【嵌入式】STM32通过PHY芯片实现Macraw透传

前言

单片机接入有线网络(RJ45双绞线、光纤等)时，可使用外接集成了mac、phy、协议层的网络芯片，如CH395、W5500、DM9051等，这些芯片只靠SPI、串口、并口等即可实现单片机接入有线网络。且上述芯片除了TCP、UDP等常规网络协议，还支持Macraw模式。
Macraw模式在一些电力系统中有广泛的应用，因为Macraw模式可以在以太网链路的基础上，任意规定自己的通讯协议，而不必非要使用TCP、UDP等常规网络协议。
Macraw帧格式如下所示，数据域不得超过1500字节，当数据域小于46字节时，将会以0x00填充至46字节，最后的4字节CRC32不用管，因为在上述以太网芯片中，CRC32是自动计算并接入帧尾的，你只需要关注目的MAC、源MAC、类型及数据即可，网络帧的帧头也会在芯片中自动填充。

由我的上一篇博文【嵌入式】嵌入式设备实现网络功能——综述中可知道，使用上述以太网芯片能够最简单的实现单片机接入有线网络，你不需要关注MAC层、PHY层、协议层中的任何内容，只需要阅读芯片手册，会通过SPI等进行命令发送、数据收发即可。
但是，使用集成MAC层的单片机+PHY物理层芯片的方案存在即合理，比如市面上少有以太网芯片内集成的PHY具备光纤模式，同时，通过SPI控制以太网芯片，在数据量较大时也给占用了极大的运行时间。
通过STM32+PHY芯片+LwIP实现接入有线网络的方案网上一抓一大把，然而使用STM32+PHY芯片实现Macraw传输的资料却几乎搜不到。今天我们就来盘一盘，如何利用STM32CubeMx+PHY物理层芯片来实现Macraw的网络透传。

一、硬件平台

整个硬件平台使用手上现成的原子STM32F4探索者开发板，MCU是STM32F407ZET6，PHY芯片为LAN8720A，且板子上已经有了网络变压器以及RJ45接头，基本电路图如下。MCU通过RMII接口与LAN8720A连接。由于LAN8720的2号引脚接地，所以其14号引脚输出50MHz，作为时钟基准驱动自己和STM32的CLK口。

二、STM32的以太网外设

STM32F4系列的以太网外设主要掌握两点即可，一个是MAC配置，另一个是DMA理解。

1.MAC配置

关于MAC层的配置，基本使用STM32外设寄存器的默认值即可。初始阶段我们可能并不需要MAC地址过滤功能，因此我们可以通过配置MAC的MACFFR寄存器位接收所有、混杂模式，从而接收网络线上的所有数据。除了MACFFR寄存器，其他寄存器通常不需要更改，具体内容还需要通读参考手册中MAC寄存器的所有内容。

2.以太网DMA的理解

这是编程过程中比较难理解的一点，因为通常STM32运行时，外设只会在外设寄存器空间内进行数据操作，比如置位、清零等。但在以太网应用中，DMA需要和我们自己程序中开辟的内存进行联合工作。所有的一切都因为STM32的网路外设DMA中使用了一种特殊的模式——描述符模式。
所谓描述符，其实就是一个结构体，其基本形式如下，为hal库中自带的结构体定义：

typedef struct  
{
  __IO uint32_t   Status;           /*!< Status */
  
  uint32_t   ControlBufferSize;     /*!< Control and Buffer1, Buffer2 lengths */
  
  uint32_t   Buffer1Addr;           /*!< Buffer1 address pointer */
  
  uint32_t   Buffer2NextDescAddr;   /*!< Buffer2 or next descriptor address pointer */
  
  /*!< Enhanced ETHERNET DMA PTP Descriptors */
  uint32_t   ExtendedStatus;        /*!< Extended status for PTP receive descriptor */
  
  uint32_t   Reserved1;             /*!< Reserved */
  
  uint32_t   TimeStampLow;          /*!< Time Stamp Low value for transmit and receive */
  
  uint32_t   TimeStampHigh;         /*!< Time Stamp High value for transmit and receive */

} ETH_DMADescTypeDef;

我们只需要关注前4个成员变量即可。
1.Status：这个32位的变量保存了当前描述符节点的状态，供DMA和程序件的联合工作；
2.ControlBufferSize：描述符作为发送描述符时，这里存的是待发送的字节数，如果是接收描述符，这里存的是接收到的字节数；
3.Buffer1Addr：作为发送描述符时，这是指向发送缓存的地址，所谓接收描述符时，这是指向接收缓存的地址。当然，无论是接收还是发送，它指向的是RAM中已经开辟好的一块缓存；
4.Buffer2NextDescAddr：因为DMA的描述符结构可能是由多个描述符串起来的链表，所以这里保存的是下一个描述符节点的地址。如果你需要发送的数据没有超过Macraw规定的最大1500字节，那么这个变量将会指向次描述符自己。
DMA配合描述符工作时，主要有以下步骤：
1.在RAM创建描述符链表，这个链表可以是多个，也可以是单个。如果要分别建立十个收发描述符可以这样写：

ETH_DMADescTypeDef	txDesc[10]；
unsigned char txBuf[10][1500];

