STM32F4+DP83848乙太網通訊指南系列（一）：知識儲備
丁丁的部落格：https://www.hexcode.cn/article/show/stm32-ethernet1
2017-12-09 17:32:19
STM32F4+DP83848乙太網通訊指南系列（一）：知識儲備
前言：專案需求使用STM32F407進行乙太網通訊，並涉及到資料鏈路層的工業乙太網通訊，使用LWIP協議棧並不能滿足需求，因此需要自己摸清STM32F407呼叫外部PHY進行網路收發包的過程，並在此基礎上嘗試自己構建適用於專案的網路協議棧。我基本上是從零開始著手這個專案的，之前只有一些STC51系列和STM32F1系列微控制器開發的經驗，專案開發過程中學習、參考、借鑑了很多網路上的教程和部落格，在此尤其感謝正點原子團隊釋出的相關視訊教程。公司買的開發板主晶片是一顆STM32F407，搭配了一顆DP83848的PHY，因此本系列教程將使用DP83848進行適配，同時原子哥的學習板和教程中是使用LAN8720這顆PHY進行適配的，本系列指南也會花一些篇幅介紹各種PHY與STM32晶片進行適配的方法。
- 《STM32F4+DP83848乙太網通訊指南第一章：知識儲備》
- 《STM32F4+DP83848乙太網通訊指南第二章：系統時鐘》
- 《STM32F4+DP83848乙太網通訊指南第三章：中斷向量》
- 《STM32F4+DP83848乙太網通訊指南第四章：PHY配置》
- 《STM32F4+DP83848乙太網通訊指南第五章：MAC+DMA配置》
- 《STM32F4+DP83848乙太網通訊指南第六章：Wireshark使用》
- 《STM32F4+DP83848乙太網通訊指南第七章：發包流程》
- 《STM32F4+DP83848乙太網通訊指南第八章：收包流程》
- 《STM32F4+DP83848乙太網通訊指南第九章：自己寫一個ARP協議》
本章為系列指南第一章，主要是介紹一下專案思路，並且儘可能列出從零開始著手開發這個專案過程中，所需要理解的各類知識點，關於這些知識點，如果需要更詳細的介紹，請列為看官自行百度谷歌。
STM32F407簡介
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STM32F407主頻168MHz，主頻這個數值的意義可以這麼理解：每秒執行168,000,000步簡單指令，也就是每毫秒168,000次，每微妙168次。我們工業乙太網進入實時通訊後的資料傳輸週期大概每2ms互動4次，每次60個Byte，最差的演算法複雜度計算下來需要每毫秒4 / 2 * 60byte = 120步(事實上用不了這麼多步)，而這顆STM32F07的晶片提供每毫秒168,000次操作，相差3個數量級，因此大致上看來這顆晶片是完全可以勝任的。
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STM32F407可以通過多個時鐘配置方案達到最高168MHz，一般是使用外部8MHz晶振，通過鎖相環倍頻到168MHz，這個我們後面章節會講。
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目前STM32晶片有三種程式碼編寫的方案：第一是暫存器方案，通過內部各種地址定義的巨集來操作，晦澀難懂，需要不停地查資料才能理解；第二種是標準庫函式方案，沿用一份很久沒有更新的標準庫進行開發，標準庫ST公司已經不打算維護升級了，但是網路上資料非常豐富；第三種是HAL庫函式方案，繼標準庫推出多年之後，ST公司推出了HAL庫函式版本的SDK，這份SDK保持維護和更新，並且ST公司在F7系列晶片上只允許這使用HAL庫函式程式設計，目前為止該庫函式版本的書籍資料並不是很豐富，值得慶幸的是正點原子團隊也率先推出了STM32F1，F4，F7全系列的HAL庫函式教程，參見：http://openedv.com/thread-13912-1-1.html 。但是針對本專案，我們依然使用標準庫函式進行開發，理由是可以參考借鑑大量的乙太網通訊實驗程式碼，以及ST官方的LWIP協議棧程式碼，畢竟這些現有成熟的程式碼還都是基於標準庫函式進行編寫的。
