三十一、W5100S/W5500+RP2040树莓派Pico＜TCP_Server多路socket＞

1 前言

  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。支持多路socket独立通信，通信效率互不影响。本教程将介绍W5100S/W5500以太网多路socket应用的基本原理、使用步骤、应用实例以及注意事项，帮助读者更好地掌握这一技术。

2 简介

2. 1 使用多路socket的优点

  多路socket的优点主要体现在以下几个方面：

1. 提高并发处理能力：多路socket可以同时处理多个网络连接请求，显著提高服务器的性能和并发处理能力。这意味着服务器可以同时处理多个客户端的请求，而不需要为每个客户端连接创建一个线程。
2. 增强可靠性：多路socket可以为对可靠性要求比较高的场景提供主服务器和备服务器连接。在实际使用中，当主服务器出现异常时，可以通过备用服务器提供服务。
3. 优化数据处理：多路socket可以根据不同的网络连接请求进行优化处理，比如对数据传输间隔较长的连接使用网络心跳包定期上传一组固定的数据，让服务器知道设备处于正常工作状态；对于触发式上传数据的场景，则可以减少不必要的处理过程。
4. 方便设备识别：在设备启动时，多路socket可以上传一组带有唯一编号的信息到服务器，用于服务器辨别是那一台设备，方便后续进行数据交互。

2.2 多路socket数据交互原理

服务器建立多路socket的流程可以按照以下步骤进行：

1. 服务器端创建socket，并绑定到一个IP地址和一个端口上，然后开启侦听，等待客户端连接请求。
2. 当服务器端接到客户端的连接请求后，会为这个连接创建一个新的socket，并与客户端建立连接。
3. 服务器端和客户端可以通过各自的socket进行数据交互。
4. 当数据交互完成后，可以关闭连接（可能主动，也可能被动）。
5. 服务器继续侦听，等待下一个客户端连接请求。

2.3 多路socket应用场景

多路socket应用是指使用socket接口进行网络通信，并允许多个客户端或服务器同时建立连接的应用程序。以下是一些常见的多路socket应用：

1. 聊天服务器：聊天服务器可以同时与多个客户端建立连接，接收和发送消息。多路socket可以让服务器同时处理多个客户端的连接请求，实现高效的并发处理。
2. 游戏服务器：游戏服务器需要同时与多个客户端建立连接，处理游戏逻辑和数据交换。多路socket可以让服务器同时处理多个客户端的连接请求，提高游戏的流畅度和稳定性。
3. 视频直播服务器：视频直播服务器需要同时与多个客户端建立连接，传输视频数据。多路socket可以让服务器同时处理多个客户端的连接请求，提高直播的流畅度和稳定性。
4. 分布式系统：分布式系统需要多个服务器协同工作，处理客户端的请求。多路socket可以让每个服务器同时处理多个客户端的连接请求，提高系统的可扩展性和稳定性。

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 多路socket设置示例概述以及使用

4.1 流程图

  程序的运行框图如下所示：

4.2 准备工作核心

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 GPIO0（UART0 TX） <----> USB_TTL_RX
  • RP2040 GPIO1（UART0 RX） <----> USB_TTL_TX

• 使用模块连接RP2040 进行接线时

  • RP2040 GPIO16 <----> W5100S MISO
  • RP2040 GPIO17 <----> W5100S CS
  • RP2040 GPIO18 <----> W5100S SCK
  • RP2040 GPIO19 <----> W5100S MOSI
  • RP2040 GPIO20 <----> W5100S RST

• 通过PC和设备都通过网线连接路由器LAN口

4.4 主要代码概述

  我们使用的是WIZnet官方的ioLibrary_Driver库。该库支持的协议丰富，操作简单，芯片在硬件上集成了TCP/IP协议栈，该库又封装好了TCP/IP层之上的协议，我们只需简单调用相应函数即可完成协议的应用。

第一步：tcp_server_multi_socket.c文件中加入对应的.h文件。

第二步：定义DHCP配置需要的宏。

第三步：网络信息的配置,开启DHCP模式。

第四步：编写定时器回调处理函数，用于 DHCP 1秒嘀嗒定时器处理函数。

第五步：主函数先是定义了一个定时器结构体参数用来触发定时器回调函数，对串口和SPI进行初始化，然后写入W5100S的网络配置参数，初始化DHCP后开始DHCP获取IP，获取到就打印获取到的IP，获取次数超过最大获取次数时就使用静态IP，主循环进行服务器运行函数中。

第六步：我们看到服务器的函数的运行函数，先是打开socket，创建服务器，然后开始监听，如果有客户连接socket号会进行加一操作，W5100S最多支持4路socket，W5500最多支持8路socket。循环检测客户端发来的消息，并打印出对应连接客户端的信息。

void do_tcp_server(void)
{
    static uint8_t sock_cof = 0;
    uint16_t len = 0;
    uint8_t destip[4];
    uint16_t destport;
    switch (getSn_SR(sock_cof)) /*Get the socket status*/
    {
    case SOCK_CLOSED:                                      /*The socket is closed*/
        socket(sock_cof, Sn_MR_TCP, local_port, Sn_MR_ND); // Open socket
        break;

    case SOCK_INIT:       /*The socket is in the initialization state*/
        listen(sock_cof); /*socket starts listening*/
        break;

    case SOCK_ESTABLISHED: /*The socket is in the connection establishment state*/

        if (getSn_IR(sock_cof) & Sn_IR_CON) /*Receive interrupt flags clearly*/
        {
            setSn_IR(sock_cof, Sn_IR_CON);
        }
        len = getSn_RX_RSR(sock_cof);
        if (len > 0)
        {
            recv(sock_cof, buff, len); /*print the receive data.*/
            buff[len] = 0x00;
            getSn_DIPR(sock_cof, destip);
            destport = getSn_DPORT(sock_cof);
            printf("socket%d form:%d.%d.%d.%d port: %d  message:%s\r\n", sock_cof, destip[0], destip[1], destip[2], destip[3], destport, buff);
            send(sock_cof, buff, len);
        }
        break;

    case SOCK_CLOSE_WAIT: /*The socket is waiting to be closed*/
        close(sock_cof);
        break;
    }
#if (_WIZCHIP_ == W5100S)
    if (sock_cof < 4)
    {
        sock_cof++;
    }
    else
    {
        sock_cof = 0;
    }
#elif (_WIZCHIP_ == W5500)
    if (sock_cof < 8)
    {
        sock_cof++;
    }
    else
    {
        sock_cof = 0;
    }
#endif
}

4.5 结果演示

5 注意事项

• 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

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