STM32开发笔记54:STM32F4+DP83848以太网通信指南系列(八):收包流程

本章为系列指南的第八章,讲述如何使用STM32F407芯片配合DP83848进行以太网数据的收包流程,将监听到的网络包数据通过UART传给PC,同时辅以WireShark监听对比验证。

关于UART,也就是串口通信的使用,这里不做赘述,我们这里预设两个函数分别为UART6Init()和UART6Send(),实现的功能是串口6的初始化和发送。

以太网中断

在《STM32F4+DP83848以太网通信指南第五章:MAC+DMA配置》中,我们已经添加了以太网中断,其思路就是想让每次以太网上有收到包都能触发中断,我们可以在中断中将DMA中的数据包取出来进行分析,然后复位,让芯片下一次继续响应中断。

配置中断的代码非常简单,跟其他任何中断都一样,这里再复习一次:

void ETH_NVIC_Config(void) {
    NVIC_InitTypeDef   NVIC_InitStructure;

    /* Enable the Ethernet global Interrupt */
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = ETH_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

整个工程的优先级组别选用的NVIC_PriorityGroup_4,有4位抢占位,0位响应位,也就是可以分配16个可以互相嵌套的中断等级。这里以太网中断的主优先级为1,相当于第二高,前面预留了个优先级为0的,用来分配给系统计时器,毕竟不能因为以太网数据的响应影响系统走时。

在UART6Init()串口初始化函数中,给串口的中断等级是2,低于以太网中断,因为串口的波特率是9600,要远远低于以太网速率,如果给串口的优先级过高,会影响以太网的使用。

配置了中断后,我们还需要知道中断的入口函数,这个函数名是固定死的,不能乱写,我们去找找。

在《STM32F4+DP83848以太网通信指南第五章:MAC+DMA配置》我提到,中断配置代码中的ETH_IRQn变量,我们可以在stm32f4xx.h文件中找到定义,是在一个枚举结构中。那与之对应的中断入口名称该怎么找呢,原来所有的中断入口的定义,都用汇编入口的方式定义在启动文件中,这份启动文件我们之前一直没有关注过,现在打开看一看,在startup_stm32f40_41xxx.s中148行有其定义,截图如下。

STM32开发笔记54:STM32F4+DP83848以太网通信指南系列(八):收包流程_第1张图片

中断中的数据处理

配置好了以太网中断,也知道了中断入口函数的名称,下面我们就来编写以太网中断函数。打开工程中的stm32f4xx_it.c文件,一般每一个使用了中断的STM32工程都会有这么一个文件,用来集中管理中断入口。追加以下代码:

/**
  * @brief  This function handles ethernet DMA interrupt request.
  * @param  None
  * @retval None
  */
void ETH_IRQHandler(void)
{
    /* Handles all the received frames */
    /* check if any packet received */
      while(ETH_CheckFrameReceived()){ 
        /* process received ethernet packet */
        Pkt_Handle();
    }
    /* Clear the Eth DMA Rx IT pending bits */
    ETH_DMAClearITPendingBit(ETH_DMA_IT_R);
    ETH_DMAClearITPendingBit(ETH_DMA_IT_NIS);
}

上面的代码配上英文的注释也很好理解,以太网中断中首先检查是否接受到以太网的数据包,如果是,就调用Pkt_Handle()函数进行下一层的分析和处理,最后两行Clear复位中断标记,让下一次中断能够产生。那么问题就集中到Pkt_Handle()函数上来了。kt_Handle()函数是我自己命名的,这个函数的原型取自LWIP中的LWIP_Pkt_Handle(),我们先来观察一下LWIP中的包分析函数怎么写的:在STM32F4x7_ETH_LwIP_V1.1.1/Project/Standalone/udp_echo_client/src/netconf.c中,有如下代码:

/**
* @brief  Called when a frame is received
* @param  None
* @retval None
*/
void LwIP_Pkt_Handle(void)
{
  /* Read a received packet from the Ethernet buffers and send it to the lwIP for handling */
  ethernetif_input(&gnetif);
}

