目录
[TCP 协议简介](#TCP 协议简介)
[TCP 的协议特点](#TCP 的协议特点)
本篇文章，我们将详细介绍如何在 W55MH32 芯片上结合 RT-Thread 实时操作系统实现高效的 TCP 通信。利用 W55MH32 内置的 TOE（TCP/IP Offload Engine）引擎，我们无需在软件层面处理复杂的协议栈，只需通过简单的 Socket 编程及寄存器配置，即可轻松构建稳定的网络应用。 接下来，我们将通过实战例程，为大家演示如何在一个工程中同时运行 TCP Client（客户端） 和 TCP Server（服务器） 双模式。该例程利用 RT-Thread 的多线程特性，创建两个独立的任务分别处理不同的 Socket 连接，并进行数据回环测试。这不仅展示了 W55MH32 强大的硬件并发处理能力，也为开发复杂的多任务网络应用提供了标准的参考范式。
该例程用到的其他网络协议，例如DHCP，请参考相关章节。有关W55MH32的初始化过程，请参考Network Install章节，这里将不再赘述。
TCP 协议简介
TCP (Transmission Control Protocol) 是一种面向连接的、可靠的传输层协议，它用于在网络中可靠地传输数据。TCP 是互联网协议族中的核心协议之一，通常与 IP 协议（Internet Protocol）一起使用，形成套接字通信
TCP 的协议特点
- **面向连接：**在传输数据之前，TCP 需要建立一个连接，保证发送方与接收方能够彼此通信。通过三次握手（Three-Way Handshake）过程来建立连接，确保双方的通信是可靠的。
- **可靠性：**TCP 提供可靠的数据传输，确保数据完整并且按顺序到达接收端。如果数据丢失或出错，TCP 会自动重传丢失的数据包。
- **流量控制：**TCP 使用流量控制机制来调节数据的发送速度，防止接收方处理不过来导致数据丢失。常用的流量控制方法是滑动窗口（Sliding Window）。
- **拥塞控制：**TCP 可以动态调整传输速率，以避免网络拥塞。采用算法如慢启动、拥塞避免、快速重传等。
- **全双工通信：**在 TCP 连接建立后，数据可以在两个方向同时进行传输，支持双向通信
- **有序数据传输：**TCP 会对数据包进行编号，确保数据按顺序传输，即使网络发生延迟，接收端也能按顺序接收到数据。
- **拥塞控制：**TCP 传输的数据是字节流，不关心应用层数据的边界，应用层需要自己解析数据边界。
RT-Thread简介
- RT-Thread 是一款由中国社区主导开发的开源、硬实时嵌入式操作系统（RTOS）。它诞生于 2006 年，经过近 20 年的发展，已经从最初的一个小巧的内核，演变成了一个组件丰富、生态完善的物联网操作系统平台。
- 简单来说，它就像是物联网设备的"大脑"和"管家"，负责管理硬件资源、调度任务，并提供网络连接等高级功能。
RT-Thread特点
- **极致轻量与可裁剪：**它的内核非常精简，Nano 版本最小仅需 3KB ROM 和 1KB RAM，可以运行在资源极其有限的芯片上（如 Cortex-M0）。同时，它采用"内核+组件"的架构，你可以像搭积木一样，通过图形化工具（Env）按需裁剪系统功能。
- **硬实时性：**采用抢占式调度算法，保证高优先级任务能立即抢占低优先级任务，中断响应时间达到微秒级，非常适合对时间要求严苛的工业控制和汽车电子场景。
- **丰富的软件生态：**这是 RT-Thread 最大的亮点之一。它拥有类似手机应用商店的软件包机制，内置了 TCP/IP 协议栈、文件系统、GUI 引擎以及大量的传感器驱动和云连接组件（如 MQTT、AWS、阿里云）。开发者可以直接复用这些资源，极大地加速开发。
- **开源与商业友好：**遵循 Apache License 2.0 协议，这意味着你可以免费将其用于商业产品，且无需公开你自己的产品代码。
TCP应用场景
- 远程监控和数据采集：嵌入式设备通常用于采集传感器数据，并通过以太网连接上传到远程服务器，TCP协议确保数据传输的可靠性和完整性。
- 设备远程控制：许多嵌入式系统需要通过网络接收控制指令（例如工业自动化中的PLC控制），TCP协议提供了可靠的通信通道。
