STM32F4+DP83848以太网通信指南系列（一）：知识储备

丁丁的博客：https://www.hexcode.cn/article/show/stm32-ethernet1

2017-12-09 17:32:19

• 以太网通信
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STM32F4+DP83848以太网通信指南系列（一）：知识储备

前言：项目需求使用STM32F407进行以太网通信，并涉及到数据链路层的工业以太网通信，使用LWIP协议栈并不能满足需求，因此需要自己摸清STM32F407调用外部PHY进行网络收发包的过程，并在此基础上尝试自己构建适用于项目的网络协议栈。我基本上是从零开始着手这个项目的，之前只有一些STC51系列和STM32F1系列单片机开发的经验，项目开发过程中学习、参考、借鉴了很多网络上的教程和博客，在此尤其感谢正点原子团队发布的相关视频教程。公司买的开发板主芯片是一颗STM32F407，搭配了一颗DP83848的PHY，因此本系列教程将使用DP83848进行适配，同时原子哥的学习板和教程中是使用LAN8720这颗PHY进行适配的，本系列指南也会花一些篇幅介绍各种PHY与STM32芯片进行适配的方法。

为了您更好地阅读本系列，请点击原创连接进行浏览：

• 《STM32F4+DP83848以太网通信指南第一章：知识储备》
• 《STM32F4+DP83848以太网通信指南第二章：系统时钟》
• 《STM32F4+DP83848以太网通信指南第三章：中断向量》
• 《STM32F4+DP83848以太网通信指南第四章：PHY配置》
• 《STM32F4+DP83848以太网通信指南第五章：MAC+DMA配置》
• 《STM32F4+DP83848以太网通信指南第六章：Wireshark使用》
• 《STM32F4+DP83848以太网通信指南第七章：发包流程》
• 《STM32F4+DP83848以太网通信指南第八章：收包流程》
• 《STM32F4+DP83848以太网通信指南第九章：自己写一个ARP协议》

本章为系列指南第一章，主要是介绍一下项目思路，并且尽可能列出从零开始着手开发这个项目过程中，所需要理解的各类知识点，关于这些知识点，如果需要更详细的介绍，请列为看官自行百度谷歌。

STM32F407简介

• STM32F407主频168MHz，主频这个数值的意义可以这么理解：每秒执行168,000,000步简单指令，也就是每毫秒168,000次，每微妙168次。我们工业以太网进入实时通信后的数据传输周期大概每2ms交互4次，每次60个Byte，最差的算法复杂度计算下来需要每毫秒4 / 2 * 60byte = 120步(事实上用不了这么多步)，而这颗STM32F07的芯片提供每毫秒168,000次操作，相差3个数量级，因此大致上看来这颗芯片是完全可以胜任的。

• STM32F407可以通过多个时钟配置方案达到最高168MHz，一般是使用外部8MHz晶振，通过锁相环倍频到168MHz，这个我们后面章节会讲。

• 目前STM32芯片有三种代码编写的方案：第一是寄存器方案，通过内部各种地址定义的宏来操作，晦涩难懂，需要不停地查资料才能理解；第二种是标准库函数方案，沿用一份很久没有更新的标准库进行开发，标准库ST公司已经不打算维护升级了，但是网络上资料非常丰富；第三种是HAL库函数方案，继标准库推出多年之后，ST公司推出了HAL库函数版本的SDK，这份SDK保持维护和更新，并且ST公司在F7系列芯片上只允许这使用HAL库函数编程，目前为止该库函数版本的书籍资料并不是很丰富，值得庆幸的是正点原子团队也率先推出了STM32F1，F4，F7全系列的HAL库函数教程，参见：http://openedv.com/thread-13912-1-1.html 。但是针对本项目，我们依然使用标准库函数进行开发，理由是可以参考借鉴大量的以太网通信实验代码，以及ST官方的LWIP协议栈代码，毕竟这些现有成熟的代码还都是基于标准库函数进行编写的。

• STM32文档资料方面，请自行下载以下文件：

1. ST-RM0090 STM32F4参考手册中文版.pdf
2. 正点原子-STM32F4开发指南-标准库函数中文版.pdf
3. 正点原子-STM32F4标准库函数例程.rar

以太网层次的理解，白话版

以太网分为很多层（按照OSI模型有七层，按照TCP/IP协议有五层），我们只需要了解其中这么几个：

1. 最底下的PHY物理层：发送和接受光、电、电磁波等各类模拟量的信号，使其在介质上传输，尽最大可能保证其完整和准确。
2. PHY上方的MAC层：构建有意义的帧格式，提供一定能力的校验功能。
3. 网络层：为整个网络拓扑服务，一般运行在后台，用户无感知，为网络结构提供路由(ARP)、通路测试(ICMP:Ping)等基础服务。
4. 除了上述三个层，其余的层我们可以一并理解为应用层，因为其余各层都是由应用程序根据不同的协议自行构建报文的。应用层所有的报文可分为两个大类，TCP和UDP，TCP提供三次握手+四次挥手，因此网络资源消耗比较大，但是提供了确切的成功或者不成功的信息；UDP只需要发送方发送一次报文就可以，因此发送和接受成功与否并不可知。构建于TCP之上的协议有著名的HTTP、FTP、Telnet等；构建于UDP之上的协议相对来说不是很常见，像SNMP、TFTP这些简单协议基本上都用不到，原因很简单，UDP提供的是不确定的网络通信，一般网络交互都需要非常确切的成功失败的返回结果，记得曾几何时OICQ（暴露年龄）的聊天信息就是通过UDP协议传送的，现在估计早就换成TCP了。