可以看到LWIP继续调用了下层的ethernetif_input(),继续追踪到我们之前提到的最底层文件ethernetif.c,是不是有种似曾相识的感觉,这个文件前几章我们不止一次遇到过,分别为我们提供了low_level_init、low_level_output多个重要函数,我们现在又一次遇到它了,看上去它这次要为我们的以太网监听提供low_level_input了。

果不其然,在ethernetif_input函数中,我们看到了这个预料中的函数调用,截图如下:

STM32开发笔记54:STM32F4+DP83848以太网通信指南系列(八):收包流程_第2张图片

我这里把路径为STM32F4x7_ETH_LwIP_V1.1.1/Utilities/Third_Party/lwip-1.4.1/port/STM32F4x7/Standalone/ethernetif.c的原版low_level_input()的所有代码都贴出来,感兴趣的朋友可以仔细研读:

/**
 * Should allocate a pbuf and transfer the bytes of the incoming
 * packet from the interface into the pbuf.
 *
 * @param netif the lwip network interface structure for this ethernetif
 * @return a pbuf filled with the received packet (including MAC header)
 *         NULL on memory error
 */
static struct pbuf * low_level_input(struct netif *netif)
{
  struct pbuf *p, *q;
  u16_t len;
  int l =0;
  FrameTypeDef frame;
  u8 *buffer;
  uint32_t i=0;
  __IO ETH_DMADESCTypeDef *DMARxNextDesc;


  p = NULL;

  /* get received frame */
  frame = ETH_Get_Received_Frame();

  /* Obtain the size of the packet and put it into the "len" variable. */
  len = frame.length;
  buffer = (u8 *)frame.buffer;

  /* We allocate a pbuf chain of pbufs from the Lwip buffer pool */
  p = pbuf_alloc(PBUF_RAW, len, PBUF_POOL);

  /* copy received frame to pbuf chain */
  if (p != NULL)
  {
    for (q = p; q != NULL; q = q->next)
    {
      memcpy((u8_t*)q->payload, (u8_t*)&buffer[l], q->len);
      l = l + q->len;
    }    
  }

  /* Release descriptors to DMA */
  /* Check if frame with multiple DMA buffer segments */
  if (DMA_RX_FRAME_infos->Seg_Count > 1)
  {
    DMARxNextDesc = DMA_RX_FRAME_infos->FS_Rx_Desc;
  }
  else
  {
    DMARxNextDesc = frame.descriptor;
  }

  /* Set Own bit in Rx descriptors: gives the buffers back to DMA */
  for (i=0; iSeg_Count; i++)
  {  
    DMARxNextDesc->Status = ETH_DMARxDesc_OWN;
    DMARxNextDesc = (ETH_DMADESCTypeDef *)(DMARxNextDesc->Buffer2NextDescAddr);
  }

  /* Clear Segment_Count */
  DMA_RX_FRAME_infos->Seg_Count =0;

  /* When Rx Buffer unavailable flag is set: clear it and resume reception */
  if ((ETH->DMASR & ETH_DMASR_RBUS) != (u32)RESET)  
  {
    /* Clear RBUS ETHERNET DMA flag */
    ETH->DMASR = ETH_DMASR_RBUS;
    /* Resume DMA reception */
    ETH->DMARPDR = 0;
  }
  return p;
}

同样的,配合注释应该也容易理解。22行的frame变量取到了以太网数据包,ETH_Get_Received_Frame函数,不用LWIP也是有的,在之前我们提到过的stm32f4x7_eth.c文件中,len和buffer两个变量一个是包长度,一个是包内容头指针。下面/* copy received frame to pbuf chain */那一段是用链表遍历的方式,将以太网包数据放入LWIP处理数据的pbuf链表中,方便LWIP上层逻辑获取数据,这里我们不使用LWIP,这一段可忽略。接下来所有的操作都是针对DMA进行的,将DMA复位,因此我们需要保留,否则会一直产生重复的中断。

