以太網(wǎng)控制器W5200

第六章以太網(wǎng)控制芯片W5200●6.1以太網(wǎng)簡介●6.2以太網(wǎng)控制芯片W5200的特點及結(jié)構(gòu)●6.3數(shù)據(jù)通信6.1以太網(wǎng)簡介以太網(wǎng)（Ethernet）是一種計算機局域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)。它不是一種具體的網(wǎng)絡(luò)，是一種技術(shù)規(guī)范。該規(guī)范定義了在局域網(wǎng)（LAN）中采用的電纜類型和信號處理方法。IEEE制定的IEEE802.3標準給出了以太網(wǎng)的技術(shù)標準。它規(guī)定了包括物理層的連線、電信號和介質(zhì)訪問層協(xié)議的內(nèi)容。常用以太網(wǎng)接口以太網(wǎng)的發(fā)展標準以太網(wǎng)10Mbps的吞吐量使用的是帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問（CSMA/CD）的訪問控制方法距離通常在100米以內(nèi)快速以太網(wǎng)100Mpbs支持3、4、5類雙絞線以及光纖的連接，能有效的利用現(xiàn)有的設(shè)施以太網(wǎng)的發(fā)展千兆以太網(wǎng)采用了與10M以太網(wǎng)相同的幀格式、幀結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、全/半雙工工作方式、流控模式以及布線系統(tǒng)，因此可與10M或100M的以太網(wǎng)很好地配合工作萬兆以太網(wǎng)1999年，以太網(wǎng)速度提升到1G，開始進入城域網(wǎng)現(xiàn)在以太網(wǎng)提升到了10G，即萬兆，可直接應(yīng)用于廣域網(wǎng)6.2以太網(wǎng)控制芯片W5200的特點及結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的以太網(wǎng)控制器僅將PHY和MAC整合到同一個芯片中，然后通過軟件方式實現(xiàn)IP層及以上協(xié)議。在W5200中，它是整合了前四層的協(xié)議，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，通過硬件實現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議棧。開發(fā)者無需專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)知識，如同控制外部存儲器一樣簡單，為用戶提供了最簡單的網(wǎng)絡(luò)介入方法。全硬件TCP/IP協(xié)議棧完全獨立于主控芯片，可以降低主芯片負載且無需移植繁瑣的TCP/IP協(xié)議棧，便于產(chǎn)品更新。

W5200的特點

W5200支持硬件TCP/IP協(xié)議，包括TCP、UDP、ICMP、IPv4、ARP、IGMP、PPPoE和以太網(wǎng)的PHY和MAC層，TCP/IP協(xié)議的硬件實現(xiàn)，使得應(yīng)用協(xié)議的實現(xiàn)更簡單容易；支持8個獨立的端口（SOCKET）同時工作，可同時工作在不同的工作模式；支持低功耗模式，并支持網(wǎng)絡(luò)喚醒，最大程度地減少功率消耗和發(fā)熱；支持高速SPI接口（SPIMODE0,3），SPI的時鐘最高可達到80MHz，極大地提高了網(wǎng)絡(luò)通信的數(shù)據(jù)傳輸速率；支持高速SPI接口（SPIMODE0,3），SPI的時鐘最高可達到80MHz，極大地提高了網(wǎng)絡(luò)通信的數(shù)據(jù)傳輸速率；內(nèi)嵌10BaseT/100BaseTX以太網(wǎng)物理層（PHY）；支持自動握手（全雙工/半雙工，10/100M）；支持MDI/MDIX自動翻轉(zhuǎn)功能。W5200還支持ADSL連接（帶PAP/CHAP認證模式的PPPoE協(xié)議）；但不支持IP分片；具有多功能LED指示輸出（全雙工/半雙工，連接，速度等）；W5200工作電壓為3.3V，但端口可承受5V電壓，采用8腳QFN無鉛環(huán)保封裝。W5200的結(jié)構(gòu)由左圖可以看出，W5200集成了網(wǎng)絡(luò)通信的所有協(xié)議部件，通過SPI接口與微控制器（MCU）進行連接就可以實現(xiàn)以太網(wǎng)通信的應(yīng)用，不需要處理復雜的以太網(wǎng)控制。W5200的引腳各個引腳的功能分類（1）與MCU接口的信號（2）物理層PHY信號（3）其它信號（4）電源引腳（5）時鐘信號（6）LED信號W5200的存儲器W5200的存儲器組成：通用寄存器、端口（SOCKET）寄存器TX存儲器和RX存儲器組成通用寄存器

通用寄存器模式寄存器MR[R/W][0x0000][0x00]：用于實現(xiàn)軟件復位，并可設(shè)置Ping允許控制和PPPoE允許控制網(wǎng)關(guān)IP地址寄存器GAR[R/W][0x0001~0x0004][0x00]：這些寄存器設(shè)置默認的網(wǎng)關(guān)IP地址子網(wǎng)掩碼寄存器SUBR[R/W][0x0005~0x0008][0x00]：這些寄存器設(shè)置子網(wǎng)掩碼本機物理地址寄存器SHAR[R/W][0x0009~0x000E][0x00]：這些寄存器設(shè)置本機物理地址本機IP地址寄存器SIPR[R/W][0x000F~0x0012][0x00]：這些寄存器用于設(shè)置本機IP地址通用寄存器重試時間值寄存器RTR[R/W][0x0017~0x0018][0x07D0]：當執(zhí)行CONNECT、DISCON、CLOSE、SEND、SEND_MAC和SEND_KEEP命令時，如果對端沒有響應(yīng)，或響應(yīng)延遲，則會產(chǎn)生重新傳送的過程。重試時間值寄存器RTR用于配置重新傳送的超時時間周期（單位是100us）重試計數(shù)寄存器RCR[R/W][0x0019][0x08]：該寄存器用于設(shè)置重新傳送的次數(shù)。當重新傳送發(fā)生的次數(shù)超過“RCR+1”時，Socketn中斷寄存器Sn_IR的TIMEOUT位將被設(shè)置為‘1’，對于TCP通信，Socketn的狀態(tài)寄存器Sn_SR的值將同時改變?yōu)椤癝OCK_CLOSED”。SOCKET寄存器6.3數(shù)據(jù)通信通信接口及時序

