基于FPGA的以太网芯片W5300的tcp/ip协议的开发

   

       W5300的目标是在高性能的嵌入式领域，如多媒体数据流服务。与WIZnet现有的芯片方案相比较，W5300在内存空间和数据处理能力等方面都有很大的提高。 W5300特别适用于IPTV，IP机顶盒和数字电视等大流量多媒体数据的传输。通过一个集成有TCP/IP协议和10/100M的以太网MAC和PHY的单芯片可以非常简单和快捷地实现Internet连接。 W5300与主机（MCU）采用总线接口。通过直接访问方式或间接访问方式，W5300可以很容易与主机接口，就像访问SRAM存储器。W5300的通信数据可以通过每个端口的TX/RX FIFO寄存器访问。W5300的结构如下，外部接25m的晶振，经过内部的pll倍频到150m供内部模块使用。通过硬件上配置test_mode管脚可以使 它工作在internal phy 或者external phy模式。内部集成了mac和phy，不需要操作MII接口 。对数据的读写类似于操作对的DDR3.

 

 

    W5300的使用和我们常用的协议或者控制芯片一样，都是采用总线方式对其寄存器进行配置，从而实现相应的功能。下面将介绍它的TCP/IP协议的开发步骤。

W5300的配置大致分为三个过程：上电初始化、通用寄存器配置和socket寄存器配置三个过程：

 

1， 上电复位

    上电后，利用\RESET管脚对W5300进行初始化。RESET信号低电平至少持续2us，为了使锁相环逻辑稳定，复位信号恢复高电平后至少等待10ms

     

 

2，通用寄存器的配置

 

在通用寄存器配置完成之后，实际上嵌入式系统就可以进行物理连接了，当接入PC时，就可以ping通系统，从而验证通用寄存器配置是否成功。

 

3，Socket寄存器配置 ，即建立socket连接，tcp协议经过了3次握手，这是与udp协议不同之处。

 

 完成W5300初始化以后，W5300可以以TCP、UDP、IPRAW或MACRAW的方式打开Socket发送或接收数据。  在本设计中，W5300工作在TCP服务器模式下。为了实现TCP通信，需要对Socket0（W5300可以支持8个独立socket）进行初始化设置，然后进行侦听设置，完成TCP服务器建立，最后等待建立连接。

    通过Socket0模式寄存器S0_MR(P3：P0)和Socket0端口寄存器S0_PORTR分别设置通信协议和本机端口号(在TCP服务器模式，称之为侦听端口号)，然后向Socket0控制寄存器S0_CR中写入0x0001执行OPEN命令，执行完OPEN命令后，如果Socket0状态寄存器S0_SSR改变为SOCK_INIT（0x13），则Socket0的初始化设置完成；再向S0_CR中写入0x0002执行侦听命令，若S0_SSR改变为SOCK_LISTEN（0x14），则侦听完成，W5300设置为TCP服务器；最后等待S0_SSR改变为SOCK_ESTABLISHED（0x17），若S0_SSR变为预期值，则建立了Socket0连接，可以进行数据通信。

 

 

4、接收数据

首先要判断Socket0的RX存储器中是否有接收到的数据，即读取Socket0接收数据报长度寄存器S0_RX_RSR的值，并判断该值是否等于零。如果S0_RX_RSR的值等于零，表示没有数据接收，则继续判断，否则说明Socket0的RX存储器接收到数据，则进入下一步接收数据操作。  当存储器中接收到数据时，要进一步判断Socket0模式寄存器S0_MR的对齐控制位（ALIGN），若S0_MR[8] = 0（0表示没有对齐），则从Socket0的RX_FIFO寄存器S0_RX_FIFOR中读取需要接收的数据字节长度（这样做是由TCP/IP协议数据格式来确定的），否则从S0_RX_RSR中读取数据字节长度。实际上，在对齐的判断过程中，潜在的判断了数据字节是不是偶数，对齐则为偶数（S0_MR[8] = 1）。  得到数据字节长度信息后要将其转换为数据字长度，在TCP通信过程中，当每次收到的数据包的字节数为偶数时，S0_MR[8]（ALIGN）为‘1’，删去附在接收数据包中的PACKET-INFO（数据的字节数），可以使读取数据的操作大大增强。如果收到的数据长度字节数为奇数，那么将添加一个哑字节，主机必须首先读取这个哑字节并丢弃它。从PACKET-INFO的字节长度信息可以判断数据包的最后一个字节是否为哑字节。字数作为读取S0_RX_FIFOR中接收内容的循环控制量。注意，字数的大小与数据总线宽度有关，本系统采用16位总线，所以包含2个字节。 最后，要在向S0_CR写入0x0040，执行REVC命令，告知主机W5300已经完成数据的读取。

 

 

5、数据发送

首先读取Socket0剩余存储空间寄存器S0_TX_FSR，并判断S0_SSR当前的状态，若既不处于连接状态（SOCK_ESTABLISHED），也没有接收到连接断开请求（SOCK_CLOSE_WAIT），则直接关闭端口。  判断要发送数据的字节长度是否小于发送寄存器剩余空间的大小，如果小于等于剩余空间，则将需要发送数据字通过S0_TX _FIFOR复制到Socket0的TX存储器中，然后再将发送数据字节长度值写入Socket0的写长度寄存器S0_TX_WRSR，告知W5300需要向上位机发送数据的字节数。最后向S0_CR写入0x0020执行SEND命令，W5300收到此命令后对接收到的数据进行协议处理，并发送到网络中。数据发送完成后，Socket0的中断寄存器S0_IR会产生发送完成(SEND_OK)中断（用于检测上一次是否发送完成），中断值为0x0010，软件清除该中断后表示完成一次发送。如果是第一次发送，则不需要检测SEND_OK

 

另外：  由于不需要操作高速MII接口，我们给的工作时钟是50m，时序方面也很容易过。

 

 

6， tcp协议和udp协议的区别

   a.基于连接与无连接；

   b.对系统资源的要求（TCP较多，UDP少）；

  c.UDP程序结构较简单；

 d.流模式与数据报模式 ；

 e.TCP保证数据正确性，UDP可能丢包，直接导致TCP的传输效率不如UDP

 f.TCP保证数据顺序，UDP不保证。

 

UDP是无连接通信协议，即在数据传输时，数据的发送端和接收端不建立逻辑连接。简单来说，当一台计算机向另外一台计算机发送数据时，发送端不会确认接收端是否存在，就会发出数据，同样接收端在收到数据时，也不会向发送端反馈是否收到数据。  由于使用UDP协议消耗资源小，通信效率高，所以通常都会用于音频、视频和普通数据的传输例如视频会议都使用UDP协议，因为这种情况即使偶尔丢失一两个数据包，也不会对接收结果产生太大影响。

从上图可以看到，TCP/IP是个协议组，可分为三个层次：网络层、传输层和应用层。  在网络层有IP协议、ICMP协议、ARP协议、RARP协议和BOOTP协议。  在传输层中有TCP协议与UDP协议。  在应用层有FTP、HTTP、TELNET、SMTP、DNS等协议。

Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组API接口。