五、W5100S/W5500+RP2040树莓派Pico＜UDP Client数据回环测试＞

1. 前言

  UDP是一种无连接的网络协议，它提供了一种简单的、不可靠的方式来进行数据传输。尽管它并不保证数据传输的完整性和顺序性，但UDP在某些场景下却具有独特的优势，例如在实时应用或网络游戏等领域中。

  本章将在UDP Client模式下进行数据回环测试。

  W5100S/W5500是一款集成全硬件 TCP/IP 协议栈的嵌入式以太网控制器，同时也是一颗工业级以太网控制芯片。在以太网应用中使用 W5100S/W5500 让用户可以更加方便地在设备之间实现远程连接和通信。

2. 协议简介

2.1 简述

  UDP是Open System Interconnection（开放式系统互联）参考模型中一种无连接的传输层协议，它提供面向事务的简单不可靠信息传送服务。UDP在IP报文的协议号是17。与传输控制协议（TCP）相对，UDP是一种无连接的、不可靠的协议，它提供了简单的数据传输服务。

  UDP协议不提供数据包分组、组装和不能对数据包进行排序的缺点，也就是说，当报文发送之后，无法得知其是否安全完整到达的。UDP用来支持那些需要在计算机之间传输数据的网络应用，包括网络视频会议系统在内的众多的客户/服务器模式的网络应用都需要使用UDP协议。

  总的来说，虽然UDP不具备可靠性和流量控制等特性，但由于其低开销和高传输效率，使得UDP在音视频传输、实时通信等领域得到广泛应用。

2.2 优点

• 简单性：UDP的协议结构相对简单，这使得其在实现和使用上较为方便，对于某些简单数据传输任务来说，UDP可以更快地完成。
• 高效性：UDP的数据报文头部开销较小，相对于TCP来说，其数据传输效率较高。在处理大数据量的情况下，UDP可以更好地利用网络带宽。
• 实时性：UDP支持实时应用，例如视频会议和在线游戏等。这是因为UDP协议不提供数据包的分组、组装和排序功能，而是更注重速度和效率。
• 应用广泛：由于UDP的简单和高效率，使其在许多网络管理任务、网络测试和实时多媒体应用中得到广泛应用。

2.3 应用

• 实时通信：如网络游戏、在线直播、VoIP（网络电话）等，需要实时传输音频、视频等数据流，通过UDP协议实现高效、实时的数据传输。
• DNS查询：DNS（域名系统）使用UDP协议进行地址查询，因为UDP不需要建立连接，可以减少查询时间。
• TFTP：文件传输协议TFTP（简单文件传输协议）使用UDP协议进行文件传输，因为它不需要建立连接，可以实现快速传输。
• SNMP：网络管理协议SNMP（简单网络管理协议）使用UDP协议进行网络设备管理，因为UDP可以实现简单的请求和响应。
• BOOTP：网络启动协议BOOTP（引导程序协议）使用UDP协议进行无盘工作站的引导，因为UDP可以实现简单的数据传输。

3. WIZnet以太网芯片

WIZnet 主流硬件协议栈以太网芯片参数对比

Model	Embedded Core	Host I/F	TX/RX Buffer	HW Socket	Network Performance
W5100S	TCP/IPv4， MAC & PHY	8bit BUS, SPI	16KB	4	Max.25Mbps
W6100	TCP/IPv4/IPv6, MAC & PHY	8bit BUS, Fast SPI	32KB	8	Max.25Mbps
W5500	TCP/IPv4, MAC & PHY	Fast SPI	32KB	8	Max 15Mbps

1. W5100S/W6100 支持 8bit数据总线接口，网络传输速度会优于W5500。
2. W6100 支持IPV6，与W5100S 硬件兼容，若已使用W5100S的用户需要支持IPv6，可以Pin to Pin兼容。
3. W5500 拥有比 W5100S更多的 Socket数量以及发送与接收缓存

4. UDP Client回环测试

4.1 程序流程图

4.2 测试准备

软件：

• Visual Studio Code
• WIZnet UartTool
• SocketTester

硬件：

• W5100SIO模块 + RP2040 树莓派Pico开发板 或者 WIZnet W5100S-EVB-Pico开发板
• Micro USB 接口的数据线
• TTL 转 USB
• 网线

4.3 连接方式

• 通过数据线连接PC的USB口（主要用于烧录程序，也可以虚拟出串口使用）
• 通过TTL串口转USB，连接UART0 的默认引脚：
  • RP2040 GPIO 0（UART0 TX） <----> USB_TTL_RX
  • RP2040 GPIO 1（UART0 RX） <----> USB_TTL_TX
• 使用模块连接RP2040进行连线时
  • RP2040 GPIO 16 <----> W5100S MISO
  • RP2040 GPIO 17 <----> W5100S CS
  • RP2040 GPIO 18 <----> W5100S SCK
  • RP2040 GPIO 19 <----> W5100S MOSI
  • RP2040 GPIO 20 <----> W5100S RST
• 通过网线直接连接PC网口（或：PC和设备都通过网线连接交换机或路由器LAN口）

4.4 相关代码

  我们直接打开udp_client.c文件（路径：examples/udp_client/udp_client.c）看下具体实现：

  可以看到这里是以DHCP模式配置网络信息的，因此在主控和W5100S初始化完成后，会进行DHCP初始化，然后增加一个定时器初始化，用来做DHCP过程中的计时以进行超时处理；接着进入DHCP配置网络信息，成功则直接进入循环调用回环测试函数，失败则用我们初始化的静态网络信息进行配置，然后再进入循环调用回环测试函数，如下所示：