初始化

TCP協(xié)議

UDP協(xié)議

通信接口及時序

W5200提供SPI接口與MCU通信。SPI接口的引腳為nSCS（片選信號）、SCLK（時鐘信號）、MOSI（主出從入）和MISO（主入從出）。在SPI通信中，MCU作為主機，W5200作為從機。通用的SPI主機SPI通信處理過程如下：（1）在SPI主機上定義輸入/輸出的方向；（2）在非激活狀態(tài)nSCS設(shè)置為高電平；（3）寫入要發(fā)送的目的地址到SPDR寄存器；（4）寫入要發(fā)送的操作代碼和數(shù)據(jù)長度到SPDR寄存器；（5）寫入要發(fā)送的數(shù)據(jù)到SPDR寄存器；（6）設(shè)置nSCS為低電平（啟動數(shù)據(jù)傳輸）；（7）等待接收完成；（8）所有數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束，設(shè)置nSCS為高電平。初始化首先正確選擇和設(shè)置以下寄存器：模式寄存器（MR）中斷屏蔽寄存器（IMR）重發(fā)時間寄存器（RTR）重發(fā)次數(shù)寄存器（RCR）其次，為了建立通信，需要設(shè)置基本網(wǎng)絡(luò)信息。包括以下信息：本機硬件地址寄存器GAR（網(wǎng)關(guān)地址寄存器）SUBR（子網(wǎng)掩碼寄存器）SIPR（本機IP地址寄存器）最后，調(diào)用wizMemInit()函數(shù)設(shè)置SOCKET存儲器信息。每個端口的基地址和地址掩碼都在這一步確定并保存。TCP協(xié)議TCP是一種面向連接的通信協(xié)議。TCP使用本機IP地址、端口號和目的IP地址、目的端口號等建立端口連接，使用該端口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。建立端口連接的方法有“TCP服務(wù)器”和“TCP客戶端”。TCP服務(wù)器模式設(shè)置W5200為TCP服務(wù)器模式時，其循環(huán)程序中包含的操作有：Socket初始化偵聽發(fā)送接收斷開連接關(guān)閉端口

TCP服務(wù)器模式Socket初始化選擇W5200的8個Socket中的一個設(shè)置該Socket的協(xié)議模式：Sn_MR_TCP設(shè)置本機端口號以及相應(yīng)的標識位flag初始化完成后，Socketn的狀態(tài)已經(jīng)更改為SOCK_INIT（0x13）

偵聽（TCP服務(wù)器模式特有操作）調(diào)用listen()函數(shù)，Socketn的狀態(tài)更改為SOCK_LISTEN(0x14)Socket會一直處于等待狀態(tài)，直到有來自客戶端的連接請求。一旦與客戶端相連，Socket狀態(tài)將會改變?yōu)镾OCK_ESTABLISHED(0x17)。TCP服務(wù)器模式發(fā)送發(fā)送數(shù)據(jù)時，需設(shè)置SOCKET、被發(fā)送數(shù)據(jù)的目的地址、數(shù)據(jù)大小以及當發(fā)送數(shù)據(jù)長度大于Socket的接收內(nèi)存空間剩余大小時的重發(fā)命令。發(fā)送數(shù)據(jù)的長度不能大于指定的SOCKETn的發(fā)送存儲器大小為了檢查SEND命令是否執(zhí)行完成，需要檢查發(fā)送數(shù)據(jù)的長度與實際發(fā)送的數(shù)據(jù)長度是否相等接收將數(shù)據(jù)從接收存儲器（RXbuffer）轉(zhuǎn)移到用戶的數(shù)據(jù)區(qū)域必須檢查寄存器Sn_RX_RSR的值是否大于零。如果大于零，則說明接收到的數(shù)據(jù)在接收存儲器中g(shù)etSn_RX_RSR()函數(shù)用來獲取接收緩沖區(qū)中接收到的數(shù)據(jù)的長度TCP服務(wù)器模式斷開連接發(fā)送一個斷開連接請求（FIN數(shù)據(jù)包）到其對等進程等待，直到得到響應(yīng)（FIN/ACK數(shù)據(jù)包）Socket狀態(tài)改變?yōu)镾OCK_CLOSED（0x00），并且Socket關(guān)閉關(guān)閉端口直接將Socket的狀態(tài)置為SOCK_CLOSED（0x00）不必理會其對等進程的狀態(tài)TCP客戶端模式設(shè)置W5200為TCP客戶端模式，其循環(huán)程序中包含的操作有：Socket初始化連接發(fā)送接收斷開連接關(guān)閉端口。TCP客戶端模式TCP客戶端模式與服務(wù)器模式非常類似。唯一不同的是，當端口完成初始化處于SOCK_INIT狀態(tài)時，客戶端模式是調(diào)用connect()函數(shù)請求與服務(wù)器的連接，而服務(wù)器模式則是調(diào)用listen()函數(shù)以等待連接連接發(fā)送連接請求（SYN數(shù)據(jù)包）到“TCP服務(wù)器”需設(shè)置SOCKET號、目的IP地址和目的端口號調(diào)用connect()函數(shù)，一旦連接成功，端口狀態(tài)將會改變?yōu)镾OCK_ESTABLISHED(0x17)UDP