STM32添加以太网连接

Nucleo生态系统的一个缺点是缺乏带有以太网连接的版本或ST官方支持的专用防护板。 共有90种不同的STM32 MCU提供以太网MAC接口（这意味着仅需一个外部以太网收发器（也称为phyter），而将MCU引入物联网世界所需的其他条件很少）。 STM32Cube（ST正式支持的HAL）还提供了对lwIP堆栈的支持。 但是，当前所有的Nucleo板都设计有不带以太网接口的MCU。 这意味着，如果没有专用的扩展板，就不可能为我们的Nucleo添加网络连接。

在Arduino世界中，官方的Ethernet Shield是为Arduino添加Internet连接性的最受欢迎的解决方案。 由于其在Arduino社区（WIZnet的W5100）中的普及，基于网络处理器的以太网防护板才变得真正流行。

在本系列的第一部分中，我将展示如何在STM32 Nucleo板上使用Arduino以太网防护板。 我将显示所有必需的硬件配置步骤。 我还将展示如何在新的STM32项目中导入WIZNet ioLibrary，以及如何配置该库以开始使用此防护板。

硬件和软件

如前所述，W5100芯片是一个联网的TCP / IP嵌入式以太网控制器，可简化向MCU添加以太网连接的过程。 W5100在单芯片中提供10/100以太网MAC，端口和完整的TCP / IP堆栈，并支持TCP，UDP，IPv4，ICMP，ARP，IGMP和PPPoE。 W5100使用16字节内部缓冲器在内部芯片存储器和MCU之间交换数据。 可以同时使用4个独立的硬件插座。 用户可以为每个套接字定义TX和RX的缓冲存储量。 提供BUS（直接和间接）和SPI（串行外设接口），以便与外部MCU轻松集成。

W5100芯片的编程过程包括以下步骤：

根据MCU和W5100规范配置SPI总线。 W5100作为SPI从设备运行，并支持最常见的模式-SPI模式0 和3。

设置MAC地址，IP地址，网络掩码和网关。正如我们将在下一篇文章中讨论的那样，W5100本身并不支持DHCP协议，但是WIZnet提供了一个使用RAW套接字实现DHCP发现协议的库。

配置用于TX和RX的内部套接字缓冲区。 用户可以决定从0K到8K独立扩展此存储器。 请注意，TX和RX的内存在所有4个插槽之间共享，并且8K是每个缓冲区的总量（TX为8K，RX为8K）。 默认配置为TX和RX缓冲区的每个套接字使用2K字节。

在我们的应用程序中配置我们需要的套接字。这意味着确定套接字的类型（TCP，UDP，IP RAW等）等等。

使用套接字发出命令，根据此状态图将套接字置于给定状态

幸运的是，我们不需要处理W5100芯片的这些低级方面。 得益于WIZNet的ioLibrary，以及一点点“胶水”，使其可以适应STM32Cube HAL，我们可以以非常简单的方式使用我们最喜欢的STM32 MCU开发物联网应用。

硬件设置
不幸的是，我们可以在STM32 Nucleo上轻松使用Arduino以太网防护板。 原因是防护板使用Arduino ICSP连接器作为SPI引脚的源（MISO，MOSI和SCK-SS映射到D10引脚），如下图所示。

Nucleo不提供该连接器。这意味着我们需要将这些引脚“重新路由”到其他引脚。查看Nucleo-F401RE的引脚排列，我们可以使用与SPI2外设相关的morpho连接器上的引脚，如下所示。

我们需要进行以下关联：

接线
我已经使用了4个连接线，如下图所示。

配置SPI接口
现在我们可以开始编写代码了。第一步是配置与PB_12…15引脚关联的SPI接口：SPI2。 我不得不说，执行此操作的更简单方法是使用STM32CubeMX工具。 它会自动生成所有必要的内容以正确配置SPI端口。 但是，CubeMX生成的代码在几个例程和源文件中都有详细说明。 因此在这里使用它是不切实际的，因为这会使本教程变得过于复杂。 我已经在main.c文件中定义了此函数：

此例程执行两件事。 首先，它可以正确配置SPI接口以与W5100芯片一起使用。 这是通过设置hspi2变量完成的，该变量的类型为SPI_HandleTypeDef。 该变量在main.c文件中定义为全局变量，因为我们将在其他例程中使用它。 其次，例程配置与SPI2接口相关的引脚：PB12至PB15。 PB13至PB15引脚被配置为备用功能（AF）引脚，因为它们将用作SPI接口。 PB12引脚是片选（CS）引脚，在上拉模式下被配置为输出引脚（防止引脚悬空时为“低”）。

配置USART
在此项目中，我们将使用与ST-Link接口关联的USART在虚拟COM端口上输出一些消息。 您可以在这里找到更多有关此的信息。 在我们可以在串行上打印消息之前，我们需要相应地配置USART2接口。 这项工作是通过main.c文件中定义的以下功能完成的。

正如我们对SPI接口所做的那样，我们首先需要配置USART2外设（选择的参数为：波特率115200、8位，1个停止位，无奇偶校验，无硬件流控制）。 接下来，我们需要将关联的引脚（PA2和PA3）配置为备用功能引脚。

配置库文件
WIZnet ioLibrary的设计使其可以与市场上的大多数MCU（和HAL）一起使用。 这意味着它是以抽象方式设计的，因此用户有责任提供与硬件一起使用的特定代码。 在我们的案例中，我们需要提供4个自定义函数：

在SPI传输期间选择从机芯片的函数（即，在本例中为将与CS相关的GPIO引脚拉低的功能-PB_12）。

取消选择从芯片的函数。

在SPI接口上写入1个字节的函数。

在SPI接口上读取1个字节的函数。

ioLibrary需要其他两个功能才能使用突发模式在SPI接口上进行写入/读取。 繁忙模式是现代和快速SPI器件用于一次传输字节块的模式，即无需进行X次完整传输。 突发模式可以加快MCU和SPI芯片之间的传输，特别是在MCU支持SPI DMA模式的情况下（如STM32一样）。 但是，W5100不支持此传输模式（其他W5x00芯片则支持）。 这意味着我们不需要提供其他自定义函数。

我们必须在main.c文件中定义这四个函数。

这些函数确实是不言自明的。 cs_sel（）和cs_desel（）只需使用HAL_GPIO_WritePin（）函数将PB12引脚拉低和拉高即可。 spi_rb（）函数用于使用HAL_SPI_Receive（）函数在SPI接口上读取1个字节。 以相同的方式，spi_wb（）在SPI上写入1个字节。

一旦定义了与定制硬件相关的函数，就必须将它们“传递”到ioLibrary。这项工作是在main（）函数内部完成的。

这是main（）函数的第一部分。 首先，我们需要初始化HAL，系统时钟和GPIO引脚（我省略了对MX_GPIO_Init（）函数的描述，因为它仅配置了与LED LD2和用户按钮（Nucleo上的蓝色按钮）相关的引脚） ，SPI和USART。 接下来，我们使用reg_wizchip_cs_cbfunc（）和reg_wizchip_spi_cbfunc（）函数配置ioLibrary以使用我们的自定义函数。

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