第13章以太網(wǎng)ETH-2-本章目標(biāo)了解以太網(wǎng)概念熟悉以太網(wǎng)工作方式熟悉以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)了解IEEE802.3協(xié)議熟悉STM32F107的ETH結(jié)構(gòu)了解RMII接口熟悉LWIP協(xié)議棧特點掌握建立ETH模板方法-3-ETH簡介

以太網(wǎng)（ETHernet，ETH）是由Xerox公司創(chuàng)建，并由Xerox、intel和DEC公司聯(lián)合開發(fā)的基帶局域網(wǎng)規(guī)范，是當(dāng)今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。本章將介紹以太網(wǎng)相關(guān)背景知識、STM32F107的ETH外設(shè)、LWIP協(xié)議棧和ETH模板建立等內(nèi)容。-4-ETH簡介--以太網(wǎng)物理層以太網(wǎng)采用無源的介質(zhì)，按廣播方式傳播信息。它規(guī)定了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議、物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的接口以及數(shù)據(jù)鏈路層與更高層的接口。相關(guān)內(nèi)容如下：物理層：物理層規(guī)定了以太網(wǎng)的基本物理屬性數(shù)據(jù)鏈路層：數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能是完成幀發(fā)送和幀接收，包括負(fù)責(zé)對用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行幀的組裝與分解，隨時監(jiān)測物理層的信息監(jiān)測標(biāo)志，了解信道的忙閑情況，實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路的收發(fā)管理。-5-ETH簡介--以太網(wǎng)物理層以太網(wǎng)常用RJ45接口，設(shè)備上安裝的是8芯母頭，其外觀以太網(wǎng)網(wǎng)線接頭為RJ45公頭（俗稱水晶頭），網(wǎng)線外觀-6-ETH簡介--以太網(wǎng)物理層RJ45接口線序定義如表13-1所示針編號名稱功能描述1TX+發(fā)送信號+2TX-發(fā)送信號-3RX+接收信號+4NC空腳5NC空腳6RX-接收信號-7NC空腳8NC空腳-7-ETH簡介--以太網(wǎng)工作方式以太網(wǎng)絡(luò)使用CSMA/CD（載波監(jiān)聽多路訪問及沖突檢測）技術(shù)，可以以標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)（10Mbit/s）、快速以太網(wǎng)（100Mbit/s）和10G以太網(wǎng)（10Gbit/s）多種速度運行在多種類型的電纜上。以太網(wǎng)是一種廣播網(wǎng)絡(luò)，以太網(wǎng)中節(jié)點都可以看到在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送的所有信息。當(dāng)以太網(wǎng)中的一臺主機(jī)要傳輸數(shù)據(jù)時，它的工作過程如下：監(jiān)聽信道上是否有信號在傳輸。如果有的話，表明信道處于忙狀態(tài)，就繼續(xù)監(jiān)聽，直到信道空閑為止。若沒有監(jiān)聽到任何信號，就傳輸數(shù)據(jù)。傳輸?shù)臅r候繼續(xù)監(jiān)聽，如發(fā)現(xiàn)沖突則執(zhí)行退避算法，隨機(jī)等待一段時間后，重新執(zhí)行步驟1。若未發(fā)現(xiàn)沖突則發(fā)送成功，在下一次發(fā)送新數(shù)據(jù)之前，必須等待9.6毫秒（以10Mbps運行）。-8-ETH簡介--幀結(jié)構(gòu)以太網(wǎng)的幀是數(shù)據(jù)鏈路層的封裝，網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)包被加上幀頭和幀尾成為可以被數(shù)據(jù)鏈路層識別的數(shù)據(jù)幀。雖然幀頭和幀尾所用的字節(jié)數(shù)是固定不變的，但因為被封裝的數(shù)據(jù)包大小的不同，以太網(wǎng)的幀長度也在變化，其范圍是64～1518字節(jié)（不算8字節(jié)的前導(dǎo)字）。一個以太網(wǎng)幀可以分為6個區(qū)域，分別如下：前導(dǎo)碼（preamble）：包含8個字節(jié)（octet）。目的地址（DA）：包含6個字節(jié)。源地址（SA）：包含6個字節(jié)。類型域：包含2個字節(jié)。數(shù)據(jù)域：包含46-1500字節(jié)。幀效驗序列（FCS）：包含4個字節(jié)。-9-ETH簡介--沖突/沖突域所謂沖突（Collision），是指在以太網(wǎng)中，當(dāng)兩個數(shù)據(jù)幀同時被發(fā)到物理傳輸介質(zhì)上，并完全或部分重疊時，就發(fā)生了數(shù)據(jù)沖突。當(dāng)沖突發(fā)生時，物理網(wǎng)段上的數(shù)據(jù)都不再有效。而這個物理網(wǎng)段叫做沖突域，也就是沖突發(fā)生的區(qū)域。沖突是影響以太網(wǎng)性能的重要因素，由于沖突的存在使得傳統(tǒng)的以太網(wǎng)在負(fù)載超過40%時，效率將明顯下降。產(chǎn)生沖突的原因有很多，如同一沖突域中節(jié)點的數(shù)量越多，產(chǎn)生沖突的可能性就越大。此外，諸如數(shù)據(jù)分組的長度、網(wǎng)絡(luò)的直徑等因素也會影響沖突的產(chǎn)生。因此，當(dāng)以太網(wǎng)的規(guī)模增大時，就必須采取措施來控制沖突的擴(kuò)散。通常的辦法是使用網(wǎng)橋和交換機(jī)將網(wǎng)絡(luò)分段，將一個大的沖突域劃分為若干小沖突域。-10-ETH簡介--IEEE1588IEEE1588的全稱是“網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)”。IEEE1588協(xié)議是通用的提升網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)定時同步能力的規(guī)范，在起草過程中主要參考以太網(wǎng)來編制，使分布式通信網(wǎng)絡(luò)能夠具有嚴(yán)格的定時同步，并且應(yīng)用于工業(yè)自動化系統(tǒng)?；緲?gòu)思是通過硬件和軟件將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（客戶機(jī)）的內(nèi)時鐘與主控機(jī)的主時鐘實現(xiàn)同步，提供同步建立時間小于10μs的運用，與未執(zhí)行IEEE1588協(xié)議的以太網(wǎng)延遲時間1000μs相比，整個網(wǎng)絡(luò)的定時同步指標(biāo)有顯著的改善。

