嵌入式设备Lwip协议栈实现功能

LWIP 协议栈与以太网硬件层对接

本节说明嵌入式系统中协议栈（如 LWIP）与以太网硬件的职责划分、常见芯片（W5500、PHY）及接口要点，便于理解协议栈实现和移植。

1. 分层职责回顾

• 硬件通常完成：物理层（PHY） + 链路层（MAC）的收发与部分解析工作。
• 上层（网络层、传输层、应用层）由软件协议栈负责（如 LWIP）。
• 特殊芯片（例如 W5500）把更多功能集成到硬件中：W5500 通过 SPI 提供一个“硬件 TCP/IP”接口，芯片内部实现从链路层到传输层的一些功能，主控只需通过寄存器/缓冲区读写数据即可。

2. 常见以太网接口：MII / RMII / RGMII（简介）

• MII（Media Independent Interface）
  • 传统接口，数据宽度较大（4-bit），有独立 TX/RX 时钟与数据线。
  • 引脚较多，常用于 10/100 Mbps。
• RMII（Reduced MII）
  • 精简版 MII，数据线由 4 -> 2（双半字节复用），参考时钟统一（通常 50 MHz）。
  • 引脚更少，常用于资源受限 MCU。
• RGMII（Reduced Gigabit MII）
  • 支持千兆速度（Gbps），采用 4-bit 双向数据，但时序更严格，通常需要 125 MHz 时钟。

3. MCU（MAC）与 PHY 的常用引脚说明（要点）

以下是常见信号与功能的简要说明（以 MCU 侧 ENET_* 命名为例）：

• ENET_MDC / ENET_MDIO：用于 MDIO 总线，MCU（MAC）通过该总线配置和读取 PHY 寄存器（管理/控制）。
• ENET_TX_DATA[0…3]：发送数据线（MII 下为 4-bit 串行输出）。
• ENET_TX_EN：发送有效指示（当为 1 时，TX_DATA 上的数据有效）。
• ENET_TX_CLK：发送时钟（MII 模式下由 PHY 提供或由 MAC 提供，取决于配置）。
• ENET_RX_DATA[0…3]：接收数据线（PHY 到 MAC）。
• ENET_RX_EN：接收数据有效指示。
• ENET_RX_CLK：接收时钟。
• ENET_CRS / ENET_COL：载波感应与冲突指示（半双工相关，现代全双工下较少使用）。
• ENET_REF_CLK：RMII 模式下的参考时钟（通常 50 MHz），可由 PHY 提供给 MAC。

注意：不同 MCU/PHY 的命名与功能细节可能略有差异，具体参考芯片手册。

4. W5500 简要说明（硬件 TCP/IP 芯片）

• W5500 是硬件实现的网络控制器，通过 SPI 与 MCU 通信。
• 特点：
  • 内置以太网协议处理、内置 socket-like 接口（读写寄存器/缓冲区实现 TCP/UDP/RAW）。
  • 适合没有内置以太网 MAC/PHY 的 MCU，或需要减轻 MCU 协议栈负担的场景。
• 使用要点：
  • MCU 通过 SPI 命令访问 W5500 的 TX/RX 缓冲区、状态寄存器和 socket 控制寄存器。
  • 不需要在 MCU 上运行完整 LWIP（但也可以做混合方案：W5500 做链路+传输，MCU 只做应用逻辑）。

5. 常用 PHY：LAN8720A（与 MCU 的协作）

• LAN8720A 是常见的 10/100M PHY 芯片，通常与 MCU 的 MAC 通过 RMII（或 MII）接口连接。
• PHY 职责：
  • 物理层（编码/解码、链路检测、速度/双工协商）
  • 提供 MDIO 接口以供 MAC/MCU 配置（读取 link 状态、PHY 寄存器等）
• 使用建议：
  • 在板级设计中，注意 RMII 时钟源（PHY 是否输出 REFCLK），以及外部晶振/时钟走线。
  • 在驱动层初始化时，使用 MDIO 读取 PHY ID 与 PHY 状态，确认链路已建立再开启 MAC 收发与 LWIP netif。

5.1 LAN8720A 常用引脚说明

• MODE[2:0]

  • 用于选择 LAN8720A 的工作速率与模式（10/100 Mbps、半/全双工）以及是否启用自动协商/自动翻转（Auto-MDIX）。
  • 一般建议将 MODE 引脚拉为 1（高）以启用自动协商与 Auto-MDIX，让芯片自动选择最佳工作方式。
  • 注意：MODE[0] 与 RXD0 共用、MODE[1] 与 RXD1 共用、MODE[2] 与 CRS_DV 共用，布线时需考虑复用。

• nINT / REFCLKO

  • 复用功能：在 RMII 应用中可作为 50 MHz 的参考时钟输出（REFCLK）或作为中断输入（nINT）。
  • nINTSEL = 低（通常接地）时：nINT/REFCLKO 输出 50MHz 时钟（由内部 PLL 生成），此时中断功能不可用。此模式下要求提供 25MHz 到 XTAL1/CLKIN 或在 XTAL1/CLKIN 之间输入一个 25MHz 源。
  • nINTSEL = 高（通常上拉）时：nINT/REFCLKO 作为中断输出，PHY 由外部提供 50MHz 时钟（外部时钟到 REF_CLK/CLKIN）；此时可使用中断功能。
  • 在 STM32 等 MCU 与 LAN8720 协作时，常见做法：将 PHY 输出的 50MHz REFCLK 直接连到 MCU 的 ENET_REF_CLK（若支持），或让 MCU 提供时钟并把 nINT/REFCLKO 作为中断线使用。