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STM32文件資料方面，請自行下載以下檔案：
乙太網層次的理解，白話版
乙太網分為很多層（按照OSI模型有七層，按照TCP/IP協議有五層），我們只需要瞭解其中這麼幾個：
- 最底下的PHY物理層：傳送和接受光、電、電磁波等各類模擬量的訊號，使其在介質上傳輸，盡最大可能保證其完整和準確。
- PHY上方的MAC層：構建有意義的幀格式，提供一定能力的校驗功能。
- 網路層：為整個網路拓撲服務，一般執行在後臺，使用者無感知，為網路結構提供路由(ARP)、通路測試(ICMP:Ping)等基礎服務。
- 除了上述三個層，其餘的層我們可以一併理解為應用層，因為其餘各層都是由應用程式根據不同的協議自行構建報文的。應用層所有的報文可分為兩個大類，TCP和UDP，TCP提供三次握手+四次揮手，因此網路資源消耗比較大，但是提供了確切的成功或者不成功的資訊；UDP只需要傳送方傳送一次報文就可以，因此傳送和接受成功與否並不可知。構建於TCP之上的協議有著名的HTTP、FTP、Telnet等；構建於UDP之上的協議相對來說不是很常見，像SNMP、TFTP這些簡單協議基本上都用不到，原因很簡單，UDP提供的是不確定的網路通訊，一般網路互動都需要非常確切的成功失敗的返回結果，記得曾幾何時OICQ（暴露年齡）的聊天資訊就是通過UDP協議傳送的，現在估計早就換成TCP了。
STM32F407乙太網架構
有了以上乙太網層次的理解後，我們將STM32F407的網路架構與之對照理解。
- STM32F407內建了MAC層的處理能力，並且使用DMA技術強化了MAC層能力。
- DMA(Direct Memory Access，直接記憶體存取)，是現代處理器一個很重要的技術，它允許不同速度的硬體裝置來溝通，也不需要依賴於CPU的大量中斷負載。如果沒有DMA，CPU需要從來源把輸入資料複製到暫存器，然後把它們再次寫回到需要使用的地方。在這個時間中，CPU對於其他的工作來說完全無法使用。—以上節選自百度百科
- 關於DMA的進一步理解：STM32F407的匯流排架構中，單獨分配了一個MAC層的DMA資料匯流排，也就是無論你用不用，核心邏輯總會在固定的時間段釋放對匯流排資料的訪問，由一段MAC層控制器來對資料匯流排上的資料進行存取處理。這段處理，是獨立於168MHz主頻之外的。如圖所示（圖片來自RM0090ST官方STM32F4手冊P50）：
- 擁有DMA能力的MAC層，可以在使用者程式碼完全不干預的情況下，將DMA中的資料傳送給PHY，同時在PHY接到資料後，將PHY的資料讀取到DMA中，並通知中斷。以上操作的前提是：使用者提前配置好MAC，PHY，DMA，以及中斷向量，這部分工作是這個系列的核心內容，涉及到的內容比較多，會在後續章節逐一介紹。
PHY模組
- STM32F407內建的MAC層讓使用者封裝位元組資料為網路幀結構，但STM32F407並沒有能力將其傳送到電纜上去，特別是涉及到光電電磁等模擬量的訊號，沒法處理，因此需要外部PHY模組進行輔助。我們知道STM32F407是一個純數位電路晶片，而PHY需要處理的又是模擬訊號，功耗比純數位電路大很多（摸上去發燙）。因此從成本、體積、工藝等各方面考慮，ST公司並未在STM32系列晶片中增加PHY模組，而是建議使用者在PCB板上自行增加PHY模組。目前已經有一些晶片公司推出了內建PHY的晶片，不過比較少，可自行百度谷歌或者，淘寶，對，你沒聽錯，搜這方面資料時有時候淘寶比較厲害。