STM32F407以太网架构

有了以上以太网层次的理解后，我们将STM32F407的网络架构与之对照理解。

• STM32F407内置了MAC层的处理能力，并且使用DMA技术强化了MAC层能力。
• DMA(Direct Memory Access，直接内存存取)，是现代处理器一个很重要的技术，它允许不同速度的硬件装置来沟通，也不需要依赖于CPU的大量中断负载。如果没有DMA，CPU需要从来源把输入数据复制到暂存器，然后把它们再次写回到需要使用的地方。在这个时间中，CPU对于其他的工作来说完全无法使用。—以上节选自百度百科
• 关于DMA的进一步理解：STM32F407的总线架构中，单独分配了一个MAC层的DMA数据总线，也就是无论你用不用，核心逻辑总会在固定的时间段释放对总线数据的访问，由一段MAC层控制器来对数据总线上的数据进行存取处理。这段处理，是独立于168MHz主频之外的。如图所示（图片来自RM0090ST官方STM32F4手册P50）：
  
• 拥有DMA能力的MAC层，可以在用户代码完全不干预的情况下，将DMA中的数据发送给PHY，同时在PHY接到数据后，将PHY的数据读取到DMA中，并通知中断。以上操作的前提是：用户提前配置好MAC，PHY，DMA，以及中断向量，这部分工作是这个系列的核心内容，涉及到的内容比较多，会在后续章节逐一介绍。

PHY模块

• STM32F407内置的MAC层让使用者封装字节数据为网络帧结构，但STM32F407并没有能力将其发送到电缆上去，特别是涉及到光电电磁等模拟量的信号，没法处理，因此需要外部PHY模块进行辅助。我们知道STM32F407是一个纯数字电路芯片，而PHY需要处理的又是模拟信号，功耗比纯数字电路大很多（摸上去发烫）。因此从成本、体积、工艺等各方面考虑，ST公司并未在STM32系列芯片中增加PHY模块，而是建议用户在PCB板上自行增加PHY模块。目前已经有一些芯片公司推出了内置PHY的芯片，不过比较少，可自行百度谷歌或者，淘宝，对，你没听错，搜这方面资料时有时候淘宝比较厉害。
• PHY芯片可选型号比较丰富，有纯粹的PHY芯片（DP83848，LAN8720），也有集成MAC层+PHY层的芯片(ENC28J60,DM9000)，还有内置TCP/IP协议栈硬解码的MAC+PHY芯片(W5500)。这里要注意的是，我们这个项目涉及到工业以太网协议，IO数据通过OSI模型中的链路层收发，因此千万不能选择集成TCP/IP协议栈的PHY芯片，那种芯片通过I2C或者SPI将TCP/UDP报文抽象出来发送给上位机，已经将链路层不符合TCP/UPD规则的过滤掉了。
• MAC跟PHY通信是使用RMII或者MII接口，前者引脚使用少，频率高；后者引脚使用多，频率低。一般使用前者。DP83848可以使用RMII或者MII，LAN8720只可以使用RMII。无论RMII还是MII，你都只需要做个了解，在配置时根据电路引脚的接法，配置好。具体的时序图不需要看，不需要你直接控制，有现成的函数帮忙。
• PHY有地址的概念，MAC理论上最多能控制32个PHY（可以自己做一个32端口的交换机了）。DP83848的42-46引脚读入自己的ADDR，MAC在通信时可以指定其中某一ADDR进行通信，ADDR不匹配的PHY自动忽略信号。
• DP83848的datesheet下载：DP83848C.pdf

Ethernet库函数

• STM32的开发环境是Keil5，通过配置Keil5，可以下载获得STM32F4系列的SDK，也就是标准库函数的SDK，但是这份标准库函数里面是没有有关Ethernet方面的函数的，为什么？因为ST公司认为PHY都没集成到CPU里面，库函数就更没办法集成进去了，包括PHYADDR，MII，RMII的选择，有的PHY甚至不使用MII或者RMII接口，而是高度封装后使用SPI进行通信。因此ST没法为所有用户提供一个通用的函数库，但是官方提供了一个DEMO程序，该程序作用非常大，到ST官网，搜索框输入LWIP就能搜到这个DEMO，官方文档编号是STSW-STM32070，适用于STM32F4系列的以太网通信DEMO，使用LWIP协议栈，适配PHY为DP83848，正好是我们使用的这一款。
• 上述页面下载时需要注册ST，用户名密码登录，而ST的响应速度超慢，可能还需要科学上网，列位可以到我上传的地址下载：en.stsw-stm32070.zip
• 这份文档里/STM32F4x7_ETH_LwIP_V1.1.1/Libraries/STM32F4x7_ETH_Driver下面的stm32f4x7_eth.c以及配套的.h文件是比较关键的，类似于标准库提供的那些I2C,UART,SPI等库函数文件。该文件的使用方法和理解，后续章节会详细介绍。

LWIP协议栈

• LWIP是一个精简版的TCP/IP协议栈，广泛用于嵌入式设备中，占用内存少。
• LWIP通过调用MAC层来实现网络通信，调用的库函数就定义在上述的STM32F4x7_ETH_Driver文件中。
• LWIP可以解决大多数应用层场景的通信需求，比如TCP和UDP。
• LWIP无法解决链路层的通信问题，因此我们本项目并没有移植LWIP，而是参考借鉴LWIP调用MAC层部分的代码，从而自己构建协议栈，完成收发包任务。

总结

以上就是整个STM32以太网通信的基础知识，知识点比较零碎，我尽量用白话文把他们罗列出来，因为我也是从零开始学着做的，期间看过不少晦涩难懂的文档。在着手写这个系列的时候，我们公司的这个项目已经被我搞定了，虽然具体实现的协议，应用的场景需要保密无法透露，但我仍然希望就STM32嵌入式以太网通信这个通用的问题，就我的能力讲解出来，帮助有需要的朋友。