• REGOFF

  • 用于选择 LAN8720A 内部 1.2V 参考供电来源。
  • REGOFF = 低：使用芯片内部的 +1.2V 稳压器（推荐板上简化设计）。
  • REGOFF = 高：外部通过 VDDCR 引脚提供 +1.2V 电源（用于对噪声或电源有特殊要求的设计）。
  • 注意：REGOFF 与 LED1 共用，设计时需兼顾复用影响。

• SMI / MDIO 寄存器访问

  • LAN8720A 的 SMI (Serial Management Interface，MDIO/MDC) 支持最多 32 个寄存器寻址，常用寄存器约 14 个，含 PHY ID、状态寄存器、控制寄存器等。
  • MCU 通过 ENET_MDC（时钟）与 ENET_MDIO（双向数据）读写 PHY 寄存器，用于：
    • 读取 PHY ID（确认芯片）
    • 读取链路状态与速度/双工信息
    • 控制复位、节能、自动协商等功能
  • 在驱动初始化序列中应：
    1. 通过 MDIO 读取 PHY ID，确认存在并识别型号；
    2. 触发/等待自动协商完成并检查链路状态；
    3. 在链路建立后启用 MAC 的收发与 DMA。

• MODE 与复用注意事项

  • 因 MODE 与若干 RMII 信号复用，若需要在运行时通过 RXD/CRS_DV 使用这些信号，须在硬件或启动配置上保证复用逻辑一致。
  • 推荐在硬件设计阶段将 MODE 固定为所需配置，避免运行时冲突。

示意与应用要点：

• 若板上没有外部 50MHz 时钟源，且 MCU 支持从 PHY 接收 REFCLK：可将 nINT/REFCLKO 配为 50MHz 输出，让 MCU 使用该时钟并把 nINT 功能弃用。
• 若需要使用 PHY 中断（链路变化通知等），应把 nINTSEL 设置为高电平并由系统提供稳定的 50MHz 时钟输入。
• 在固件中实现 PHY 初始化流程（MDIO 读 ID -> 启动自动协商 -> 等待链路 up -> 启动 netif）可以显著提升稳定性。

5.2 示例：STM32 + LAN8720 初始化（简要流程）

1. 配置 RMII 引脚复用与 ENET_REF_CLK（取决于是否使用 PHY 输出时钟）。
2. 初始化 MAC（设置 MAC 地址、MTU、DMA 描述符、Rx/Tx 缓冲区，启用中断/回调）。
3. 通过 MDIO 读取 LAN8720 PHY ID，确认通信。
4. 启动 PHY 自动协商（或根据 MODE 固定速率/双工），轮询 PHY 状态直至 LINK UP。
5. netif 上报接口已就绪，启动 LWIP 的 netif 输入处理线程或回调。

6. MCU 端驱动与 LWIP 交互要点

• 网络接口驱动（ethernetif）应该完成：
  • MAC、DMA 的初始化（设置 MAC 地址、MTU、DMA 描述符、中断/回调）。
  • low_level_output：将 pbuf 链复制到 DMA 发送缓冲区并触发发送。
  • low_level_input：从 DMA 接收缓冲区取出帧，封装为 pbuf 并交给 netif->input（通常是 ethernet_input）。
• 异步与中断策略：
  • 推荐使用中断或 DMA 完成回调，将收到的包放入队列或信号量，由专门的 lwIP 处理线程调用 netif->input。
  • 避免在中断上下文直接调用 LWIP API（除非使用 NO_SYS 或特殊移植）。
• 缓冲区布局：
  • 以太网帧通常由 DMA 描述符指向外部/内部缓冲区，注意对齐与缓存一致性（DCache）处理。
  • pbuf_pool 与 PBUF_RAM/PBUF_POOL 的选择影响性能与内存使用。

7. 实践建议与排错要点

• PHY link 不起作用时：
  • 检查 MDIO 是否能读到 PHY ID 和状态寄存器；
  • 检查 REFCLK 是否稳定、RMII 引脚是否正确复用；
  • 检查交换机/网线/对端设备。
• 收到非法帧或 CRC 错误：
  • 检查 PHY 与 MAC 时钟相位、接口模式（MII vs RMII）是否匹配；
  • 检查 PCB 布线与地线。
• 性能优化：
  • 使用 DMA 与 pbuf_pool 减少内存拷贝；
  • 调整 LWIP 的 pbuf、TCP 缓冲配置以匹配实际流量模式。

8. 小结

• 常见嵌入式方案分为两类：
  1. MCU + MAC + PHY：MCU 运行完整 LWIP，MAC/PHY 负责链路层与物理层；
  2. MCU + 硬件 TCP/IP（如 W5500）：硬件完成大部分协议栈功能，MCU 通过寄存器/缓冲区交互。
• 选择方案时考虑硬件资源、开发复杂度与性能需求。
• 在移植 LWIP 时，关注 ethernetif 驱动、MDIO/PHY 管理、DMA 与缓存一致性，以及正确的中断/线程模型。