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【uIP学习笔记】
1前言嵌入式以太网开发，可以分为两个部分，一个是以太网收发芯片的使用，一个是嵌入式以太网协议栈的实现。以太网收发芯片的使用要比串口收发芯片的使用复杂的多，市面上流通比较广泛的以太网收发芯片种类还不少，有SPI接口的ENC28J60，也有并口形式的RTL8019S，CS8900A等。嵌入式以太网协议栈有著名的uIP协议栈，Lwip协议栈，还有其他嵌入式高手开发的协议栈。无论是硬件还是软件，都无法分出高低，适合项目需求的才是最好的。 1.1 写作理由再说明一下我写作的理由。以前从淘宝上购买过ENC28J60，店家信誓旦旦地说能提供51AVR LPC STM32等多个平台的代码，可以实现一个网页控制LED。头脑一热买了回来，买回来才发现，店家提供的资料零零散散，不易弄懂。几经周转，发现原来这些ENC28J60的代码都出自一个地方——AVRNET，源自老外的一个开源项目。把最原始的代码拿来细细品味，以太网协议就不那么神秘了。在这里说一下ENC28J60的使用，熟悉了ENC28J60的驱动可以分几步走。第一步，通过ENC28J60移植uIP或者lwIP协议栈，实现TCP或是UDP通信，第二，顺着AVRNET项目走，实现一个简单的web服务器，运行静态或者动态网页。嵌入式以太网和计算机以太网开发不同，对于TCP通信而言没有socket套接字，对于网页编程而言也没有IIS或PHP，所示实现起来会相对麻烦，但是也非常有乐趣。 1.2 资料准备嵌入式以太网开发是非常复杂的工作，在开始之前最好先大致浏览ENC28J60的使用手册。除此之外，需要认真阅读TCP IP相关知识，推荐一本图书《嵌入式Internet TCP/IP基础、实现和应用》。嵌入式开发是一个反复借鉴的过程，该部分代码参考了AVRNET项目和奋斗开发板的相关范例。【AVRNET项目网址链接】 虽然AVRNET项目所使用的MCU为ATmega32，但是认真阅读源代码之后也可以方便的移植到其他的MCU平台，例如STM8、STM32和MSP430等。 2 寄存器和寄存器操作ENC28J60的寄存器很多，操作这些寄存器需要一个良好的代码组织工作。在AVRNET项目中，把ENC28J60的驱动分解成ENC28J60.h文件和ENC28J60.c文件。H文件中主要描述ENC28J60寄存器的基本定义，而C文件主要实现了这些寄存器的操作。 2.1 寄存器定义首先分析一下ENC28J60.h这个头文件。阅读数据手册之后，会发现ENC28J60寄存器数量较多，通过分析和整理，操作ENC28J60的寄存器需要注意以下3点。 【1】共有三种不同形式的寄存器——控制寄存器，以太网寄存器 和PHY寄存器，不同的寄存器以不同的字母开头，以E、 MA和MI加以区分。操作这三种不同的寄存器需要不同的组合命令。 【2】 寄存器被分布在4个不同的bank中，也就是说存在地址相同的寄存器，但是这些寄存器却位于不同的分区中，在操作寄存器之前必须选中正确的bank。 【3】 虽然存在4个bank，但是有5个寄存器在4个bank的位置相同，它们是EIE、 EIR、ESTAT、ECON1、ECON2。 AVRNET项目中，寄存器被定义成8位长度，而这8位长度包含了三个部分，地址bit7(最高位)用以区分PHY和MAC寄存器，PHY寄存器的操作最为特殊；地址bit6和bit5用以区分BANK，2位空间正好区分4个BANK；地址的最后5位才是寄存器的地址。通过这种方式就可以区分所有的寄存器了。列举了几行代码。由于头文件很长，所以不全部列出。
例如ERDPTH为位于BANK0的以太网寄存器，第一个数字0x01代表BANKx中的具体地址，该地址为0x01，第二个数字0x00代表BANK编号，该BANK地址为0；EHT1为位于BANK1中的控制寄存器，第一个0x01代表BANKx中的具体地址，该地址为0x01，第二个0x20代表BANK编号，此处BANK编号为1。请注意由于BANK编号被保存在BIT6和BIT5，所以此处为0x20而不是0x10；MACON2为位于BANK2的以太网寄存器，第一个数字0x01代表在该BANKx中的寄存器地址，第二个数字0x40代表BANK编号，此处BANK编号为2，而第三个数字0x80代表该寄存器为以太网寄存器或是PHY寄存器，该寄存器的操作比较特殊。 为了方便寄存器操作，头文件中还定义了寄存器地址操作的掩码，简单而言就是需要查看哪些位，不需要查看哪些位。
另外还有比较特殊的5个控制寄存器，EIE，EIR，ESTAT，ECON2和ECON1
