STM32F429IGT6 ETH—LwIP 以太网通信——学习笔记4（以太网外设--ETH）
STM32F42x系列控制器内部集成了一个以太网外设，它实际是一个通过DMA控制器进行介质访问控制（MAC），它的功能就是实现MAC层的任务。借助以太网外设，STM32F42x控制器可以通过ETH外设按照IEEE 802.3-2002标准发送和接收MAC数据包。
ETH内部自带专用的DMA控制用于MAC，ETH支持两个工业标准接口（MII和RMII）用于和外部PHY芯片连接。MII和RMII接口用于MAC数据包传输（stm32和PHY之间传输数据），ETH还集成了站管理接口（SMI）接口专门用于与外部PHY通信，用于访问PHY芯片寄存器（该接口用于配置PHY芯片的属性）。
物理层定义了以太网使用的传输介质、传输速度、数据编码方式和冲突检测机制，PHY芯片是物理层功能实现的实体，生活中常用水晶头网线+水晶头插座+PHY组合构成了物理层。
ETH有专用的MDA控制器，它通过AHB主从接口与内核和存储器相连，AHB主接口用于控制数据传输，而AHB从接口用于访问“控制与状态寄存器”（CSR）空间。在进行数据发送时，先将数据由存储器以MDA传输到发送TX FIFO进行缓冲，然后由MAC内核发送；接收数据时，RX FIFO先接收以太网数据帧，再由DMA传输至存储器。ETH系统功能如下图。左边是MAC内核，右边是PHY芯片。
1、SMI接口
SMI是MAC内核访问PHY寄存器标志接口（用于配置PHY芯片），它由2根线组成，数据线MDIO和时钟线MDC。SMI支持访问32个PHY，这在设备需要多个网口时非常有用，不过一般设备都只使用一个PHY。PHY芯片内部一般都有32个16位的寄存器，用于配置PHY芯片属性、工作环境、状态指示等等，当然很多PHY芯片并没有使用到所有寄存器位。MAC内核就是通过SMI接口向PHY的寄存器写入数据或从PHY寄存器读取PHY状态，一次只能对一个PHY的其中一个寄存器进行访问。SMI最大通信频率为2.5MHZ，通过控制以太网MAC MII地址寄存器（ETH_MACMIIAR）的CR位可选择时钟频率。
①SMI帧格式
SMI是通过数据帧方式与PHY通信的，帧格式如下图，数据位传输顺序从左到右。
PADDR用于指定PHY地址，每个PHY都有一个地址，一般有PHY硬件设计决定，所以是固定不变的。RADDR用于指定PHY寄存器地址。TA为状态转换域，若为读操作，MAC输出两个位高阻态，而PHY芯片则在第一位时输出高阻态，第二位时输出“0”。若为写操作，MAC输出“10”，PHY芯片则输出高阻态。数据段有16位，对应PHY寄存器每个位，先发送或接收到的位对应以太网MAC MII数据寄存器（ETH_MACMIIDR）的位15.
②SMI读写操作
当以太网MAC MII地址寄存器（ETH_MACMIIAR）的写入位和繁忙位被置1时，SMI将向指定的PHY芯片指定寄存器写入ETH_MACMIIDR中的数据。写操作时序图如下。
当以太网MAC MII地址寄存器（ETH_MACMIIAR）的写入位为0并且繁忙位被置1时，SMI将从指定的PHY芯片指定寄存器读取数据到ETH_MACMIIDR内。读操作时序图如下。
2、MII和RMII接口
介质独立接口（MII）用于连接MAC控制器和PHY芯片，提供数据传输路径。RMII接口是MII接口的简化版本，MII需要16根通信线，RMII只需要7根通信线，在功能上是相同的。
- TX_CLK：数据发送时钟线。标称速率为10Mbit/s时为2.5MHZ;速率为100Mbit/s时为25MHZ。RMII接口没有该线。
- RX_CLK：数据接收时钟线。标称速率为10Mbit/s时为2.5MHZ;速率为100Mbit/s时为25MHZ。RMII接口没有该线。
- TX_EN：数据发送使能。在整个数据发送过程保持有效电平。
- TXD[3:0]或TXD[1:0]：数据发送数据线。对于MII有4位，RMII只有2位。只有在TX_EN处于有效电平数据线才有效。
- CRS：载波侦听信号，由PHY芯片负责驱动，，当发生或接收介质处于非空闲状态时使能该信号。在全双工模式该信号线无效。
- COL：冲突检测信号，由PHY芯片负责驱动，检测到介质上存在冲突后该线被使能，并且保持至冲突解除。在全双工模式该信号线无效。
