W5500实现以太网通信

m0_373462062023-12-03 17:31

实现原理

嵌入式程序跑在STM32微控制器，通过片上SPI控制器与W5500进行通信，配置所需网络参数并与远端服务器建立链接（TCP客户端）之后发送接收数据；又或者是建立服务器（TCP服务器）等待建立链接之后收发数据。抑或是不用建立连接直接发送报文（UDP）。PHY信号变压之后通过RJ45接口收发至网线。

嵌入式程序

嵌入式程序分两个部分，第一部分是一些底层通用接口。第二部分W5500抽象供上层调用的接口。

底层通用接口

这部分实现主要包括IO口控制器初始化，以及MCU不同位宽配置芯片接口和Socket批量发送接收数据接口，代码片如下（中文注释帮助您更好的理解实现）：

//IO口控制器初始化
uint8 w55_IoInit(void)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  SPI_InitTypeDef    SPI_InitStructure;
  RCC_APB2PeriphClockCmd(SPI_CS_RCC|SPI_SCLK_RCC|SPI_SO_RCC|SPI_SI_RCC|W5500_RESET_RCC|LINK_RCC|RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);
  
	/*使能AFIO时钟*/
  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);   
	/*只保留SWD模式*/
  GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_SWJ_JTAGDisable, ENABLE);   
                    
  RCC_APB1PeriphClockCmd(W5500_SPI_CLK ,ENABLE);
  GPIO_StructInit(&GPIO_InitStructure);
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_Out_PP;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;	
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   = W5500_RESET_pin;
  GPIO_Init(W5500_RESET_GPIO, &GPIO_InitStructure);
                          
  GPIO_StructInit(&GPIO_InitStructure);
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =SPI_CS_pin;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_Init(SPI_CS_GPIO, &GPIO_InitStructure);
  GPIO_SetBits(SPI_CS_GPIO,SPI_CS_pin);
 
  GPIO_StructInit(&GPIO_InitStructure);
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =SPI_SCLK_pin|SPI_SI_pin|SPI_SO_pin;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_Init(SPI_SCLK_GPIO, &GPIO_InitStructure);
	GPIO_SetBits(SPI_SCLK_GPIO,SPI_SCLK_pin|SPI_SI_pin|SPI_SO_pin);
 
  RCC_APB1PeriphClockCmd(LINK_RCC ,ENABLE);
  GPIO_StructInit(&GPIO_InitStructure);
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = LINK_pin;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode= GPIO_Mode_IPU;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_Init(LINK_GPIO, &GPIO_InitStructure);
	
	
 
	SPI_InitStructure.SPI_Direction=SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;
	SPI_InitStructure.SPI_Mode=SPI_Mode_Master;									
	SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;						
	SPI_InitStructure.SPI_CPOL=SPI_CPOL_Low;										
	SPI_InitStructure.SPI_CPHA=SPI_CPHA_1Edge;										
	SPI_InitStructure.SPI_NSS=SPI_NSS_Soft;											
	SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler=SPI_BaudRatePrescaler_2;		
	SPI_InitStructure.SPI_FirstBit=SPI_FirstBit_MSB;							
	SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial=7;												
	SPI_Init(W5500_SPI, &SPI_InitStructure); 
	SPI_Cmd(W5500_SPI,ENABLE);
	return 1;
}
 
//spi发送一个字节
void SPI_Send_Byte(unsigned char dat)
{
	while (SPI_I2S_GetFlagStatus(W5500_SPI, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET); 
	SPI_I2S_SendData(W5500_SPI, dat);
}
//spi接收一个字节
unsigned char SPI_Recv_Byte(void)
{
	return (uint8)(SPI_I2S_ReceiveData(W5500_SPI));
}
//spi发送两个字节
void SPI_Send_Short(unsigned short dat)
{
	SPI_Send_Byte(dat/256);
	SPI_Send_Byte(dat);	
}
//通过spi向指定地址寄存器写n个字节数据
uint8 w55_WritenByte(uint16 reg, uint8 *dat_ptr, uint16 size)
{
	unsigned short i;
 