- PHY晶片可選型號比較豐富，有純粹的PHY晶片（DP83848，LAN8720），也有整合MAC層+PHY層的晶片(ENC28J60,DM9000)，還有內建TCP/IP協議棧硬解碼的MAC+PHY晶片(W5500)。這裡要注意的是，我們這個專案涉及到工業乙太網協議，IO資料通過OSI模型中的鏈路層收發，因此千萬不能選擇整合TCP/IP協議棧的PHY晶片，那種晶片通過I2C或者SPI將TCP/UDP報文抽象出來傳送給上位機，已經將鏈路層不符合TCP/UPD規則的過濾掉了。
- MAC跟PHY通訊是使用RMII或者MII介面，前者引腳使用少，頻率高；後者引腳使用多，頻率低。一般使用前者。DP83848可以使用RMII或者MII，LAN8720只可以使用RMII。無論RMII還是MII，你都只需要做個瞭解，在配置時根據電路引腳的接法，配置好。具體的時序圖不需要看，不需要你直接控制，有現成的函式幫忙。
- PHY有地址的概念，MAC理論上最多能控制32個PHY（可以自己做一個32埠的交換機了）。DP83848的42-46引腳讀入自己的ADDR，MAC在通訊時可以指定其中某一ADDR進行通訊，ADDR不匹配的PHY自動忽略訊號。
- DP83848的datesheet下載：DP83848C.pdf
Ethernet庫函式
- STM32的開發環境是Keil5，通過配置Keil5，可以下載獲得STM32F4系列的SDK，也就是標準庫函式的SDK，但是這份標準庫函式裡面是沒有有關Ethernet方面的函式的，為什麼？因為ST公司認為PHY都沒整合到CPU裡面，庫函式就更沒辦法整合進去了，包括PHYADDR，MII，RMII的選擇，有的PHY甚至不使用MII或者RMII介面，而是高度封裝後使用SPI進行通訊。因此ST沒法為所有使用者提供一個通用的函式庫，但是官方提供了一個DEMO程式，該程式作用非常大，到ST官網，搜尋框輸入LWIP就能搜到這個DEMO，官方文件編號是STSW-STM32070，適用於STM32F4系列的乙太網通訊DEMO，使用LWIP協議棧，適配PHY為DP83848，正好是我們使用的這一款。
- 上述頁面下載時需要註冊ST，使用者名稱密碼登入，而ST的響應速度超慢，可能還需要科學上網，列位可以到我上傳的地址下載：en.stsw-stm32070.zip
- 這份文件裡
/STM32F4x7_ETH_LwIP_V1.1.1/Libraries/STM32F4x7_ETH_Driver下面的stm32f4x7_eth.c以及配套的.h檔案是比較關鍵的，類似於標準庫提供的那些I2C,UART,SPI等庫函式檔案。該檔案的使用方法和理解，後續章節會詳細介紹。
LWIP協議棧
- LWIP是一個精簡版的TCP/IP協議棧，廣泛用於嵌入式裝置中，佔用記憶體少。
- LWIP通過呼叫MAC層來實現網路通訊，呼叫的庫函式就定義在上述的
STM32F4x7_ETH_Driver檔案中。 - LWIP可以解決大多數應用層場景的通訊需求，比如TCP和UDP。
- LWIP無法解決鏈路層的通訊問題，因此我們本專案並沒有移植LWIP，而是參考借鑑LWIP呼叫MAC層部分的程式碼，從而自己構建協議棧，完成收發包任務。
總結
以上就是整個STM32乙太網通訊的基礎知識，知識點比較零碎，我儘量用白話文把他們羅列出來，因為我也是從零開始學著做的，期間看過不少晦澀難懂的文件。在著手寫這個系列的時候，我們公司的這個專案已經被我搞定了，雖然具體實現的協議，應用的場景需要保密無法透露，但我仍然希望就STM32嵌入式乙太網通訊這個通用的問題，就我的能力講解出來，幫助有需要的朋友。