-11-STM32F107的ETH

STM32F107以太網(wǎng)模塊支持兩種標(biāo)準(zhǔn)接口連接到外接的物理層（PHY）模塊，分別是IEEE802.3協(xié)議定義的獨立于介質(zhì)的接口（MII）和簡化的獨立于介質(zhì)的接口（RMII）。ETH內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖13-3所示。STM32F107的以太網(wǎng)模塊符合以下標(biāo)準(zhǔn)：IEEE802.3-2002標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)MAC協(xié)議。IEEE1588-2002的網(wǎng)路精確時鐘同步標(biāo)準(zhǔn)。AMBA2.0標(biāo)準(zhǔn)的AHB主/從端口。RMII協(xié)會定義的RMII標(biāo)準(zhǔn)。-12-STM32F107的ETH--MAC控制器功能

STM32F107內(nèi)置一個MAC（MediaAccessControl，介質(zhì)訪問控制）控制器，負(fù)責(zé)控制與連接物理層，通過外接的PHY（PortPhysicalLayer，端口物理層）接口，支持10/100M（b/s）的數(shù)據(jù)傳輸速率。MAC控制器特點如下：通過兼容IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的MII接口，外接高速以太網(wǎng)PHY。支持全雙工和半雙工操作。在發(fā)送時插入前導(dǎo)符和幀開始數(shù)據(jù)（SFD），在接收時去掉這些域。以幀為單位，自動計算CRC和產(chǎn)生可控制的填充位。在接收幀時，自動去除填充位/CRC為可選項?？蓪L度進(jìn)行編程，支持最長為16K字節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)幀。-13-STM32F107的ETH--DMA功能

STM32F107的ETH具有DMA功能，特點如下：在AHB從接口下，支持所有類型的AHB突發(fā)傳輸。在AHB主接口下，軟件可以選擇AHB突發(fā)傳輸?shù)念愋停ü潭ɑ蛘卟还潭ㄩL度的突發(fā)）。可以選擇來自AHB主接口的地址對齊的突發(fā)傳輸。優(yōu)化的DMA傳輸，傳輸以幀分隔符為界的數(shù)據(jù)幀。支持以字節(jié)對齊的方式對數(shù)據(jù)緩存區(qū)尋址。雙緩存區(qū)（環(huán)）或鏈表形式的描述符列表。描述符的架構(gòu)，使得大量的數(shù)據(jù)傳輸僅需要最小量的CPU介入。-14-STM32F107的ETH--PTP功能