	GPIO_ResetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS);	
		
	SPI_Send_Short(reg);
	SPI_Send_Byte(VDM|RWB_WRITE|COMMON_R);
 
	for(i=0;i<size;i++)
	{
		SPI_Send_Byte(*dat_ptr++);
	}
 
	GPIO_SetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS); 
	
	return 1;
}
//读取W5500指定地址1Byte数据
uint8 w55_Read1Byte(uint16 reg)
{
	unsigned char i;
 
	GPIO_ResetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS);
			
	SPI_Send_Short(reg);
	SPI_Send_Byte(FDM1|RWB_READ|COMMON_R);
	i=SPI_Recv_Byte();
	
	SPI_Send_Byte(0x00);
	i=SPI_Recv_Byte();
 
	GPIO_SetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS);
	return i;
}
///
//华丽的分割线
///
//单字节配置socket
uint8 w55_WriteSock1Byte(SOCKET s, uint16 reg, uint8 dat)
{
	GPIO_ResetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS);
		
	SPI_Send_Short(reg);
	SPI_Send_Byte(FDM1|RWB_WRITE|(s*0x20+0x08));
	SPI_Send_Byte(dat);
 
	GPIO_SetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS);
	
	return 1;
}
//两字节配置socket
uint8 w55_WriteSock2Byte(SOCKET s, uint16 reg, uint16 dat)
{
	GPIO_ResetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS);
			
	SPI_Send_Short(reg);
	SPI_Send_Byte(FDM2|RWB_WRITE|(s*0x20+0x08));
	SPI_Send_Short(dat);
 
	GPIO_SetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS);
	
	return 1;
}
//四字节配置socket
uint8 w55_WriteSock4Byte(SOCKET s, uint16 reg, uint8 *dat_ptr)
{
	GPIO_ResetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS);//ÖÃW5500µÄSCSΪµÍµçƽ
			
	SPI_Send_Short(reg);
	SPI_Send_Byte(FDM4|RWB_WRITE|(s*0x20+0x08));
 
	SPI_Send_Byte(*dat_ptr++);
	SPI_Send_Byte(*dat_ptr++);
	SPI_Send_Byte(*dat_ptr++);
	SPI_Send_Byte(*dat_ptr++);
 
	GPIO_SetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS); 
	
	return 1;
}
//读取Socket1字节信息
uint8 w55_ReadSock1Byte(SOCKET s, uint16 reg)
{
	unsigned char i;
 
	GPIO_ResetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS);
			
	SPI_Send_Short(reg);
	SPI_Send_Byte(FDM1|RWB_READ|(s*0x20+0x08));
 
	//i=SPI_I2S_ReceiveData(W5500_SPI);
	i=SPI_Recv_Byte();
	SPI_Send_Byte(0x00);
	//i=SPI_I2S_ReceiveData(W5500_SPI);
	i=SPI_Recv_Byte();
 
	GPIO_SetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS);
	return i;
}
//读取2字节socket信息
uint16 w55_ReadSock2Byte(SOCKET s, uint16 reg)
{
	unsigned short i;
 
	GPIO_ResetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS);
			
	SPI_Send_Short(reg);
	SPI_Send_Byte(FDM2|RWB_READ|(s*0x20+0x08));
 
	i=SPI_Recv_Byte();
	SPI_Send_Byte(0x00);
	i=SPI_Recv_Byte();
	SPI_Send_Byte(0x00);
	i*=256;
	i+=SPI_Recv_Byte();
	GPIO_SetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS);
	return i;
}

W5500抽象接口

这部分主要实现了芯片以及Socket初始化，模拟中断处理循环函数等，示例使用Socket0实现TCP客户端，您可以在此代码基础上增加配置别的Socket实现TCP服务器以及UDP等。代码片（会有中文注释帮助您更好地理解程序）如下，你会通过这部分代码片体会到C51单片机程序的编程风格（尤其是开始的两个接口）：

