W5500以太网控制器的驱动设计与实现

CHANBAEK 2022-12-08 4806

CHANBAEK

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描述

　　以太网通讯是一种被广泛使用的数据通讯方式。在嵌入式应用中也经常使用，但协议栈的实现并不是一件容易的事。不过有些以太网控制器就带有协议栈，如W5500。在本篇中我们将讨论如何设计并实现W5500以太网控制器的驱动。

1、功能概述

　　W5500是WIZnet开发的单芯片全硬件TCP/IP协议栈，能够方便的实现网络连接应用。

1.1、硬件描述

　　W5500作为一款全硬件TCP/IP嵌入式以太网控制器，为嵌入式系统提供了更加简易的互联网连接方案。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。 其引脚排布及分装如下：

以太网

　　W5500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。使用W5500，只需要一些简单的Socket 编程就能实现以太网应用。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。

1.2、通讯接口

　　W5500提供了SPI（串行外部接口）作为外设主机接口，有SCSn，SCLK，MOSI， MISO共4路信号，且作为SPI从机工作。W5500与MCU的连接方式如下图所示。根据SCSn是否受主机控制，将其工作模式分为可变数据长度模式和固定数据长度模式。在可变数据长度模式中，W5500可以与其他SPI设备共用SPI接口。在固定数据长度模式，SPI将指定给W5500，不能与其他SPI设备共享。

以太网

　　SPI协议定义了四种工作模式（模式 0，1，2，3）。每种模式的区别是根据SCLK的极性及相位不同定义的。SPI 的模式 0 和模式 3 唯一不同的就是在非活动状态下，SCLK 信号的极性。SPI的模式0和3，数据都是在SCLK的上升沿锁存，在下降沿输出。W5500支持SPI模式0及模式3。MOSI和MISO信号无论是接收或发送，均遵从从最高标志位（MSB）到最低标志位（LSB）的传输序列。

1.3、内部寄存器

　　W5500的SPI数据帧包括了16位地址段的偏移地址，8位控制段和N字节数据段。如图下图所示：

以太网

　　地址段为W5500的寄存器或TX/RX缓存区指定了16位的偏移地址。 这16 位偏移地址的值来自从最高标志位到最低标志位的顺序传输。

　　控制段指定了地址段设定的偏移区域归属，读/写访问模式及SPI工作模式。8位控制段可以通过修改区域选择位（BSB[4:0]），读/写访问模式位（RWB）以及SPI工作模式位（OM[1:0]）来重新定义。区域选择位选择了归属于偏移地址的区域。

以太网

　　SPI数据帧的数据段通过偏移地址自增（每传输1字节偏移地址加1），支持连续数据读/写。

　　W5500有1个通用寄存器，8个Socket寄存器区，以及对应每个Socket的收发缓存区。每个区域均通过SPI数据帧的区域选择位（BSB[4:0]）来选取。每一个Socket的发送缓存区都在一个16KB的物理发送内存中，初始化分配为2KB。每一个Socket的接收缓存区都在一个16KB 的物理接收内存中，初始化分配为 2KB。无论给每个Socket 分配多大的收/发缓存，都必须在 16 位的偏移地址范围内（从 0x0000 到 0xFFFF）。

　　通用寄存器区配置了W5500的IP地址、MAC地址等基本信息。该区域可以通过SPI数据帧的区域选择位(BSB[4:0])选定。

　　W5500支持8个Socket作为通讯信道。每一个Socket通过Socket n寄存器区控制（0≤n≤7）。Socket n寄存器可以通过SPI数据帧中的区域选择寄存器(BSB[4:0])来选定对应的寄存器n。

2、驱动设计与实现

　　我们已经对W5500以太网控制器的引脚封装、接口方式、协议栈的操作流程以及基本操作库有了比较详细的了解。接下来我们将设计并实现W5500以太网控制器的驱动程序。

2.1、对象定义

　　在使用一个对象之前我们需要获得一个对象。同样的我们想要W5500以太网控制器就需要先定义W5500以太网控制器的对象。

2.1.1、对象的抽象

　　我们要得到W5500以太网控制器对象，需要先分析其基本特性。一般来说，一个对象至少包含两方面的特性：属性与操作。接下来我们就来从这两个方面思考一下W5500以太网控制器的对象。