STM32F107ETH模塊具有PTP功能。PTP是指精確時鐘同步協(xié)議，在IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)中定義，是一種軟件方式的網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議，來提高每個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的定時同步能力，作用如下：設(shè)置接收和發(fā)送幀的時間戳。時間校正（可粗調(diào)和細(xì)調(diào)）。當(dāng)系統(tǒng)時間比目標(biāo)時間大時，觸發(fā)中斷。（通過MCU的復(fù)用功能I/O）輸出秒脈沖。-15-STM32F107的ETH--以太網(wǎng)模塊功能描述：RMII

以太網(wǎng)模塊包括一個符合802.3協(xié)議的MAC（介質(zhì)訪問控制器）和專用的DMA控制器。該模塊支持默認(rèn)的獨立于介質(zhì)的接口（MII）和精簡的獨立于介質(zhì)的接口（RMII）。由于RMII比MII接口管腳減少一半，應(yīng)用比較廣泛，所以本節(jié)僅對RMII進(jìn)行介紹。精簡的獨立于介質(zhì)的接口：RMII

RMII是精簡的獨立于介質(zhì)接口規(guī)范，它減少了10/100M位/s通信時與外部以太網(wǎng)之間的引腳數(shù)。-16-STM32F107的ETH--以太網(wǎng)模塊功能描述：RMII

RMII模塊用于連接MAC和PHY，該模塊將MAC的MII信號轉(zhuǎn)換到RMII接口上。RMII模塊具有以下特性：支持10M位/s和100M位/s的通信速率。時鐘信號需要提高到50MHz。MAC和外部的以太網(wǎng)PHY需要使用同樣的時鐘源。使用2位寬度的數(shù)據(jù)收發(fā)。-17-STM32F107的ETH--以太網(wǎng)模塊功能描述：RMII

RMII時鐘源

STM32F107控制器可以從MCO（PA8）引腳提供50MHz時鐘信號，用戶需要配置PLL來產(chǎn)生這一時鐘。通過配置可以選擇使用MII或者RMII模式。必須在以太網(wǎng)控制器處于復(fù)位狀態(tài)時，或者在使能時鐘前選擇好MII/RMII模式。-18-STM32F107的ETH--以太網(wǎng)模塊功能描述：MAC802.3

IEEE802.3國際標(biāo)準(zhǔn)為局域網(wǎng)（LANs）定義了CSMA/CD（帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問）的訪問方式。MAC模塊實現(xiàn)了LANCSMA/CD的子層，支持全雙工和半雙工的操作模式。但是沖突檢測的訪問方式，僅適用于半雙工模式。-19-STM32F107的ETH--精確時間協(xié)議（IEEE1588PTP）

IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)定義了一種協(xié)議，該協(xié)議允許通過網(wǎng)絡(luò)通訊，本地計算和分離設(shè)備技術(shù)實現(xiàn)測量和控制系統(tǒng)精確的時鐘同步。協(xié)議可以應(yīng)用于通過本地局域網(wǎng)通訊的系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)要求支持多播通信，這個局域網(wǎng)可以是（但不限于）以太網(wǎng)。協(xié)議可以用來同步擁有不同精度、分辨率和穩(wěn)定度時鐘的系統(tǒng)。協(xié)議支持在占用最少網(wǎng)絡(luò)和計算資源的情況下，系統(tǒng)時鐘同步精度達(dá)到亞微秒級。協(xié)議名稱是PTP（精確時間協(xié)議），協(xié)議的基礎(chǔ)是以UDP/IP為載體的消息傳遞。整個系統(tǒng)或者網(wǎng)絡(luò)的各個節(jié)點，按照發(fā)起和接收時間/時鐘信息的角色，可以分為主節(jié)點和從節(jié)點。協(xié)議通過在主從節(jié)點之間交換PTP消息來把從節(jié)點時鐘同步到主節(jié)點時鐘。-20-STM32F107的ETH--以太網(wǎng)功能描述：DMA控制器操作