//从Socket接收数据缓存区读取数据
uint16 w55_ReadSockToBuffer(SOCKET s, uint8 *dat_ptr)
{
    unsigned short rx_size;
	unsigned short offset, offset1;
	unsigned short i;
	unsigned char j;
 
	rx_size=w55_ReadSock2Byte(s,W5500_Sn_RX_RSR);
	if(rx_size==0) return 0;//没接收到数据则返回
	if(rx_size>S_RX_SIZE) rx_size=S_RX_SIZE;		
	offset=w55_ReadSock2Byte(s,W5500_Sn_RX_RD);
	offset1=offset;
	offset&=(S_RX_SIZE-1);//计算实际的物理地址
 
	GPIO_ResetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS);
 
	SPI_Send_Short(offset);//写16位地址
	SPI_Send_Byte(VDM|RWB_READ|(s*0x20+0x18));//写控制字节，N字节数据长度，读数据，选择端口
	j=SPI_Recv_Byte();
	if((offset+rx_size)<S_RX_SIZE)//如果最大地址未超过w5500接收缓冲区寄存器的最大地址
	{
		for(i=0;i<rx_size;i++)//循环读取rx_size个字节数据
		{
			SPI_Send_Byte(0x00);//发送一个哑数据
			j=SPI_Recv_Byte();
			*dat_ptr=j;
			dat_ptr++;
		}
	}
	else//如果最大地址超过w5500接收缓冲区寄存器最大地址
	{
		offset=S_RX_SIZE-offset;
		for(i=0;i<offset;i++)//循环读出前offset个字节数据
		{
			SPI_Send_Byte(0x00);				
			j=SPI_Recv_Byte();
			*dat_ptr=j;
			dat_ptr++;
		}
		GPIO_SetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS); 
 
		GPIO_ResetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS);
 
		SPI_Send_Short(0x00);//写16位地址
		SPI_Send_Byte(VDM|RWB_READ|(s*0x20+0x18));//写控制字
		j=SPI_Recv_Byte();
 
		for(;i<rx_size;i++)//循环读取后rx_size-offset个字节数据
		{
			SPI_Send_Byte(0x00);
			j=SPI_Recv_Byte();
			*dat_ptr=j;
			dat_ptr++;
		}
	}
	GPIO_SetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS); 
 
	offset1+=rx_size;//更新实际物理地址，即下次读取接收到的数据的起始地址
	w55_WriteSock2Byte(s, W5500_Sn_RX_RD, offset1);
	w55_WriteSock1Byte(s, W5500_Sn_CR, RECV);//发送启动接收命令
	return rx_size;//返回接收到的数据长度
}
//将数据写入W5500的数据发送缓冲区
uint8 w55_WriteSockToBuffer(SOCKET s, uint8 *dat_ptr, uint16 size)
{
	unsigned short offset,offset1;
	unsigned short i;
	
	offset=w55_ReadSock2Byte(s,W5500_Sn_TX_WR);
	offset1=offset;
	offset&=(S_TX_SIZE-1);//计算实际物理地址
 
	GPIO_ResetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS);
 
	SPI_Send_Short(offset);
	SPI_Send_Byte(VDM|RWB_WRITE|(s*0x20+0x10));
 
	if((offset+size)<S_TX_SIZE)//如果最大地址未超过W5500发送缓冲区寄存器的最大地址
	{
		for(i=0;i<size;i++)
		{
			SPI_Send_Byte(*dat_ptr++);	
		}
	}
	else//如果最大地址超过w5500发送缓冲区寄存器的最大地址
	{
		offset=S_TX_SIZE-offset;
		for(i=0;i<offset;i++)
		{
			SPI_Send_Byte(*dat_ptr++);
		}
		GPIO_SetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS); 
 
		GPIO_ResetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS);
 