　　先来考虑属性，作为属性肯定是用于标识或记录对象特征的东西。我们来考虑W5500以太网控制器对象属性。作为以太网控制器，W5500对象显然需要有网络配置参数作为它的属性，包括IP地址和MAC地址等。所以我们将网络参数定义为对象的属性。在这里我们以结构体的方式来定义网络参数。

　　接着我们还需要考虑W5500以太网控制器对象的操作问题。其实我们对W5500的操作就是对SPI接口的操作，这里我们因为使用了厂家的基础库，所以以函数注册回调函数的方式传递了操作函数。我们不需要再将对SPI端口作为对象的操作，而是将他们以函数指针的方式在初始化函数中传入。那么我们对对象的操作就是读取和写入信息的操作，而具体的数据处理总是依赖于具体应用，所以我们将其作为对象的操作。

　　根据上述我们对W5500以太网控制器的分析，我们可以定义W5500以太网控制器的对象类型如下：

1 /* 定义W5500对象类型 */
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，返回值为返回消息的字节长度
5   uint16_t (*RequestData)(uint8_t *rqBuffer);   //得到请求命令，一般用于客户端发起访问
6 }W5500ObjectType;

2.1.2、对象初始化

　　我们知道，一个对象仅作声明是不能使用的，我们需要先对其进行初始化，所以这里我们来考虑W5500以太网控制器对象的初始化函数。一般来说，初始化函数需要处理几个方面的问题。一是检查输入参数是否合理；二是为对象的属性赋初值；三是对对象作必要的初始化配置。据此我们设计W5500以太网控制器对象的初始化函数如下：

1 /*W5500对象初始化*/
 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],         //子网掩码
 6                     uint8_t gw[4],         //网关地址
 7                     uint8_t dns[4],        //DNS服务器地址
 8                     dhcp_mode dhcp,        //DHCP类型
 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   /*注册TCP通讯相关的回调函数*/
40   RegisterFunction(cris_en,cris_ex,cs_sel,cs_desel,spi_rb,spi_wb);
41  
42   /*初始化芯片参数*/
43   ChipParametersConfiguration();
44  
45   /*初始化网络通讯参数*/
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、对象操作

　　我们已经完成了W5500以太网控制器对象类型的定义和对象初始化函数的设计。但我们的主要目标是获取对象的信息，接下来我们还要实现面向W5500以太网控制器的各类操作。

　　W5500以太网控制器有哪些操作呢？作为通讯接口，最主要的就是数据的发送于接收。这些函数我们当然可以实现它，不过在厂商提供的基础库中已经提供了这些函数，我们直接实用就好了，这里就不再列出了。

3、驱动的使用

　　我们已经设计了W5500以太网控制器的驱动，接下来我们设计一个简单的应用验证这一驱动。

3.1、声明并初始化对象

　　使用基于对象的操作我们需要先得到这个对象，所以我们先要使用前面定义的W5500以太网控制器对象类型声明一个W5500以太网控制器对象变量，具体操作格式如下：

　　W5500ObjectType w5500;