通过以上的分析,我们可以轻松写出自己的Pkg_Handle()函数了:

void Pkt_Handle(void) {
    FrameTypeDef frame;

    /* get received frame */
    frame = ETH_Get_Received_Frame();
    /* Obtain the size of the packet and put it into the "len" variable. */
    receiveLen = frame.length;
    receiveBuffer = (u8 *)frame.buffer;

    printf("0011%d0022\n", receiveLen);    //将每一个的包长度发往串口

    if(receiveBuffer[41] == 201){        //如果第42字节是十进制201,则将整个包内容发往串口
        for (i = 0; i < receiveLen; i++) {
            printf("%c", receiveBuffer[i]);
        }
    }

    /* Check if frame with multiple DMA buffer segments */
    if (DMA_RX_FRAME_infos->Seg_Count > 1) {
        DMARxNextDesc = DMA_RX_FRAME_infos->FS_Rx_Desc;
    } else {
        DMARxNextDesc = frame.descriptor;
    }

    /* Set Own bit in Rx descriptors: gives the buffers back to DMA */
    for (i = 0; i < DMA_RX_FRAME_infos->Seg_Count; i++) {
        DMARxNextDesc->Status = ETH_DMARxDesc_OWN;
        DMARxNextDesc = (ETH_DMADESCTypeDef *)(DMARxNextDesc->Buffer2NextDescAddr);
    }

    /* Clear Segment_Count */
    DMA_RX_FRAME_infos->Seg_Count = 0;

    /* When Rx Buffer unavailable flag is set: clear it and resume reception */
    if ((ETH->DMASR & ETH_DMASR_RBUS) != (u32)RESET) {
        /* Clear RBUS ETHERNET DMA flag */
        ETH->DMASR = ETH_DMASR_RBUS;
        /* Resume DMA reception */
        ETH->DMARPDR = 0;
    }
}

验证和总结

上述函数,配合ETH_IRQHandler中断中的调用,完成了以太网的收包,并且将接受的包的长度使用0011%d0022通过printf函数通过UART发往了PC端,因为如果将整个包内容发往PC的话,串口数据会非常多。同时如果为了验证buffer中的内容能正确获取,我们写了一个if判断,判断如果数据包中的第42个字节为201,则将包内容转发到串口中去。

我们用JLink烧录进STM32F4,将PC的有线网卡与STM32直接,打开WireShark和串口通信助手进行观察和验证,截图如下。

STM32开发笔记54:STM32F4+DP83848以太网通信指南系列(八):收包流程_第3张图片

红色框框部分是关注重点,我们在CMD命令窗口ping 192.168.1.201,可以触发一个ARP包,这个包中的第42个字节就是201,因此可以触发STM32中的if判断,将包内容通过串口转发给PC,而其他普通包,STM32则使用0011%d0022的格式将包长度发给了PC,整个实验顺利完成。

总结一下,本章我们依旧分析到了ethernetif.c文件,这次是观察的它的low_level_input()函数,借助这个函数,我们编写了我们自己的处理包的逻辑函数Pkg_Handle(),并通过以太网中断入口函数ETH_IRQHandler调用它,最后我们成功的使用WireShark配合串口进行了收包的验证。

我们可以发现这个系列教程的后半段几乎都在不停地围绕LWIP库中的ethernetif.c文件进行分析,到目前为止,它的几个重要底层函数low_level_init、low_level_output、low_level_input已经分别为我们的以太网初始化、以太网发包、以太网收包等代码提供了重要的核心逻辑。

下一章,是我们这个系列的最后一章,我们将在STM32F4上,利用之前实验过的各个功能,自己构建一个能响应ARP协议的程序。有了ARP协议的处理过程,我们就能在此基础上扩展更多其他的协议,即使遇到工业以太网跑在链路层的各个协议,我们也能捡其重点,按照自己的意愿,随心所欲的搭建了。

 

 

 

 

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