- 物联网（IoT）：许多物联网设备使用TCP协议与云服务器或其他设备进行通信，传输数据、执行命令等。
- 嵌入式Web服务器：一些嵌入式设备内置Web服务器（例如路由器、网关、传感器设备等），通过TCP协议提供网页接口给用户进行配置和监控。
使用TCP进行数据交互的流程
TCP 连接建立（三次握手）
在开始传输数据之前，TCP 会通过三次握手建立连接：
1.第一次握手 ：客户端向服务器发送一个带有 SYN 标志的数据包，表示请求建立连接。
2.第二次握手 ：服务器收到 SYN 数据包后，回复一个带有 SYN 和 ACK 标志的数据包，表示同意建立连接。
3.第三次握手：客户端收到服务器的 SYN+ACK 后，发送一个带有 ACK 标志的数据包，连接建立完成。
TCP 连接断开（四次挥手）
当通信结束时，TCP 需要通过四次挥手来断开连接：
1.第一次挥手 ：客户端发送一个 FIN 数据包，表示数据发送完毕，准备关闭连接。
2.第二次挥手 ：服务器收到 FIN 数据包后，回复一个 ACK 数据包，表示同意关闭连接。
3.第三次挥手 ：服务器发送一个 FIN 数据包，表示数据发送完毕，准备关闭连接。
3.第四次挥手：客户端收到服务器的 FIN 数据包后，发送一个 ACK 数据包，连接正式关闭。
TCP的ACK机制、重传机制和Keepalive机制
TCP的ACK机制
ACK 是 TCP 用于确认已成功接收到数据包的机制。在 TCP 通信中，每个数据包都包含一个序列号，接收方用 ACK 来告诉发送方已经成功收到的字节序列。
1.ACK 字段： ACK 包含在 TCP 报文头中，表示接收方期望接收的下一个字节的序列号。
2.累积确认： TCP 使用累积确认方式，表示接收方已经连续收到所有数据，直到某个序列号为止。
**3.超时重传：**如果发送方在超时时间内未收到 ACK，就会重传该数据包。
TCP的重传机制
TCP 的重传机制保证了数据的可靠传输。以下是常见的重传机制：
1.超时重传：
· 发送方设置一个定时器，当发送的数据包在规定时间内未收到 ACK，则触发重传。
· 超时时间是动态调整的，由 TCP 的往返时间（RTT, Round Trip Time）估算得出。
2.快速重传：
· 当接收方发现数据包丢失时，发送重复的 ACK（称为冗余 ACK），提醒发送方某个数据包未到达。
· 如果发送方连续收到 3 个重复的 ACK，就会立即重传对应的数据包，而不必等待超时。
3.选择性重传（Selective Repeat, SACK）：
· 在累积确认的基础上，TCP 还可以通过 SACK 选项告诉发送方哪些特定的块已收到，哪些未收到
· 这可以减少不必要的重传，提高效率。
TCP Keepalive 机制
TCP Keepalive 是 TCP 协议的一种可选机制，用于检测长时间空闲的连接是否仍然有效。它的主要作用是：
1.维护连接状态： 检测对方主机是否仍在线，避免资源被长期占用。
2.释放死连接： 如果连接已经失效（如网络中断或对方主机崩溃），Keepalive 可以及时释放资源。
3.防止中间设备超时关闭连接： 一些 NAT、路由器或防火墙可能会在连接长时间不活动时自动关闭，Keepalive 可防止这种情况。
用法：在W55MH32的TOE引擎中，需要在Sn_KPALVTR寄存器中设置对应socket的Keepalive时间，然后在该socket成功连接服务器后发送一条数据来激活Keepalive
实现过程
接下来，我们一起来看看如何在 W55MH32 芯片上，利用 RT-Thread 操作系统创建双线程，分别实现 TCP 客户端（Client）和 TCP 服务器（Server）模式，并进行数据回环测试。
步骤1：设置W55MH32和电脑的基本网络参数，使其处于同一网段内
cpp
#define DEFAULT_MAC_EN 1 // 1:默认MAC 0:自定义MAC
#define SOCKET_TCPC 0 // TCP客户端Socket号
#define SOCKET_TCPS 1 // TCP服务器Socket号