DMA具有獨立的發(fā)送和接收控制器，還有1個控制和狀態(tài)寄存器（CSR）空間。發(fā)送控制器負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)從系統(tǒng)存儲器轉(zhuǎn)送至發(fā)送FIFO，而接收控制器負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)從接收FIFO讀出到系統(tǒng)存儲器。為了把CPU的操作減到最小，DMA控制器利用描述符來實現(xiàn)數(shù)據(jù)從源頭到目的之間的移動。DMA負(fù)責(zé)把接收到的幀數(shù)據(jù)傳送給STM32F107的接收緩存，把STM32F107發(fā)送緩存里的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。在STM32F107的存儲器里，描述符是以緩存指針的形式存放。有2個描述符隊列，一個用作發(fā)送，另一個用作接收。-21-LWIP協(xié)議棧

LWIP（lightweightimplementationofTCP/IPprotocolstack，輕量級TCP/IP協(xié)議棧）是瑞典計算機(jī)科學(xué)院的一個開源的TCP/IP協(xié)議棧。它的目的是減少內(nèi)存使用率和代碼大小，使LWIP適用于資源受限系統(tǒng)，比如嵌入式系統(tǒng)。-22-LWIP協(xié)議棧

--LWIP特性LWIP實現(xiàn)的重點是在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少對RAM的占用，一般它只需要幾百字節(jié)的RAM和40k左右的ROM就可以運行，這使LWIP協(xié)議棧適合在低端的嵌入式系統(tǒng)中使用。LWIP主要特性如下：支持多網(wǎng)絡(luò)接口下的IP轉(zhuǎn)發(fā)。支持ICMP協(xié)議。包括實驗性擴(kuò)展的UDP。包括阻塞控制，RTT估算，快速恢復(fù)和快速轉(zhuǎn)發(fā)的TCP（傳輸控制協(xié)議）。可選擇的berkeley接口API。與許多其它的TCP/IP實現(xiàn)一樣，LWIP也是以分層的協(xié)議來設(shè)計TCP/IP。每一個協(xié)議作為一個模塊被實現(xiàn)，同時還提供了幾個函數(shù)作為協(xié)議的入口點。-23-LWIP協(xié)議棧

--LWIP結(jié)構(gòu)LWIP由幾個模塊組成，除TCP/IP協(xié)議模塊（IP，ICMP，UDP，TCP）外，還有包括許多相關(guān)支持模塊。這些支持模塊包括：操作系統(tǒng)模擬層、緩沖與內(nèi)存管理子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)接口函數(shù)及一組Internet校驗和計算函數(shù)，LWIP還包括一個API概要說明。LWIP協(xié)議棧的文件結(jié)構(gòu)如圖13-5所示。-24-LWIP協(xié)議棧

--LWIP結(jié)構(gòu)LWIP1.3.1協(xié)議棧，主要包括以下幾個文件夾組成：doc文件夾：主要為LWIP的一些說明文檔。port文件夾：主要為LWIP移植時的文件和資源。src文件夾：主要為LWIP的源文件。LWIP協(xié)議棧采用分層實現(xiàn)的方法來實現(xiàn)以太網(wǎng)協(xié)議，其src文件夾又包含以下幾個文件夾：api文件夾：提供上層應(yīng)用API接口源文件，包括有socket接口，netifAPI接口的實現(xiàn)機(jī)制。core文件夾：包括IP層和傳輸層協(xié)議，如IP，TCP，UDP，DNS和DHCP等。include文件夾：提供了各源文件對應(yīng)的頭文件。netif文件夾：為網(wǎng)絡(luò)接口層，包括與底層驅(qū)動的接口，防火墻，PPP等。-25-建立ETH模板

在STM32的官方固件庫中，并沒有提供ETH部分的庫函數(shù)，但ST官方提供單獨ETH固件庫的下載，移植LWIP并且附有相關(guān)例程。本節(jié)將在此固件庫基礎(chǔ)上，實現(xiàn)一個STM32F107的ETH開發(fā)模板。-26-建立ETH模板--官方ETH固件庫