		SPI_Send_Short(0x00);
		SPI_Send_Byte(VDM|RWB_WRITE|(s*0x20+0x10));
 
		for(;i<size;i++)
		{
			SPI_Send_Byte(*dat_ptr++);
		}
	}
	GPIO_SetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS); 
 
	offset1+=size;//更新实际物理地址，即下次写待发送数据到发送数据缓冲区起始地址
	w55_WriteSock2Byte(s, W5500_Sn_TX_WR, offset1);
	w55_WriteSock1Byte(s, W5500_Sn_CR, SEND);//发送启动发送指令			
}
//芯片初始化
uint8 w55_StartUp(void)
{
	uint8 i;
	
    w55_IoInit();
	
	w55_HardwareReset();
  
    w55_Write1Byte(W5500_MODE,MODE_RST); //软复位
    delay(1000);
	
    //设置网关的IP地址
	w55_WritenByte(W5500_GAR, s_app_w55_para.u8Gateway, 4);
 
    //设置子网掩码值
    w55_WritenByte(W5500_SUBR,s_app_w55_para.u8SubMask,4);
 
    //设置MAC地址
	w55_WritenByte(W5500_SHAR,s_app_w55_para.u8MacAddr,6);		
    //设置w5500的IP地址
	w55_WritenByte(W5500_SIPR,s_app_w55_para.u8LocalIp,4);	
  
    //设置发送缓冲区以及接收缓冲区大小
	for(i=0;i<8;i++)
	{
		w55_WriteSock1Byte(i,W5500_Sn_RXBUF_SIZE, 0x02);//Socket Rx memory size=2k
		w55_WriteSock1Byte(i,W5500_Sn_TXBUF_SIZE, 0x02);//Socket Tx mempry size=2k 
	}	
    //设置重连时间为200ms
	w55_Write2Byte(W5500_RTR, 0x07d0);	
 
    //设置重连次数为8次
	w55_Write1Byte(W5500_RCR,8);
 
	w55_Write1Byte(W5500_IMR,IM_IR7|IM_IR6);
	w55_WriteSock1Byte(W55_SOCKETSERVER,W5500_Sn_IMR,(IMR_SENDOK|IMR_TIMEOUT|IMR_RECV|IMR_DISCON|IMR_CON));
	w55_WriteSock1Byte(W55_SOCKETCLIENT,W5500_Sn_IMR,(IMR_SENDOK|IMR_TIMEOUT|IMR_RECV|IMR_DISCON|IMR_CON));
	w55_WriteSock1Byte(W55_SOCKETUDP,W5500_Sn_IMR,(IMR_SENDOK|IMR_TIMEOUT|IMR_RECV|IMR_DISCON|IMR_CON));
	w55_WriteSock1Byte(W55_SOCKETLISTEN,W5500_Sn_IMR,(IMR_SENDOK|IMR_TIMEOUT|IMR_RECV|IMR_DISCON|IMR_CON));
}
 
//Socket初始化
uint8 w55_SocketInit(SOCKET s)
{
	switch(s)			
	{
		case 0:		//将socket0用作Tcp客户端
 			w55_WriteSock2Byte(s, W5500_Sn_MSSR, 1460);//设置最大字节分片数
			//设置源端口号
			w55_WriteSock2Byte(s, W5500_Sn_PORT, s_app_w55_para.u16UpPort);
			//设置目标（远程）端口号
			w55_WriteSock2Byte(1, W5500_Sn_DPORTR, s_app_w55_para.u16UpPort);
			//设置目标（远程）IP地址
			w55_WriteSock4Byte(s, W5500_Sn_DIPR, s_app_w55_para.u8UpIp);				
			break;
 
		case 4:
			break;
 
		case 5:
			break;
 
		case 6:
			break;
 
		case 7:
			break;
 
		default:
			break;
	}
}
 
//Tcp客户端连接
uint8 u8_app_w55_SocketConnect(SOCKET s)
{
	u8_drv_w55_WriteSock1Byte(s,W5500_Sn_MR,MR_TCP);
	u8_drv_w55_WriteSock1Byte(s,W5500_Sn_CR,OPEN);//打开Socket
	delay(5);//ÑÓʱ5ms
	if(u8_drv_w55_ReadSock1Byte(s,W5500_Sn_SR)!=SOCK_INIT)
	{
		u8_drv_w55_WriteSock1Byte(s,W5500_Sn_CR,CLOSE);
		return FALSE;//·µ>>ØFALSE(0x00)
	}
	u8_drv_w55_WriteSock1Byte(s,W5500_Sn_CR,CONNECT);//设置Socket尝试连接
	return TRUE;
}	
 