#define ETHERNET_BUF_MAX_SIZE (1024 * 2) // 网络缓冲区大小(2KB)
// TCP客户端：目标服务器IP+端口
uint8_t dest_ip[4] = {192, 168, 1, 120};
uint16_t dest_port = 8087;
// TCP服务器：本地监听端口
uint16_t local_port = 8084;步骤 2：RT-Thread 线程配置
cpp
// TCP客户端线程参数
#define TASK_TCPC_PRIO 1
#define TASK_TCPC_STK_SIZE 256
static rt_thread_t Task_TCPC_Handler = RT_NULL;
// TCP服务器线程参数
#define TASK_TCPS_PRIO 1
#define TASK_TCPS_STK_SIZE 256
static rt_thread_t Task_TCPS_Handler = RT_NULL;步骤 3：网络参数初始化
cpp
wiz_NetInfo default_net_info = {
.mac = {0x00, 0x08, 0xdc, 0x12, 0x22, 0x12}, // 自定义MAC
.ip = {192, 168, 1, 30}, // 静态IP
.gw = {192, 168, 1, 1}, // 网关
.sn = {255, 255, 255, 0}, // 子网掩码
.dns = {8, 8, 8, 8}, // DNS
.dhcp = NETINFO_DHCP // 开启DHCP
};步骤 4：开启 TCP Keepalive 保活
cpp
setSn_KPALVTR(SOCKET_TCPC, 6); // TCP客户端 30s保活
setSn_KPALVTR(SOCKET_TCPS, 6); // TCP服务器 30s保活步骤 5：系统初始化与线程启动
cpp
int app_init(void)
{
rt_kprintf("%s RTThread TCP example\n", _WIZCHIP_ID_);
wiz_toe_init(); // W55MH32 TOE引擎初始化
// 注册RT-Thread临界区函数（线程安全）
reg_wizchip_cris_cbfunc(rt_enter_critical, rt_exit_critical);
#if DEFAULT_MAC_EN == 1
getSHAR(default_net_info.mac); // 使用芯片默认MAC
#endif
wiz_phy_link_check(); // 检测以太网物理链路
network_init(tcpc_ethernet_buf, &default_net_info); // 网络初始化
// 开启Keepalive + 创建并启动双TCP线程
setSn_KPALVTR(SOCKET_TCPC, 6);
setSn_KPALVTR(SOCKET_TCPS, 6);
Task_TCPC_Handler = rt_thread_create("Task TCP Client", Task_TCPC, RT_NULL, TASK_TCPC_STK_SIZE, TASK_TCPC_PRIO, 20);
Task_TCPS_Handler = rt_thread_create("Task TCP Server", Task_TCPS, RT_NULL, TASK_TCPS_STK_SIZE, TASK_TCPS_PRIO, 20);
rt_thread_startup(Task_TCPC_Handler);
rt_thread_startup(Task_TCPS_Handler);
return 0;
}
INIT_APP_EXPORT(app_init); // RT-Thread自动初始化步骤 6：TCP 线程任务函数
cpp
// TCP客户端线程：循环连接服务器+数据回环
void Task_TCPC(void *parameter)
{
while (1)
{
loopback_tcpc(SOCKET_TCPC, tcpc_ethernet_buf, dest_ip, dest_port);