- RXD[3:0]或RXD[1:0]：数据接收数据线，由PHY芯片负责驱动。对于MII有4位，RMII只有2位。在MII模式，当RX_DV禁止、RX_ER使能时，特定的RXD[3:0]值用于传输来自PHY的特定信息。
- RX_DV：接收数据有效信号，功能类似TX_EN，只不过用于数据接收，由PHY芯片负责驱动。对于RMII接口，是把CRS和RX_DV整合成CRS_DV信号线，当介质处于不同状态时会自切换该信号状态。
- RX_ER：接收错误信号线，由PHY驱动，向MAC控制器报告在帧某处检测到错误。
- REF_CLK：仅用于RMII接口，由外部时钟源提供50MHZ参考时钟。
因为要达到100Mbit/s传输速度，MII和RMII数据线数量不同，使用MII和RMII在时钟线的设计是完全不同的。对于MII接口，一般是外部为PHY提供25MHZ时钟源，再由PHY提供TX_CLK和RX_CLK时钟。对于RMII接口，一般需要外部直接提供50MHZ时钟源，同时接入MAC和PHY。
开发板板载的PHY芯片型号为LAN8720A，该芯片只支持RMII接口。
ETH相关硬件在STM32F42x控制器分布参考表：
3、MAC数据包发送和接收
ETH外设负责MAC数据包发送和接收。利用DMA从系统寄存器得到数据包数据内容，ETH外设自动填充完成MAC数据包封装，然后通过PHY发送出去。在检测到有MAC数据包需要接收时，ETH外设控制数据接收，并解封MAC数据包得到解封后数据通过DMA传输到系统寄存器内。
①MAC数据包发送
MAC数据帧发送全部由DMA控制，从系统存储器读取的以太网帧由DMA推入FIFO，然后将帧弹出并传输到MAC内核。帧传输结束后，从MAC内核获取发送状态并传回DMA。在检测到SOF（Start Of Frame）时，MAC接收数据并开始MII发送。在EOF（End Of Frame）传输到MAC内核后，内核将完成正常的发送，然后将发送状态返回给DMA。如果在发送过程中发送常规冲突，MAC内核将使发送状态有效，然后接收并丢弃所有后续数据，直至收到下一SOF。检测到来自MAC的重试请求时，应从SOF重新发送同一帧。如果发生期间未连续提供数据，MAC将发出下溢状态。在帧的正常传输期间，如果MAC在未获得前一帧的EOF的情况下接收到SOF，则将忽略该SOF并将新的帧视为前一帧的延续。
MAC控制MAC数据包的发送操作，它会自动生成前导字段和SFD以及发送帧状态返回给DMA，在半双工模式下自动生成阻塞信号，控制jabber（MAC看门狗）定时器用于在传输超过2048字节时切断数据包发送。在半双工模式下，MAC使用延迟机制进行流量控制，程序通过ETH_MACFCR寄存器的BPA位置1来请求流量控制。MAC包含符合IEEE 1588的时间戳快照逻辑。MAC数据包发送时序参考图如下图。
②MAC数据包接收
MAC接收到的数据包填充RX FIFO，达到FIFO设定阈值后请求DMA传输。在默认直通模式下，当FIFO接收到64个字节（使用ETH_DMAOMR寄存器中的RTC位配置）或完整的数据包时，数据将弹出，其可用性将通知给DMA。DMA向AHB接口发起传输后，数据传输将从FIFO持续进行，直到传输完整个数据包。完成EOF帧的传输后，状态字将弹出并发送到DMA控制器。在RX FIFO存储转发模式（通过ETH_DMAOMR寄存器中的RSF配置）下，仅在帧完全写入RX FIFO后才可读出帧。
当MAC在MII上检测到SFD时，将启动接收操作。MAC内核将去除报头和SFD，然后再继续处理帧。检查报头字段以进行过滤，FCS字段用于验证帧的CRC，如果帧未通过地址滤波器，则在内核中丢弃该帧。MAC数据包接收时序参考图如下。
4、MAC过滤
MAC过滤功能可以选择性的过滤设定目标地址或源地址MAC帧。它将检查所有接收到的数据帧的目标地址和源地址，根据过滤选择设定情况，检测后报告过滤状态。针对目标地址过滤可以有三种，分别是单播、多播和广播目标地址过滤；针对源地址过滤就只有单播地址过滤。
单播目标地址过滤是将接收的相应DA字段与预设的以太网MAC地址寄存器内容比较，最高可预设4个过滤MAC地址。多播目标地址过滤是根据过滤寄存器中的HM位执行对多播地址的过滤，是对MAC地址寄存器进行比较来实现的。单播和多播目标地址过滤都还支持Hash过滤模式。广播目标地址过滤通过将帧过滤寄存器的BFD位置1使能，这使得MAC丢弃所有广播帧。
单播源地址过滤是将接收的SA字段与SA寄存器内容进行比较过滤。
MAC过滤还具备反向过滤操作功能，即让过滤结构求补集。