可以在ST公司網(wǎng)頁上下載到官方的ETH固件庫，其文件結(jié)構(gòu)如圖13-6所示-27-建立ETH模板--修改ETH固件庫

下述內(nèi)容用于實現(xiàn)描述13.D.1，建立一個ETH開發(fā)模板。其步驟如下所示。1.編輯固件庫目錄因為是在MDK開發(fā)環(huán)境下，所以需要刪除Project文件夾下的EWARMv5,HiTOP和RIDE三個文件夾，如圖13-7所示。-28-建立ETH模板--修改ETH固件庫

下述內(nèi)容用于實現(xiàn)描述13.D.1，建立一個ETH開發(fā)模板。其步驟如下所示。刪除后的文件結(jié)構(gòu)如圖13-8所示。-29-建立ETH模板--修改ETH固件庫

下述內(nèi)容用于實現(xiàn)描述13.D.1，建立一個ETH開發(fā)模板。其步驟如下所示。刪除Utilities文件夾下STM32_EVAL文件夾，如圖13-9所示。-30-建立ETH模板--修改ETH固件庫

下述內(nèi)容用于實現(xiàn)描述13.D.1，建立一個ETH開發(fā)模板。其步驟如下所示。刪除后的文件目錄如圖13-10所示。-31-建立ETH模板--修改ETH固件庫

下述內(nèi)容用于實現(xiàn)描述13.D.1，建立一個ETH開發(fā)模板。其步驟如下所示。2.編輯MDK工程

雙擊打開\Project\RVMDK\Project.Uv2，啟動項目，剝離官方開發(fā)板的相關(guān)信息。在Project窗口中更改項目名為ETH，移除STM32_EVAL組。-32-建立ETH模板--修改ETH固件庫

下述內(nèi)容用于實現(xiàn)描述13.D.1，建立一個ETH開發(fā)模板。其步驟如下所示。3.修改stm32f10x_it.c文件將stm32f10x_it.c文件的“externvoidTCP_led_control（Led_TypeDefLed）;”語句注釋掉，如圖13-12所示。-33-建立ETH模板--修改ETH固件庫

下述內(nèi)容用于實現(xiàn)描述13.D.1，建立一個ETH開發(fā)模板。其步驟如下所示。3.修改stm32f10x_it.c文件注釋掉voidEXTI15_10_IRQHandler（void）中斷函數(shù)內(nèi)容，如圖13-13所示。-34-建立ETH模板--修改ETH固件庫

下述內(nèi)容用于實現(xiàn)描述13.D.1，建立一個ETH開發(fā)模板。其步驟如下所示。4.修改httpd.c文件找到httpd.c文件中函數(shù)err_thttp_recv（）如圖13-14所示。將其中的STM_EVAL_LEDOff（）;語句注釋掉，如圖13-15所示。-35-建立ETH模板--修改ETH固件庫

下述內(nèi)容用于實現(xiàn)描述13.D.1，建立一個ETH開發(fā)模板。其步驟如下所示。4.修改httpd.c文件繼續(xù)將文件中其它相關(guān)語句注釋掉，如圖13-15所示。-36-建立ETH模板--修改ETH固件庫

下述內(nèi)容用于實現(xiàn)描述13.D.1，建立一個ETH開發(fā)模板。其步驟如下所示。5.修改stm32f107.h文件將stm32f107.h文件中的三個開發(fā)板頭文件注釋掉，如圖13-16所示。

-37-建立ETH模板--修改ETH固件庫

下述內(nèi)容用于實現(xiàn)描述13.D.1，建立一個ETH開發(fā)模板。其步驟如下所示。6.修改stm32f107.c文件將stm32f107.c文件中的液晶屏和按鍵部分注釋掉，如圖13-17所示。

-38-建立ETH模板--修改ETH固件庫

下述內(nèi)容用于實現(xiàn)描述13.D.1，建立一個ETH開發(fā)模板。其步驟如下所示。7.修改client.c文件

將client.c文件中的液晶顯示部分注釋掉，如圖13-18所示。

-39-建立ETH模板--修改ETH固件庫

下述內(nèi)容用于實現(xiàn)描述13.D.1，建立一個ETH開發(fā)模板。其步驟如下所示。8.修改serevr.c文件

將server.c文件中的液晶屏和LED部分注釋掉，如圖13-19所示。

-40-建立ETH模板--修改ETH固件庫

下述內(nèi)容用于實現(xiàn)描述13.D.1，建立一個ETH開發(fā)模板。其步驟如下所示。8.修改serevr.c文件

將led切換部分代