//循环模拟中断处理函数
uint8 w55_InterruptProcess(void)
{
	uint8 i,j;
	uint8 u8Data[50];
	uint16 u16Length;
	uint16 k;
	while(1)
	{
        //读取当前中断标志
		i = w55_Read1Byte(W5500_IR);
        //清除中断标志																
		w55_Write1Byte(W5500_IR, (i&0xf0));												
		
		if((i & IR_CONFLICT) == IR_CONFLICT)															
		{
			//IP冲突处理代码添加
			return 0;
		}
 
		if((i & IR_UNREACH) == IR_UNREACH)															
		{
			//报文无法到达
			return 0;
		}
 
		i=w55_Read1Byte(W5500_SIR);																
 
		if((i & S1_INT) == S1_INT)	//Socket1用作TCP客户端																			
		{
            //读取socket1中断标志
			j=w55_ReadSock1Byte(W55_SOCKETCLIENT,W5500_Sn_IR);	
            //清除socket1中断标志			
			w55_WriteSock1Byte(W55_SOCKETCLIENT,W5500_Sn_IR,j);			
			if(j&IR_CON)//TCP客户端模式下，成功建立连接																										
			{
                  //一般添加发送设备信息
			}
			if(j&IR_DISCON)	//TCP模式下socket断开连接处理																						
			{
				w55_WriteSock1Byte(W55_SOCKETCLIENT,W5500_Sn_CR,CLOSE);//关闭
				w55_SocketInit(W55_SOCKETCLIENT);//	初始化TCP客户端socket										
				w55_SocketConnect(W55_SOCKETCLIENT);//尝试建立连接
								
			}
	        if(j&IR_SEND_OK)	//数据包发送成功
            {
	            //添加发送成功相关代码
            }
			if(j&IR_RECV)		//数据包接收																								
			{			
				memset(w55_DataTmpRC,'\0',sizeof(MAX_CIRCBUFF_SIZE_1+10));			
				u16Length = w55_ReadSockToBuffer(W55_SOCKETCLIENT,w55_DataTmpRC);				
				
				//通知处理接收数据
				
			}
			if(j&IR_TIMEOUT)//Socket连接或数据传输超时处理																								
			{
				w55_WriteSock1Byte(W55_SOCKETCLIENT,W5500_Sn_CR,CLOSE);//关闭
				w55_SocketInit(W55_SOCKETCLIENT);//初始化											
				w55_SocketConnect(W55_SOCKETCLIENT);	//重连						
			}
		}
		w55_WriteSockToBuffer(7,u8test1,2);
		if(w55_Read1Byte(W5500_SIR) != 0) 
		{
			continue;
		}
		else
		{
			break;
		}
	}
}

官网例程补充说明

W5500官网提供了包括开发板，原理图，以及参考代码和常见问题与技术服务等。参考代码又针对STM32，DSP，C8051以及基于操作系统分别提供了作为TCP客户端/服务器，UDP收发等例程。下面我们对STM32F407+W5500例程中的W5500作为TCP客户端工程进行简单的分析，具体代码可以去官网下载，我这边就不贴了。

工程中包含了DHCP/DNS客户端的实现代码，示例中并没有使用，我也就不详述了，有兴趣的可以去看看。W5500.c包含了主要的驱动实现，包含所有寄存器的定义以及用以上层调用的初始化，建立连接，发送接收等接口。考虑到MCU可能不通过SPI控制器与W5500进行通信，W5500.c实现了注册平台提供的MCU与W5500直接数据交互的函数。下面是示例工程的流程图：

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