STM32F4_网络通信（网口）

前言

        STM32F4开发板上自带了网口。可以通过开发板自带的网口和LWIP实现：TCP服务器、TCP客服端、UDP以及WEB服务器等四个功能。

1. STM32 以太网简介

        STM32F4 芯片自带以太网模块，该模块包括带有专用 DMA 控制器的 MAC 802.3（介质访问控制）控制器，支持介质独立接口（MII）和简化介质独立接口（RMII），并自带了一个用于外部PHY通信的SMI接口，通过一组配置寄存器，用户可以为 MAC 控制器和 DMA 控制器选择所需的模式和功能。

        STM32F4必须外接PHY芯片，才可以完成以太网通信，外部PHY芯片可以通过 MII/RMII 接口与STM32F4 内部MAC连接，并且支持 SMI （MDIO&MDC）接口配置外部以太网PHY芯片。

SMI 接口：

        SMI 接口，即站管理接口，该接口允许应用程序通过2条线：时钟（MDC）和数据线（MDIO）访问任意 PHY寄存器，访问任意PHY寄存器。该接口支持访问多达32个PHY，应用程序可以从32个PHY中选择一个PHY，然后从任意PHY包含的32个寄存器中选择一个寄存器，发送控制数据和接收状态信息。任意给定时间内只能对一个PHY中的一个寄存器进行寻址。

        MII 接口，即介质独立接口，用于 MAC层 与 PHY层 进行数据传输。

MII_TX_CLK：连续时钟信号。该信号提供进行TX 数据传输时的参考时序。标称频率为：速率为 10 Mbit/s 时为2.5 Mhz；速率为 100 Mbit/s 时为25 Mhz。

MII_RX_CLK：连续时钟信号。该信号提供进行RX 数据传输时的参考时序。

MII_TX_EN：发送使能信号。

MII_TXD[3:0]：数据发送信号。该信号是4个一组的数据信号。

MII_CRS：载波侦听信号。

MII_COL：冲突检测信号。

MII_RXD[3:0]：数据接收信号。

MII_RX_DV：接收数据有效信号。

MII_RX_ER：接收错误信号

RMII 接口：

        RMII 接口，即精简介质独立接口，该接口降低了在10/100 Mbits/s 下微控制器以太网外设与外部PHY 间的引脚数。根据 IEEE 802.3u 标准，MII 包括16 个数据和控制信号的引脚。RMII 规范将引脚数减少为7个。

什么是PHY？

        物理层芯片称为PHY、数据链路层芯片称为MAC。PHY的作用就是将差分信号转换为数字信号（PHY数据是穿过网络接口的差分信号）。

LAN8720A 是低功耗的 10/100M以太网PHY层芯片，I/O 引脚电压符合 IEEE802.3-2005 标准，支持通过RMII 接口与以太网MAC 层通信。

2. TCP/IP LWIP简介

2.1 TCP/IP简介

        TCP/IP 中文名为传输控制协议/因特网互联协议，又称为网络通讯协议，是Internet最基本的协议，也是Internet国际互联网络的基础，由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成。TCP/IP定义了电子设备如何连入因特网，以及数据如何在他们之间传输的标准。

        该协议采用了4层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的协议来完成自己的需求。简单来说就是，TCP 负责发展传输的问题，一旦有问题就发出信号，要求重新传输，直到所有数据都安全正确的传输到目的地。IP是给因特网的每一台联网设备规定一个地址。

        TCP/IP 协议不是TCP和IP这两个的协议的合称，而是指因特网整个 TCP/IP 协议族。从协议分层模型方面来讲，TCP/IP 由四个层次组成：网络接口层、网络层、传输层、应用层。

        OSI模型将 TCP/IP 分为七层：物理层、数据链路层（网络接口层）、网络层（网络层）、传输层（传输层）、会话层、表示层和应用层（应用层）。

        在本节中：PHY层芯片LAN8720A相当于物理层，STM32F407自带的MAC层相当于数据链路层，LWIP提供的就是网络层、传输层的功能，应用层是需要用户自己根据自己想要的功能去实现的。

2.2 LWIP简介

        LWIP 是瑞典计算机科学院开发的一个小型开源的TCP/IP 协议栈，是TCP/IP的一种实现方式。LWIP是轻量级IP协议，有无操作系统的支持都可以运行，LWIP实现的重点是在保持TCP协议主要功能的基础上减少对RAM的占用，它只需十几 KB 的 RAM 和 40K左右的ROM就可以运行，这使 LWIP 协议栈适合在低端的嵌入式系统中使用。

LWIP 的主要特性如下：

•         ARP协议，以太网地址解析协议；
•         IP协议，包括 IPv4 和 IPv6 ，支持 IP 分片与重装，支持多网络接口下数据转发；
•         ICMP 协议，用于网络调试与维护；
•         IGMP 协议，用于网络组管理，可以实现多播数据的接收；
•         UDP 协议，用户数据报协议；
•         TCP 协议，支持 TCP 拥塞控制，RTT 估计，快速恢复与重传等；
•         提供三种用户编程接口方式：raw/callback API、sequential API、BSD-style socket API；
•         DNS，域名解析；
•         SNMP，简单网络管理协议；
•         DHCP，动态主机配置协议；
•         AUTOIP，IP地址自动配置；
•         PPP，点对点协议，支持PPPoE