宣传京津风筝网站的建设目的,湖南企业建站系统平台,点开图片跳到网站怎么做,海外营销网站建设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#xff0c;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#xff0c;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…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 W5500全硬件 TCP/IP 协议栈支持 TCPUDPIPv4ICMPARPIGMP 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SCSnSCLKMOSI 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。 SPI协议定义了四种工作模式模式 0123。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 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。 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
/* 定义W5500对象类型 */
typedef struct W5500Object {wiz_NetInfo gWIZNETINFO;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uint16_t (*RequestData)(uint8_t *rqBuffer); //得到请求命令一般用于客户端发起访问
}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
/*W5500对象初始化*/
void W5500Initialization(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)
{if((w5500NULL)||(cris_enNULL)||(cris_exNULL)||(cs_selNULL)||(cs_deselNULL)||(spi_rbNULL)||(spi_wbNULL)){return;}for(int i0;i6;i){w5500-gWIZNETINFO.mac[i]mac[i];}for(int i0;i4;i){w5500-gWIZNETINFO.ip[i]ip[i];w5500-gWIZNETINFO.sn[i]sn[i];w5500-gWIZNETINFO.gw[i]gw[i];w5500-gWIZNETINFO.dns[i]dns[i];}w5500-gWIZNETINFO.dhcpdhcp;/*注册TCP通讯相关的回调函数*/RegisterFunction(cris_en,cris_ex,cs_sel,cs_desel,spi_rb,spi_wb);/*初始化芯片参数*/ChipParametersConfiguration();/*初始化网络通讯参数*/NetworkParameterConfiguration(w5500-gWIZNETINFO);if(dataParse!NULL){w5500-DataParsingdataParse;}else{w5500-DataParsingLoopBackDataHandle;}if(requst!NULL){w5500-RequestDatarequst;}else{w5500-RequestDataDefaultRequest;}
}
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
/*解析接收到的数据*/
typedef uint16_t (*W5500DataParsingType)(uint8_t *rxBuffer,uint16_t rxSize,uint8_t *txBuffer);/*得到请求命令一般用于客户端发起访问*/
typedef uint16_t (*W5500RequestDataType)(uint8_t *rqBuffer); /*定义片选及临界区操作函数类型*/
typedef void (*W5500CSCrisType)(void);/*定义SPI读一个字节函数类型*/
typedef uint8_t (*W5500SPIReadByteTYpe)(void);/*定义SPI写一个字节函数类型*/
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
/*写1字节数据到SPI总线*/
static void SPI_WriteByte(uint8_t TxData)
{HAL_SPI_Transmit(w5500hspi,TxData,1,1000);
}/*从SPI总线读取1字节数据*/
static uint8_t SPI_ReadByte(void)
{uint8_t rxData;HAL_SPI_Receive(w5500hspi,rxData,1,1000);return rxData;//返回接收的数据
}/*进入临界区*/
static void SPI_CrisEnter(void)
{__set_PRIMASK(1);
}/*退出临界区*/
static void SPI_CrisExit(void)
{__set_PRIMASK(0);
}/*片选信号输出低电平*/
static void SPI_CS_Select(void)
{HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_12, GPIO_PIN_RESET);
}/*片选信号输出高电平*/
static void SPI_CS_Deselect(void)
{HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_12, GPIO_PIN_SET);
}/*数据回环处理*/
static uint16_t LoopBackDataHandle(uint8_t *rxBuffer,uint16_t rxSize,uint8_t *txBuffer)
{uint16_t txSize 0;txSize(uint16_t)rxSize;for(int i0;itxSize;i){txBuffer[i]rxBuffer[i];}return txSize;
}/*默认测试请求*/
static uint16_t DefaultRequest(uint8_t *rqBuffer)
{uint16_t rSize0;char requstString[]This is a new client connection.\r\n;rSizestrlen(requstString);for(int i0;irSize;i){rqBuffer[i]requstString[i];}return rSize;
}
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
/* W5500初始化配置 */
void W5500Configuration(void)
{uint8_t mac[6] {0x01, 0x08, 0xdc,0x00, 0xab, 0xcd}; //本地Mac地址uint8_t ip[4] {192, 168, 1, 190}; //本地IP地址uint8_t sn[4] {255,255,255,0}; //子网掩码uint8_t gw[4] {192, 168, 1, 1}; //网关地址uint8_t dns[4] {0,0,0,0}; //DNS服务器地址W5500_SPI_Configuration();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);
}
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_t W5500TCPServer(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 size0;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_t lengthw5500-DataParsing(rxBuffer,ret,txBuffer);uint16_t sentsize0;while(length ! sentsize){ret send(sn,txBuffersentsize,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((retdisconnect(sn)) ! SOCK_OK){return ret;}break;}case SOCK_INIT:{if( (ret listen(sn)) ! SOCK_OK){return ret;}break;}case SOCK_CLOSED:{if((retsocket(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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