STM32F4以太网LWIP - LAN8720

LAN8720是低功耗的10/100MHz以太网PHY层芯片，支持通过RMII接口与以太网MAC层通信，内置10-BASE-T/100-BASE-TX全双工模块传输模块，支持10Mbps和100Mbps。LAN8720可以通过自协商的方式确定与目的主机最佳的连接方式(速度和双工模式)。支持HPAuto-MDIX自动翻转功能，无需更换网线即可将连接更改为直连(TX接TX，RX接RX)和交叉连接（TX接RX）。

1. 支持RMII接口以减少引脚数

2. 支持全双工和半双工模式

3. 可以使用25M晶振以降低成本

4. 支持SMI串行管理接口

5. 支持MAC接口

LAN8720地址设置

前面说了MAC内核可以通过SMI接口来读写PHY(LAN8720的寄存器)，SMI最多可以控制32个PHY芯片，通过不同的PHY芯片地址来对PHY芯片进行操作。LAN8720通过设置RXER/PHYAD0引脚来设置其PHY地址，默认情况下为0，其地址设置如下表所示。STM32F407开发板使用的是默认地址，也就是0x00。

nINT/REFCLKO配置

nINTSEL引脚用于设置nINT/REFCLKO引脚的功能。通常默认为低电平。nINT/SEL配置如下表所示：

REFCLK-In模式

当工作在REFCLK-In模式时，50MHz的外部时钟信号应接到LAN8720的XTAL1/CKIN引脚和STM32F407的RMII-REF-CLK引脚上

REFCLK-Out模式

为了降低成本，LAN8720可以从外部的25MHz的晶振中产生REF_CLK时钟。但要使用此功能时，REFCLKO引脚应工作在REFCLK-Out模式，此时REF_CLK时钟源如下图所示。图上外接了一个25MHz的时钟源，REFCLKO接口将内部倍频到50MHz的晶振通过REF_CLK接口供给MAC内核。

LAN-8720寄存器

PHY是由IEEE 802.3定义的。一般通过SMI对PHY进行管理和控制，也就是读写PHY内部寄存器。PHY内部寄存器的地址空间为5位，可以定义0~31共32个寄存器，但是随着PHY芯片功能的增加，很多PHY芯片采用分页技术来扩展地址空间，定义更多的寄存器，此处不讨论该情况。

IEEE 802.3定义了0~15这16个寄存器的功能，16~31寄存器由芯片制造商自由定义。下面介绍3个重要的LAN8720寄存器

BCR基础控制寄存器(0)

位15 软件复位置1此位自动清零

位14 回测 0正常运行 1回测模式回测模式下发送的数据会环回到发送接口，测试网络用

位13 速度选择 0为10Mbps，1为100Mbps。使用自动协商时此位自动失能

位12 自动协商功能 0关闭 1打开

位11 掉电 0正常运行 1进入掉电模式进入掉电模式前自动协商必须失能

位10 隔离 0正常运行 1PHY的RMII接口电气隔离

位9 重启自动协商功能 0正常运行 1重启自动协商功能此位自动清零

位8 双工模式 0半双工 1全双工开启自动协商后此位自动失效

位7:0 保留

BSR基础状态寄存器(1)

位15 100BASE-T4(4根线) 0不支持T4 1支持T4

位14 100BAST-TX全双工 0不支持TX全双工 1支持TX全双工

位13 100BASE-TX半双工 0不支持TX半双工 1支持TX半双工

位12 10BAST-T全双工 0不支持10MBps全双工 1支持10MBps全双工

位11 10BAST-T半双工 0不支持10MBps半双工 1支持10MBps半双工

位10:6 保留

位5 自动协商功能 0自动协商功能未完成 1自动协商功能完成

位4 远端错误 0无远端错误 1检测到远端错误

位3 自协商功能是否可执行 0可执行自协商功能 1不可执行自协商功能

位2 连接状态 0连接断开 1连接建立

位1 Jabber检测(数据传输异常) 0未检测到Jabber 1检测到Jabber

位0 扩展功能 0不支持扩展寄存器 1支持扩展寄存器

LAN8720特殊功能寄存器(31)

LAN8720特殊功能寄存器中的2~4bit是我们关心的，因为从这3个bit中我们可以判断当前开发板网络的双工方式和网速。这个寄存器的地址和bit的意义需要我们手动添加到ST的以太网驱动库文件stm32f4x7_eth_conf.h中，而BCR和BSR寄存器定义在stm32f4x7_eth.h中

硬件连接

以太网DMA描述符

DMA描述符介绍

STM32F407有一个以太网专用的DMA，DMA可以在CPU完全不干预的情况下，通过描述符有效地将数据从源传送到目标，接收缓冲区和发送缓冲区的数据都可以通过以太网DMA来传送。

共有两个描述符，一个用于发送，一个用于接收。描述符是一种链表，最后一个描述符会指回第一个描述符以构成环形结构。描述符链表位于主机(RAM)的物理存储空间，两个链表的基址分别写入ETH_DMARDLAR(Descriptor List Address Register)寄存器和ETH_DMATDLAR寄存器中。每个描述符最多可指向两个缓冲区。描述符一共有两种结构: 环形结构和链接结构。发送和接收描述符在程序中共用一个结构体，通过存入的寄存器不同来进行功能区分(RDLAR和TDLAR寄存器)。

DMA描述符链接结构

ST提供给我们的以太网驱动库使用的描述符是链接结构。链接结构的第二个缓冲区用来存放下一个描述符的地址，最后一个描述符指向第一个描述符。

描述符注意事项：

1、一个以太网数据包可以跨越一个或多个DMA描述符

2、一个DMA描述符只能用于一个以太网数据包

3、DMA描述符列表中的最后一个描述符指向第一个，形成链式结构

在ST的以太网驱动库stm32f4x7_eth.h中有个结构体ETH_DMADESCTypeDef，该结构体就是以太网描述符。发送描述符和接收描述符都使用该结构，但