rt_thread_mdelay(1);
}
}
// TCP服务器线程：循环监听端口+数据回环
void Task_TCPS(void *parameter)
{
while (1)
{
loopback_tcps(SOCKET_TCPS, tcps_ethernet_buf, local_port);
rt_thread_mdelay(1);
}
}在这个程序中，会运行TCP 客户端 + TCP 服务器双状态机，基于不同的 SOCKET 状态执行对应的操作，SOCKET 的状态变化如下图所示：
系统整体初始化与调度流程图
· SOCK_CLOSED： 当前SOCKET未打开，配置连接服务器及连接端口号后打开SOCKET，打开成功后SOCKET会进入SOCK_INIT状态。
· SOCK_INIT： SOCKET执行连接服务器操作，如果连接成功，SOCKET状态改为SOCK_ESTABLISHED；连接失败，SOCKET状态改为关闭状态。
· SOCK_ESTABLISHED： 首先清除连接成功中断，并发送1包数据激活KeepAlive，然后读取Sn_RX_RSR（空闲接收缓存寄存器）寄存器的值，当收到服务器数据时，Sn_RX_RSR寄存器的值会大于0，此时我们将接收到的数据打印并将数据回环发送。
**· SOCK_CLOSE_WAIT：**当服务器主动断开连接时，SOCKET状态改为SOCK_CLOSE_WAIT状态，这是一个半关闭状态，可以进行关闭前最后的数据传输。使用disconnect()函数彻底断开连接时，SOCKET状态将改为SOCK_CLOSED状态。
运行结果
1.烧录例程运行后，首先可以看到 PHY 链路检测、DHCP 获取 IP，然后 TCP 初始化完成并开始监听端口，信息如下图所示：
注意：
1.测试实例需要 PC 端和 W55MH32 处于同一网段。
2.TCP 客户端连接失败时，程序会自动重新尝试连接，无需手动复位。
3.RT-Thread 线程栈大小不可过小，否则会导致线程崩溃；
4.提高数据吞吐量时，可增大ETHERNET_BUF_MAX_SIZE并调整 W55MH32 的 Socket 收发缓存寄存器；
5.多线程网络操作已注册 RT-Thread 临界区函数，保证硬件操作线程安全。
接下来我们打开两个网络调试工具，例如SOCKETTESTER 网络调试助手，分别设置为 TCP Client 和 TCP Server 模式，与 W55MH32 的双线程 TCP 通信例程进行双向测试。
1.TCP Server 模式（PC 端）打开 NetAssist，设置为TCP Server模式，选择 PC 的 IP 地址（如192.168.1.121）和端口号8087，点击「开启侦听」。此时 W55MH32 的 TCP 客户端线程会主动连接该服务器，串口调试工具中会打印连接成功日志。向 W55MH32 发送数据（如WIZNET），设备会将数据原样回发，实现数据回环测试。
2.TCP Client 模式（PC 端）打开另一个 NetAssist 窗口，设置为TCP Client模式，远程主机地址填写 W55MH32 的 IP（如192.168.1.129）和端口号8084，点击「连接」。W55MH32 的 TCP 服务器线程会响应连接请求，串口工具打印客户端接入日志。向设备发送数据（如WIZNET），设备会将数据回发，验证服务器功能正常。 通过串口调试工具（WIZ UartTool）可以同时观察设备的 TCP 客户端和服务器线程运行日志，包括连接状态、收发数据内容，验证双线程并发通信的稳定性。
总结
本文介绍了在 W55MH32 芯片上结合 RT-Thread 操作系统实现 TCP 客户端与服务器双模式的方法。通过创建独立的 RT-Thread 线程分别管理客户端和服务器的 Socket 状态机，实现了全双工的数据回环测试。示例中展示了如何配置 Keepalive 机制以维持长连接，以及如何处理 Socket 的状态流转。
下一篇文章将讲解W55MH32芯片实现UDP+client和UDP+server双模式并行通信，介绍 UDP 相关原理和实现步骤。敬请期待！