W5500嵌入式以太網(wǎng)控制器

一. W5500介紹

W5500是一款全硬件TCP/IP嵌入式以太網(wǎng)控制器，為嵌入式系統(tǒng)提供了更加簡(jiǎn)易的互聯(lián)網(wǎng)連接方案。W5500集成了TCP/IP協(xié)議棧，10/100M以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層（MAC）以及物理層（PHY），使得用戶使用單芯片就能夠在他們的應(yīng)用中擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)連接。

Features:

  • 支持硬件TCP/IP協(xié)議棧：TCP, UDP, ICMP, IPv4, ARP, IGMP, PPPoE

  • 支持8個(gè)獨(dú)立端口（socket）同時(shí)通訊

  • 支持掉電模式

  • 支持網(wǎng)絡(luò)喚醒

  • 支持高速串行外設(shè)接口（SPI模式0，3）

  • 內(nèi)部32k字節(jié)收發(fā)緩存，內(nèi)嵌10BaseT/100BaseTX以太網(wǎng)物理層

  • 支持自動(dòng)協(xié)商（10/100-Base全雙工/半雙工）

  • 不支持IP分片

  • 3.3V工作電壓，I/O信號(hào)口5V耐壓

  • LED狀態(tài)顯示（全雙工/半雙工， 網(wǎng)絡(luò)連接， 網(wǎng)絡(luò)速度， 活動(dòng)狀態(tài)）

W5500芯片系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

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從上圖可以看出W5500作為一款以太網(wǎng)通信芯片，它可以方便的擴(kuò)展出主控芯片的以太網(wǎng)通信接口。W5500提供了SPI接口用于與主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，W5500的內(nèi)部主要可以分為以下模塊：

  1. SPI接口控制器

  2. 寄存器管理器

  3. TCP/IP協(xié)議棧核（從上到下包括傳輸層，網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層）

  4. MII（介質(zhì)無關(guān)接口）管理器

  5. 以太網(wǎng)物理層

  6. 內(nèi)存管理器

  7. 32k的發(fā)送和接收緩存

二. W5500與主控芯片的數(shù)據(jù)交互

W5500提供了SPI接口用于實(shí)現(xiàn)與主控芯片的數(shù)據(jù)交互。

W5500與主機(jī)的連接方式及SPI工作模式

  1. SPI協(xié)議根據(jù)時(shí)鐘信號(hào)空閑電平定義（高電平or低電平）以及數(shù)據(jù)鎖存邊沿方向（上升沿or下降沿）定義了SPI的4種工作模式（工作模式0，1，2，3）。在W5500中只支持工作模式0和3，在這兩種模式下數(shù)據(jù)總是在SCLK信號(hào)的上升沿被鎖存，在SCLK信號(hào)的下降沿被輸出。

    Screen Shot 2020-08-29 at 4.11.16 PM.png

  2. 根據(jù)W5500與主控芯片的連接方式不同，W5500的SPI可以工作在兩種模式下：

  • 變數(shù)據(jù)長度模式（VDM）

    Screen Shot 2020-08-29 at 4.10.28 PM.png

  • 定數(shù)據(jù)長度模式（FDM）

    Screen Shot 2020-08-29 at 4.10.50 PM.png

W5500的SPI數(shù)據(jù)幀格式

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  1. 偏移地址域（16bits）：MSB到LSB傳輸，支持連續(xù)讀寫模式，該模式下偏移地址自動(dòng)加1。

  2. 控制字域（8bits）：

    1. 包括塊選擇位（4bits）：選擇W5500內(nèi)存中的不同塊，包括普通寄存器和8個(gè)socket寄存器及相應(yīng)的發(fā)送/接收寄存器。

    2. 讀寫控制位：0為讀， 1 為寫。

    3. 模式選擇位：配置W5500的SPI工作模式，配置定義如下表

      OM[0:1]值 模式
      00 可變數(shù)據(jù)長度模式，Nbytes數(shù)據(jù)域
      01 固定數(shù)據(jù)長度模式，N=1
      10 固定數(shù)據(jù)長度模式，N=2
      11 固定數(shù)據(jù)長度模式，N=4

  3. 數(shù)據(jù)域（N*8bits）：MSB到LSB傳輸?shù)臄?shù)據(jù)

W5500的內(nèi)存分布結(jié)構(gòu)

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W5500的內(nèi)部存儲(chǔ)包括：

  1. 1個(gè)普通寄存器block：這里配置了W5500的一些基本信息，如網(wǎng)絡(luò)配置（IP，MAC地址，Socket中斷配置等等）

  2. 8個(gè)Socket寄存器block：這里配置了每個(gè)Socket對(duì)應(yīng)的信息，如Socket的模式，命令，狀態(tài)，中斷信息等。