描述符又分为常规描述符和增强描述符，常规描述符和增强描述符又有发送描述符和接收描述符两种。

在stm32f4x7_eth.c中定义了两个DMA描述符数组，一个用于DMA接收，一个用于DMA发送

__align(4)
   ETH_DMADESCTypeDef DMARxDscrTab[ETH_RXBUFNB];/* DMA接收描述符数组*/
  __align(4)
   ETH_DMADESCTypeDef DMATxDscrTab[ETH_TXBUFNB];/* DMA发送描述符数组 */
  __align(4)
   uint8_t Rx_Buff[ETH_RXBUFNB][ETH_RX_BUF_SIZE]; /* DMA接收缓冲区 */
  __align(4)
   uint8_t Tx_Buff[ETH_TXBUFNB][ETH_TX_BUF_SIZE]; /* DMA发送缓冲区 */

这两个数组和缓冲区的定义通常是要手动屏蔽掉的，因为此处宏定义的数组大小比较大，占用较多的RAM空间。一般屏蔽后使用动态内存管理自定义同名数组。

LWIP无操作系统移植

ST以太网驱动库

ST提供的以太网驱动库有三个文件

LAN8720的复位引脚默认是接地的，也就是默认复位，不然上电后发热严重(模拟芯片发热问题)，初始化时需要手动把复位引脚拉高停止复位

网卡驱动

LAN8720驱动写完以后，我们还要编写ethernetif.c文件。LWIP作者提供了一个ethernet.c文件架构。我们需要根据实际使用的网络芯片来完善这些函数。

LAN8720.c主要程序原理

LAN8720.c中定义了以太网中断服务函数ETH_IRQHandler，中断可以提高数据的发送和接收效率

以太网中断服务函数包含了数据的接收处理流程，详细代码就不赘述了，结合重点代码简单介绍

//以太网中断服务函数
void ETH_IRQHandler(void)
{
	while(ETH_GetRxPktSize(DMARxDescToGet)!=0) 	//检测是否收到数据包   DMARxDescToGet是当前正在使用的接收描述符
	{ 
		lwip_pkt_handle();		//进行数据处理
	}
	ETH_DMAClearITPendingBit(ETH_DMA_IT_R);    //清除DMA接收完成标志位
	ETH_DMAClearITPendingBit(ETH_DMA_IT_NIS);  //清除DMA正常中断标志位
}

以太网DMA描述符包括4个字段

状态码Status、

控制缓冲区ControlBuffersize、

缓冲区Buffer1Addr、

缓冲区Buffer2NextDescAddr

32位状态码的最高位是OWN标志位，

OWN=1代表描述符由DMA处理(未接收数据)，OWN=0代表描述符由CPU处理(接收到数据)

以太网中断服务函数ETH_IRQHandler代码流程包括：

首先使用while关键字对当前接收描述符的大小进行循环判断DMARxDescToGet

如果关键字状态"寄存器"的OWN=0、ES=0、LS=1，则代表当前描述符是链式描述符的最后一个描述符，通过Status&FL宏取出状态码中的描述符大小(含4字节CRC校验位)Early/Last Status

如果描述符大小不为0，则代表描述符链表装载完数据，进行数据处理

数据处理是调用网卡协议栈LWIP直接对网卡数据进行解包处理

/*
**当接收到数据后调用   
*/
void lwip_pkt_handle(void)
{
 ethernetif_input(&lwip_netif);//从网络缓冲区中读取接收到的数据包并将其发送给LWIP处理 
}


//网卡接收数据(lwip直接调用)   MAC内核接收到数据要交给LWIP协议栈去解包处理
//netif:网卡结构体指针
//返回值:ERR_OK,发送正常
//       ERR_MEM,发送失败
err_t ethernetif_input(struct netif *netif)
{
	err_t err;
	struct pbuf *p;
	p=low_level_input(netif);  //网卡数据包接收函数
	if(p==NULL) return ERR_MEM;
	err=netif->input(p, netif);
	if(err!=ERR_OK)
	{
		LWIP_DEBUGF(NETIF_DEBUG,("ethernetif_input: IP input error\n"));
		pbuf_free(p);
		p = NULL;
	} 
	return err;
} 


///用于接收数据包的最底层函数
//neitif:网卡结构体指针
//返回值:pbuf数据结构体指针
static struct pbuf * low_level_input(struct netif *netif)
{  
	struct pbuf *p, *q;
	u16_t len;
	int l =0;
	FrameTypeDef frame;
	u8 *buffer;
	p = NULL;
	frame=ETH_Rx_Packet();
	len=frame.length;//得到包大小
	buffer=(u8 *)frame.buffer;//得到包数据地址 
	p=pbuf_alloc(PBUF_RAW,len,PBUF_POOL);//pbufs内存池分配pbuf
	if(p!=NULL)
	{
		for(q=p;q!=NULL;q=q->next)
		{
			memcpy((u8_t*)q->payload,(u8_t*)&buffer[l], q->len);
			l=l+q->len;
		}    
	}
	frame.descriptor->Status=ETH_DMARxDesc_OWN;//设置Rx描述符OWN位,buffer重归ETH DMA 
	if((ETH->DMASR&ETH_DMASR_RBUS)!=(u32)RESET)//当Rx Buffer不可用位(RBUS)被设置的时候,重置它.恢复传输
	{ 
		ETH->DMASR=ETH_DMASR_RBUS;//重置ETH DMA RBUS位 
		ETH->DMARPDR=0;//恢复DMA接收
	}
	return p;
}