2.2 寄存器操作命令寄存器操作命令也可称为寄存器操作码。为了实现寄存器的操作，ENC28J60定义了6+1个寄存器操作命令(操作码)。操作相关寄存器至少有读寄存器命令，写寄存器命令；发送或接收以太网数据则必有写缓冲区命令或读缓冲区命令；为了加快操作，对于某些控制寄存器而言还可以有置位或者清零某位的命令；最后加上一个软件复位命令，锦上添花。
2.3 接收和发送缓冲区分配以太网数据的接收和发送离不开驱动芯片内部的RAM，也可称之为硬件缓冲区。ENC28J60包括8K 的硬件缓冲区，该硬件缓冲区一部分被接收缓冲区使用，另一部分为发送缓冲区使用。控制ENC28J60的最终目的为操作该硬件缓冲区。执行以太网发送命令时，向发送缓冲区中填充数据，并触发相关寄存器发送以太网数据；执行以太网接收命令时，通过查询相关寄存器或者外部中断的方式获得以太网数据输入事件，接着从接收缓冲区中读取相关数据。 (1) 把缓冲区划分为两个部分。把8K的硬件缓冲区划分为两个部分至少需要四个参数，接收缓冲区需要一个起始地址和一个结束地址加以描述，发送缓冲区也需要一个起始地址和一个结束地址加以描述。最理想的方式，两个缓冲区完全占据了8K的硬件缓冲区，完美地利用这一空间。由于ENC28J60的寄存器长度为8位，而硬件缓冲区的大小为8K，所以前面提到的4个地址需要8个寄存器才可以完全描述，需要把单个地址分为高8位和低8位。在AVRNET项目中，接收缓冲区较大，而发送缓冲区较小。在以太网协议中，最大的报文长度为1518字节，而最小报文长度为60字节。发送缓冲区等于或略大于1518字节，剩余的部分全部分配给接收缓冲区。接收缓冲区较大也是考虑到AVR的处理能力有限，若某个时间点收到多个以太网报文，可以先把报文闲置与硬件缓冲区中，待MCU空闲时再从缓冲区中取出。
图2.1 硬件缓冲区结构 (2) 对于发送缓冲区而言，需要指定发送缓冲区写指针，使用写缓冲区命令操作该部分缓冲区，写指针的地址会不断增长，若遇到结束地址会重新返回起始地址。对于接收缓冲区而言就稍微复杂一点，每次读取之前必须明确该次操作时的读指针位置，根据前文的代码，缓冲区读指针的起始地址为0，在第一次读操作发生之后需要立即计算下次读操作的读指针地址。ENC28J60读缓冲区时，被读取的内容并不全是以太网负载，在以太网负载之前还有下一个数据包的地址指针（占两个字节），接收状态向量（占4个字节），之后才是“真实”以太网负载，该负载包括目标MAC地址，源MAC地址，数据包类型等等；最后为CRC校验字节。
图2.2 接收数据包结构 3 寄存器操作实现 ENC28j60的寄存器操作分为2+2+2部分，分别为写寄存器和读寄存器部分，读缓冲区和写缓冲区部分，写PHY寄存器和读PHY寄存器部分。 3.1 读写寄存器 读或写寄存器的函数如下： 读写寄存器的分为两步，第一步为选定寄存器的BANK编号，第二步使用写命令或读命令，操作指定地址的寄存器。在ENC28J60中，由ECON1中的低两位（BIT1-BIT1）保存BANK编号，ECON1是比较特殊的控制寄存器， 4个BANK均具有该寄存器且该寄存器的地址相同。Enc28j60Bank为全局变量，用于保存当前的BANK编号，如果两次操作控制寄存器在同一个BANK时，该变量保持不变，若两次操作的控制寄存器位于不同的BANK，那么BANK的值会变为新的BANK编号。 读控制寄存器实际上就是严格遵守数据手册的操作要求。由于读MAC和MII寄存器时，第一个接收到的字节为无效字节，第二个字节才为有效字节。程序通过寄存器地址的最高位来判断是否为MAC或MII寄存器。写寄存器函数较为简单，第一次字节包括操作码和寄存器地址，第二个字节为数据。在这两个函数中参数op为ENC28J60的指令，或称之为操作码，该指令占据SPI首字节的前3位，参数address为寄存器地址，参数data为寄存器的具体值。 3.2 读写缓冲区 读写缓冲区的操作也易于理解的。需要说明的是，两个函数具有相同的输入参数，参数len代表被操作数据的长度，pdata为被操作数据的指针。和寄存器读写函数相似，发送或接收数据之前需要发送特定的操作码。 3.3 读写PHY寄存器 PHY寄存器和被ENC28J60控制的LED指示灯有关，控制该寄存器可以控制LED驱动方式和发生相应事件时LED显示方式。一般情况下，一个LED指示灯用于指示网络状态（常亮可理解为网络接通），另一个LED指示灯显示接收活动，有数据输入时产生一个点亮脉冲。PHY是比较特殊的寄存器，先要想一个控制寄存器写入PHY寄存器的地址，再向两个控制寄存器依次写入PHY寄存器的具体数据的高8位和低8位，最后等待PHY寄存器操作完成。 |
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