  3. 8個(gè)Socket對(duì)應(yīng)的接收緩沖寄存器block（共16k）：初始時(shí)每個(gè)Socket分配為2k的緩存，用戶可以自己重新通過修改相應(yīng)的配置寄存器進(jìn)行修改，但是要保證分配給8個(gè)Socket的緩沖大小之和不能超過16k，否則會(huì)報(bào)錯(cuò)。

  4. 8個(gè)Socket對(duì)應(yīng)的發(fā)送緩沖寄存器block（共16k）：同3

三. W5500官方庫移植

W5500官方庫介紹：

wiznet公司為了方便芯片使用者進(jìn)行軟件開發(fā)，提供了相應(yīng)的芯片底層驅(qū)動(dòng)庫，在這個(gè)庫中實(shí)現(xiàn)了：

  1. 對(duì)W5500的硬件抽象，用戶只需要將主控芯片的SPI驅(qū)動(dòng)函數(shù)注冊(cè)到W5500中即可以實(shí)現(xiàn)主控芯片和W5500之間的數(shù)據(jù)交互。

  2. 實(shí)現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議的接口，官方庫中實(shí)現(xiàn)了BSD風(fēng)格的Socket接口可供用戶直接調(diào)用。

  3. 提供了一些應(yīng)用層協(xié)議開發(fā)的接口實(shí)現(xiàn)，如FTP， HTTP，MQTT等。

官方庫使用github托管，鏈接地址為：

[wiznet/ioLibrary] Https://github.com/Wiznet/ioLibrary_Driver

W5500官方庫移植方法

  1. 下載或clone官方庫到本地，選擇需要的文件添加到自己的工程當(dāng)中，官方庫的文件架構(gòu)如下：

    w5500_ioLibrary.jpeg

    Ethernet文件夾下包含的是以太網(wǎng)相關(guān)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，一般都是必須的（選擇相應(yīng)的芯片類型添加），而internet文件夾下則是一些應(yīng)用層協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行添加。

  2. 根據(jù)實(shí)際使用的芯片和硬件架構(gòu)修改wizchip_conf.h頭文件中的定義，如：

    1. 根據(jù)實(shí)際使用的芯片修改芯片型號(hào)定義（WIZCHIP宏），默認(rèn)為W5100S，使用W5500芯片時(shí)只需要改為：

           #define _WIZCHIP_              W5500

    2. 找到W5500對(duì)應(yīng)的宏定義配置處，修改W5500與主控芯片的通信配置信息，對(duì)于W5500來說只有SPI這一種接口，這里只需要根據(jù)自己的需求選擇SPI的兩種工作模式：VDM和FDM，例如治理選擇VDM模式：

          #define   _WIZCHIP_IO_MODE_       _WIZCHIP_IO_MODE_SPI_VDM

    3. 在wizchip_conf.h文件中有對(duì)W5500芯片的封裝，該文件中提供了很多函數(shù)注冊(cè)的接口，用于實(shí)現(xiàn)用戶定義的SPI驅(qū)動(dòng)函數(shù)接口和W5500官方庫的硬件抽象接口之間的連接。因此只需要按照官方庫中的定義實(shí)現(xiàn)相關(guān)的SPI驅(qū)動(dòng)函數(shù)，然后再調(diào)用官方庫中提供的注冊(cè)函數(shù)將這些驅(qū)動(dòng)函數(shù)進(jìn)行注冊(cè)，就能夠打通主控芯片與W5500芯片之間的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)移植。

    4. 新建兩個(gè)SPI驅(qū)動(dòng)的接口文件，例如：w5500_interface.h和w5500_interface.c。然后在文件中實(shí)現(xiàn)以下底層的驅(qū)動(dòng)函數(shù)：

        void CS_Select(void); //片選使能
  void CS_deSelect(void);   //片選清使能
  void SPI_Write_Byte(uint8_t byte);    //寫單子節(jié)
  uint8_t SPI_Read_Byte(void);      //讀單子節(jié)
  /* 叢發(fā)模式讀數(shù)據(jù) */
  void SPI_Read_Burst(uint8_t *buff, uint16_t len);
  /* 叢發(fā)模式寫數(shù)據(jù) */
  void SPI_Write_Burst(uint8_t *buff, uint16_t len);

    5. 編寫W5500的初始化函數(shù)：

          void w5500_init(void);

      在該函數(shù)中調(diào)用官方庫提供的注冊(cè)函數(shù)，將步驟4中實(shí)現(xiàn)的底層SPI驅(qū)動(dòng)函數(shù)進(jìn)行注冊(cè)。

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