PIN_RESET);
31 }
32
33 /*片選信號輸出高電平*/
34 static void SPI_CS_Deselect(void)
35 {
36 HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_12, GPIO_PIN_SET);
37 }
38
39 /*數(shù)據(jù)回環(huán)處理*/
40 static uint16_t LoopBackDataHandle(uint8_t *rxBuffer,uint16_t rxSize,uint8_t *txBuffer)
41 {
42 uint16_t txSize = 0;
43
44 txSize=(uint16_t)rxSize;
45
46 for(int i=0;i47 {
48 txBuffer[i]=rxBuffer[i];
49 }
50
51 return txSize;
52 }
53
54 /*默認測試請求*/
55 static uint16_t DefaultRequest(uint8_t *rqBuffer)
56 {
57 uint16_t rSize=0;
58
59 char requstString[]="This is a new client connection.\\r\\n";
60
61 rSize=strlen(requstString);
62
63 for(int i=0;i64 {
65 rqBuffer[i]=requstString[i];
66 }
67
68 return rSize;
69 }
對于延時函數(shù)我們可以采用各種方法實現(xiàn)。我們采用的STM32平臺和HAL庫則可以直接使用HAL_Delay()函數(shù)。于是我們可以調用初始化函數(shù)如下:
1 /* W5500初始化配置 */
2 void W5500Configuration(void)
3 {
4 uint8_t mac[6]= {0x01, 0x08, 0xdc,0x00, 0xab, 0xcd}; //本地Mac地址
5 uint8_t ip[4]= {192, 168, 1, 190}; //本地IP地址
6 uint8_t sn[4]= {255,255,255,0}; //子網(wǎng)掩碼
7 uint8_t gw[4]= {192, 168, 1, 1}; //網(wǎng)關地址
8 uint8_t dns[4]= {0,0,0,0}; //DNS服務器地址
9
10 W5500_SPI_Configuration();
11 W5500Initialization(&w5500,mac,ip,sn,gw,dns,NETINFO_STATIC,SPI_CrisEnter,SPI_CrisExit,SPI_CS_Select,SPI_CS_Deselect,SPI_ReadByte,SPI_WriteByte,NULL,NULL);
12 }
3.2、基于對象進行操作
我們定義了對象變量并使用初始化函數(shù)給其作了初始化。接著我們就來考慮操作這一對象獲取我們想要的數(shù)據(jù)。我們在驅動中已經(jīng)將獲取數(shù)據(jù)并轉換為轉換值的比例值,接下來我們使用這一驅動開發(fā)我們的應用實例。我們實現(xiàn)以個TCP回環(huán)服務器。具體調用如下:
W5500TCPServer(&w5500,Socket0,502);
TCP服務器設計如下:
/*TCP服務器數(shù)據(jù)通訊*/
int32_tW5500TCPServer(W5500ObjectType *w5500,W5500SocketType sn,uint16_t lPort)
{
int32_t ret;
switch(getSn_SR(sn))
{
case SOCK_ESTABLISHED:
{
if(getSn_IR(sn) & Sn_IR_CON)
{
setSn_IR(sn,Sn_IR_CON);
}
uint16_t size=0;
if((size = getSn_RX_RSR(sn)) > 0)
{
if(size > DATA_BUFFER_SIZE)
{
size = DATA_BUFFER_SIZE;
}
uint8_t rxBuffer[DATA_BUFFER_SIZE];
ret = recv(sn,rxBuffer,size);
if(ret <= 0)
{
return ret;
}
//添加數(shù)據(jù)解析及響應的函數(shù)
uint8_t txBuffer[DATA_BUFFER_SIZE];
uint16_tlength=w5500->DataParsing(rxBuffer,ret,txBuffer);
uint16_t sentsize=0;
while(length != sentsize)
{
ret = send(sn,txBuffer+sentsize,length-sentsize);
if(ret < 0)
{
close(sn);
return ret;
}
sentsize += ret; // 不用管SOCKERR_BUSY, 因為它是零.
}
}
break;
}
case SOCK_CLOSE_WAIT:
{
if((ret=disconnect(sn)) != SOCK_OK)
{
return ret;
}
break;
}
case SOCK_INIT:
{
if( (ret = listen(sn)) != SOCK_OK)
{
return ret;
}
break;
}
case SOCK_CLOSED:
{
if((ret=socket(sn,Sn_MR_TCP,lPort,0x00))!= sn)
{
return ret;
}
break;
}
default:
{
break;
}
}
return 1;
}
4、應用總結
這一篇中我們設計并實現(xiàn)了W5500以太網(wǎng)控制器的驅動程序,而且也設計了一個簡單的應用來驗證它。我們也在多個實際項目中使用W5500及驅動程序,并在此基礎上實現(xiàn)過如Modbus TCP等數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,在實際使用中效果良好。
需要說明的是我們并沒有從最底層開始實現(xiàn)驅動程序。當然,我們完全可以同過操作寄存器實現(xiàn)最基礎的驅動開發(fā),但在本篇中沒有這么做是因為已有的驅動底層已經(jīng)很完備了,不需要重復勞動。另一方面,我們希望再次基礎上做更高層次的封裝,以便與使用驅動的人能夠專注于具體的應用邏輯,所以我們封裝了如TCP服務器及TCP客戶端等,使用者則可以專注于應用協(xié)議本身。
本篇中只是驗證了TCP服務器,但在使用驅動時,如果向實現(xiàn)如HTTP服務器只需要修改對象的DataParsing操作就可以了。
源碼下載:https://github.com/foxclever/ExPeriphDriver
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