/* Network information to be configured. */
wiz_NetInfo net_info = {
    .mac = {0x00, 0x08, 0xdc, 0x1e, 0xed, 0x2e}, // Configured MAC address
    .ip = {192, 168, 1, 10},                     // Configured IP address
    .sn = {255, 255, 255, 0},                    // Configured subnet mask
    .gw = {192, 168, 1, 1},                      // Configured gateway
    .dns = {8, 8, 8, 8},                         // Configured domain address
    .dhcp = NETINFO_DHCP};                       // Configured dhcp model,NETINFO_DHCP:use dhcp; NETINFO_STATIC: use static ip.

wiz_NetInfo get_info;
static uint8_t ethernet_buf[ETHERNET_BUF_MAX_SIZE] = {
    0,
};                                           // Send and receive cachestatic uint8_t destip[4]={192, 168, 1, 2};  // udp destination ip
static uint8_t des_ip[4] = {192, 168, 1, 2}; // UDP IP address
static uint16_t des_port = 8080;             // UDP port
static uint8_t dhcp_get_ip_flag = 0;         // Define the DHCP acquisition flag

int main()
{
    struct repeating_timer timer; // Define the timer structure

    /* MCU init */
    stdio_init_all();     // Initialize the main control peripheral
    wizchip_initialize(); // Initialize the chip interface

    /*dhcp init*/
    DHCP_init(SOCKET_ID, ethernet_buf);                                   // DHCP initialization
    add_repeating_timer_ms(1000, repeating_timer_callback, NULL, &timer); // Add DHCP 1s Tick Timer handler

    printf("wiznet chip tcp server example.\r\n");
    network_init(&net_info);              // Configuring Network Information
    print_network_information(&get_info); // Read back the configuration information and print it

    while (true)
    {
        loopback_udpc(SOCKET_ID, ethernet_buf, des_ip, des_port); // udp loopback test
    }
}

  跳进回环测试里面看下其具体实现： 该函数有这几个参数，socket端口号、数据收发缓存、目标IP地址、目标端口；可根据需要自行填入参数。其整体通过一个switch状态机轮询socket状态，根据不同进行相应的处理，依次完成了初始化、打开socket端口、连接服务端、收到数据后回传的操作 ；其中本地端口直接在函数内初始化了。如下所示：

/**
 * @brief   udp client loopback test
 * @param   sn:         socket number
 * @param   buf:        Data sending and receiving cache
 * @param   destip:     Destination IP address
 * @param   destport:   Destination port
 * @return  value for SOCK_ERRORs,return 1:no error
*/
int32_t loopback_udpc(uint8_t sn, uint8_t* buf, uint8_t* destip, uint16_t destport)
{
   int32_t ret;
   uint16_t size = 0, sentsize=0;

   static uint16_t any_port = 50000;

   switch(getSn_SR(sn))
   {
      case SOCK_UDP :
         // sendto(sn, "test", 4, destip, destport);
         if((size = getSn_RX_RSR(sn)) > 0)
         {
            if(size > DATA_BUF_SIZE) size = DATA_BUF_SIZE;
            ret = recvfrom(sn, buf, size, destip, (uint16_t*)&destport);
            buf[ret]=0x00;
            printf("recv form[%d.%d.%d.%d][%d]: %s\n", destip[0],destip[1],destip[2],destip[3],destport,buf);
            if(ret <= 0)
            {
#ifdef _LOOPBACK_DEBUG_
               printf("%d: recvfrom error. %ld\r\n",sn,ret);
#endif
               return ret;
            }
            size = (uint16_t) ret;
            sentsize = 0;
            while(sentsize != size)
            {
               ret = sendto(sn, buf+sentsize, size-sentsize, destip, destport);
               if(ret < 0)
               {
#ifdef _LOOPBACK_DEBUG_
                  printf("%d: sendto error. %ld\r\n",sn,ret);
#endif
                  return ret;
               }
               sentsize += ret; // Don't care SOCKERR_BUSY, because it is zero.
            }
         }
         break;
      case SOCK_CLOSED:
#ifdef _LOOPBACK_DEBUG_
         //printf("%d:UDP loopback start\r\n",sn);
#endif
         if((ret = socket(sn, Sn_MR_UDP, any_port, 0x00)) != sn)
            return ret;
#ifdef _LOOPBACK_DEBUG_
         printf("%d:Opened, UDP loopback, port [%d]\r\n", sn, any_port);
#endif   
         break;
      default :
         break;
   }
   return 1;
   
}

4.5 测试现象

  硬件连接无误后，编译烧录程序（具体可参考第一章节），打开WIZ UartTool，选择对应的COM口，填入参数：波特率115200，8位数据位，1位停止位，无校验位，无流控，填完参数后点击open打开，观察串口打印的信息以获取设备运行状态；打开SocketTester，在左列填入相对应的参数，UDP 模式，本地IP填写电脑的IP，本地端口的填写可随机，但尽量不要使用特殊端口；然后根据设备通过DHCP获得的IP等信息，在下边远程IP地址栏填入设备IP和设备端口，因为UDP是无连接的，直接发送信息后可以看到回传现象，如下图所示：

5. 注意事项

• UDP是无连接的，服务端发送消息后客户端收到才能看到现象
• 如果想用WIZnet的W5500来实现本章的示例，我们只需修改两个地方即可：

1. 在library/ioLibrary_Driver/Ethernet/下找到wizchip_conf.h这个头文件，将_WIZCHIP_ 宏定义修改为W5500；
2. 在library下找到CMakeLists.txt文件，将COMPILE_SEL设置为ON即可，OFF为W5100S，ON为W5500。

6. 相关链接

WIZnet官网

WIZnet官方库链接

本章例程链接

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