　　声明了这个对象变量并不能立即使用，我们还需要使用驱动中定义的初始化函数对这个变量进行初始化。这个初始化函数所需要的输入参数如下：

　　W5500ObjectType *w5500,

　　uint8_t mac[6], //本地Mac地址

　　uint8_t ip[4], //本地IP地址

　　uint8_t sn[4], //子网掩码

　　uint8_t gw[4], //网关地址

　　uint8_t dns[4], //DNS服务器地址

　　dhcp_mode dhcp, //DHCP类型

　　W5500CSCrisType cris_en,

　　W5500CSCrisType cris_ex,

　　W5500CSCrisType cs_sel,

　　W5500CSCrisType cs_desel,

　　W5500SPIReadByteTYpe spi_rb,

　　W5500SPIWriteByteTYpe spi_wb,

　　W5500DataParsingType dataParse,

　　W5500RequestDataType requst

　　对于这些参数，对象变量我们已经定义了。而IP地址这些参数我们只需要睡着时输入就可以了。主要的是我们需要定义几个函数，并将函数指针作为参数。这几个函数的类型如下：

1 /*解析接收到的数据*/
 2 typedef uint16_t (*W5500DataParsingType)(uint8_t *rxBuffer,uint16_t rxSize,uint8_t *txBuffer);
 3 
 4 /*得到请求命令，一般用于客户端发起访问*/
 5 typedef uint16_t (*W5500RequestDataType)(uint8_t *rqBuffer);  
 6 
 7 /*定义片选及临界区操作函数类型*/
 8 typedef void (*W5500CSCrisType)(void);
 9 
10 /*定义SPI读一个字节函数类型*/
11 typedef uint8_t (*W5500SPIReadByteTYpe)(void);
12 
13 /*定义SPI写一个字节函数类型*/
14 typedef void (*W5500SPIWriteByteTYpe)(uint8_t wb);

　　对于这几个函数我们根据样式定义就可以了，具体的操作可能与使用的硬件平台有关系。片选操作函数用于多设备需要软件操作时，如采用硬件片选可以传入NULL即可。具体函数定义如下：

1 /*写1字节数据到SPI总线*/
 2 static void SPI_WriteByte(uint8_t TxData)
 3 {
 4   HAL_SPI_Transmit(&w5500hspi,&TxData,1,1000);
 5 }
 6  
 7 /*从SPI总线读取1字节数据*/
 8 static uint8_t SPI_ReadByte(void)
 9 {
10   uint8_t rxData;
11   HAL_SPI_Receive(&w5500hspi,&rxData,1,1000);
12   return rxData;//返回接收的数据
13 }
14  
15 /*进入临界区*/
16 static void SPI_CrisEnter(void)
17 {
18   __set_PRIMASK(1);
19 }
20  
21 /*退出临界区*/
22 static void SPI_CrisExit(void)
23 {
24   __set_PRIMASK(0);
25 }
26  
27 /*片选信号输出低电平*/
28 static void SPI_CS_Select(void)
29 {
30   HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_12, GPIO_PIN_RESET);
31 }
32  
33 /*片选信号输出高电平*/
34 static void SPI_CS_Deselect(void)
35 {
36   HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_12, GPIO_PIN_SET);
37 }
38 
39 /*数据回环处理*/
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 /*默认测试请求*/
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 }

　　对于延时函数我们可以采用各种方法实现。我们采用的STM32平台和HAL库则可以直接使用HAL_Delay()函数。于是我们可以调用初始化函数如下：

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};         //子网掩码
 7   uint8_t gw[4]= {192, 168, 1, 1};         //网关地址
 8   uint8_t dns[4]= {0,0,0,0};        //DNS服务器地址
 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、基于对象进行操作

　　我们定义了对象变量并使用初始化函数给其作了初始化。接着我们就来考虑操作这一对象获取我们想要的数据。我们在驱动中已经将获取数据并转换为转换值的比例值，接下来我们使用这一驱动开发我们的应用实例。我们实现以个TCP回环服务器。具体调用如下：

W5500TCPServer(&w5500,Socket0,502);
TCP服务器设计如下：
/*TCP服务器数据通讯*/
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;
        }
         
        //添加数据解析及响应的函数
        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, 因为它是零.
        }
      }
      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、应用总结

　　这一篇中我们设计并实现了W5500以太网控制器的驱动程序，而且也设计了一个简单的应用来验证它。我们也在多个实际项目中使用W5500及驱动程序，并在此基础上实现过如Modbus TCP等数据传输协议，在实际使用中效果良好。

　　需要说明的是我们并没有从最底层开始实现驱动程序。当然，我们完全可以同过操作寄存器实现最基础的驱动开发，但在本篇中没有这么做是因为已有的驱动底层已经很完备了，不需要重复劳动。另一方面，我们希望再次基础上做更高层次的封装，以便与使用驱动的人能够专注于具体的应用逻辑，所以我们封装了如TCP服务器及TCP客户端等，使用者则可以专注于应用协议本身。

　　本篇中只是验证了TCP服务器，但在使用驱动时，如果向实现如HTTP服务器只需要修改对象的DataParsing操作就可以了。

源码下载：https://github.com/foxclever/ExPeriphDriver

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