ETH_DMADescTypeDef	rxDesc[10]；
unsigned char rxBuf[10][1500];

开辟好描述符数组，以及每个描述符中将使用的Buffer1Addr指向的收发缓存后，即可调用hal库的HAL_ETH_DMARxDescListInit、HAL_ETH_DMATxDescListInit函数进行描述符的初始化，通过阅读源码发现，其初始化过程即把描述出串成一个链表，并分别为每个节点赋值收发缓存空间，即txBuf、rxBuf中的内容；
2.描述符初始化后，即可通过HAL_ETH_Start函数开启DMA描述符轮询。所谓轮询，即DMA轮询每个描述符，通过status变量判断是否可操作，通过ControlBufferSize变量和Buffer1Addr来将数据通过DMA直接送到RMII发给PHY芯片；或者收到来自PHY的数据后，送到描述符中，通过中断通知程序进行即使读取；
对于描述符的理解大概就是以上内容，具体还要认真阅读参考手册。而且仅凭手册可能不会理解太透，主要还要结合阅读hal库源码来帮助理解。

三、PHY芯片寄存器

PHY芯片也有自己的众多寄存器，但国际标准中规定了每个PHY芯片至少要有一组控制寄存器和一组状态寄存器，分别是寄存器0和寄存器1 ，其他的外扩寄存器以及厂家的特殊寄存器因不同芯片而异。具体要理解这一点，只需要随便找一个PHY芯片的手册，阅读寄存器章节即可。
MCU通过RMII连接PHY芯片后，首先就是要对PHY的控制寄存器进行配置，然后在后续运行过程中通过读取PHY内的寄存器内容，来获取网络的工作状态，起到监视的作用。

四、STM32CubeMX配置及程序编写

STM32的网络外设过于复杂，仅凭上述晦涩的内容很难理解，需要通过反复阅读参考手册，并阅读源码，结合实践才能理解。下面就开始建立工程吧。

1.STM32CubeMX配置

1.使能ETH外设

2.配置ETH外设

因为硬件电路板中将LAN8720的地址引脚悬空，而LAN8720手册中提及此引脚内部带下拉，故地址为0.同时使能自动协商、接收模式改为中断接收、发送帧的帧头和CRC由硬件填充。
3.配置PHY芯片

由于我们使用的不是STM32CubeMX自带的LAN8742，故要对下面的external PHY Configuration进行配置。这个要结合LAN8720手册，其speial control/status register offset为31，即0x1f，通过阅读手册中的speial control/status register，其速度、双工模式屏蔽位为0x4和0x10；
至此配置完成，即可生成工程，进程程序编写。

2.程序编写

1.默认参数修改
对于MAC的默认参数需要做一点小小的修改，即将MACFFR寄存器设置为接受所有、混杂模式，否则有可能收不到数据，因为被MAC过滤给滤除了。
直接在ETH_MACDMAConfig函数中，对以下变量修改赋值为：

macinit.ReceiveAll = ETH_RECEIVEALL_ENABLE;
macinit.PromiscuousMode = ETH_PROMISCUOUS_MODE_ENABLE;

2.PHY初始化
生成的工程在初始化时已经有了MX_ETH_Init()函数，我们先直接下到板子上，看MX_ETH_Init()函数中的HAL_ETH_Init函数的返回值，如果其返回值为HAL_OK，说明你的PHY芯片已经被成功驱动起来了，可以进行下一步了。如果是HAL_TIMEOUT，那么很可能是RJ45口没有接网线，或者网线的另一端没有怼到电脑或者路由器上，从而使得link状态为dowm导致超时。如果是HAL_ERR，那么基本是硬件电路的问题，这时就要观察HAL_ETH_Init里的HAL_ETH_WritePHYRegister、HAL_ETH_ReadPHYRegister是否正常，读回的寄存器值是否是0xffff、0x0000等异常值，基本就是硬件电路问题，或者PHY地址设错。
3.HAL_ETH_Init返回正常后，开辟描述符空间，这里我只用了一个收描述符和一个发描述符。

unsigned char txbuf[256];
ETH_DMADescTypeDef txdesc;

unsigned char rxbuf[256];
ETH_DMADescTypeDef rxdesc;

然后进行描述符初始化

HAL_ETH_DMARxDescListInit(&heth, &rxdesc, rxbuf, 1);
HAL_ETH_DMATxDescListInit(&heth, &txdesc, txbuf, 1);

4.开启MAC、DMA工作

HAL_ETH_Start(&heth);

5.设置发送数据并发送

for (i = 0; i < 256; i++)
{
	txbuf[i] = i;
}

HAL_ETH_TransmitFrame(&heth, 256)

6.编写接收中断回调

void HAL_ETH_RxCpltCallback(ETH_HandleTypeDef *heth)
{
	if (__HAL_ETH_DMA_GET_FLAG(heth, ETH_DMA_FLAG_R))
	{
		heth->RxDesc->Status = ETH_DMARXDESC_OWN;
		HAL_ETH_GetReceivedFrame_IT(heth);
	}
}

五、实验验证

1.发送测试

循环发送256字节的数据，使用wireShark软件进行捕获。可见发送没有问题。

2.接收测试

使用自己用winpcap编写的上位机进行数据发送，发现可以正常进入接收中断，且接收缓存中数据接收无误。