【嵌入式】嵌入式设备实现网络功能——综述

前言

随着物联网的推进，以及一些特殊应用场合下对网络功能的要求，网络功能在嵌入式设备中已经成为常客。
对于大部分物联网应用场景，网络功能的任务就是实现设备无线接入外网，从而进行数据通讯，无论协议是TCP、UDP、MQTT中的哪一种。
对于一些特殊场合的应用，网络功能的任务是是嵌入式设备通过RJ45网口、光纤接口等有线方式实现局域网内通讯，或者点对点通讯。

实现方式

一、无线网络的实现

物联网方向的应用，大多是基于无线通讯方式。市面上已经有很多芯片、模块可供使用。比如应用在wifi的ESP8266模块、应用在2G/4G的有方N10模块、有方N58模块等，应用示意图如下所示。

以上模块都把TCP、UDP等复杂的协议栈封装在模块中，使用者只需要完成简单配置即可实现TCP、UDP传输。以上模块都是单片机通过AT指令的方式读写模块，从而实现模块配置、状态获取、命令下发，最终实现TCP、UDP等网络通讯。可见，通过外扩模块的方式，单片机只需要使用一个UART串口外设，即可完成物联网通讯，而不必关注网络极其复杂的MAC层、物理层、协议层内容。

二、有线网络的实现

对于有线网络的实现，主要有两种方式：

1 通过外接物理层（PHY）芯片的方式接入有线网络

这个方式的前提是单片机内部有以太网（ETH）外设，内部已经集成了MAC层，如STM32F207、STM32F4系列的大部分芯片。如果是以上芯片，即可通过MII或RMII接口连接外部PHY网络芯片，然后再通过网络变压器或者阻抗匹配网络等接入有线网络。
对于实现TCP、UDP、HTTP等通讯，仅仅完成以上步骤还不够，因为以上过程只完成了MAC层与PHY层的接入，还要移植协议层才能使用TCP、UDP、HTTP等常规协议。幸好有LwIP这个轻量化的协议栈可以移植，并且通过STM32CubeMX可以一键完成移植。

2 通过外接以太网芯片

看了方法1，是不是觉得太麻烦了，我不仅要有集成MAC层的MCU，还要外接PHY物理芯片，关键是还要占用ROM、RAM来完成协议栈程序的移植，不能忍。那么接下来的方法2可能是你的菜。
为了解决单片机接入有线以太网复杂的难题，市面上已经有很多以太网芯片解决方案。如CH395、W5500、DM9051等以太网芯片。他们将MAC层、PHY层、协议栈等统统封装在了芯片内部，使用者只需要通过UART串口或者SPI或者并口的方式与芯片进行通讯，即可完成单片机设备在有线网络中的通讯。
这对于低性能MCU、资源吃紧的MCU来说，无疑是一个极佳的解决方案。