STM32+LWIP网络协议栈移植(网卡采用DM9000)

MCU: STM32F103ZET6

代码开发工具: Keil5

TCP/IP协议栈: LWIP

网卡: DM9000

本篇文章主要讲解如何在STM32F103工程里添加移植LWIP协议，最终完成TCP服务器、TCP客户端的通信测试。 网卡采用的是DM9000，工程代码中，采用STM32的FSMC接口来驱动DM900网卡，DM9000是并口网卡，引脚多，但是速度快，也可以采用其他网卡，SPI协议的、UART协议的等。 比如：ENC28J60。 因为主要是讲LWIP协议栈的移植，所以网卡相关的代码就没有细说(需要准备一个网卡可以正常通信的工程，再移植)。

下面进行工程的移植代码比较多，需要下载对应版本的LWIP源码，STM32本身的DM9000网卡代码也比较多，文章里会讲解移植的详细的过程，代码贴出了核心部分。

为了方便大家下载体验，下面给了个下载链接，里面包含了本次文章移植的工程、LWIP源码，移植文档等，方便直接体验。地址在这里：https://download.csdn.net/download/xiaolong1126626497/19907087

资料包里的内容如下:

二、D9000网卡

2.1 DM9000简介

DM9000 是一款完全集成的、性价比高、引脚数少、带有通用处理器接口的单芯片快速以太网控制器。 自带一个 10/100M PHY 和 4K 双字的 SRAM ，DM9000A 为适应各种处理器提供了8位、16 位数据接口访问内部存储器，DM9000拥有自动协商功能，DM9000特性如下：

1、集成自适应10/100M收发器。

2、内置16k字节的SRAM。

3、支持硬件帧校验。

4、兼容3.3V和5.0V输入输出电压。

DM9000 有多种型号，有 100 引脚和 48 引脚的， 开发板选择的是 48 引脚的 DM9000，型号为 DM9000CEP。

2.2 DM9000 中断引脚电平设置

DM9000的34(INT)引脚为中断输出引脚，默认情况下该引脚高电平有效。可以通过设置DM9000 的 20(EECK)引脚来改变 INT 的有效电平，当 EECK 拉高以后， INT 低电平有效，否则的话 INT 是高电平有效的。开发板上 R66 电阻为 EECK 的上拉电阻，因此开发板上 DM9000 的 INT 引脚是低电平有效的。

2.3 DM9000 数据位宽设置

前面我们提了一下 DM9000 支持 8 位和 16 位两种数据位宽，可以通过 DM9000 的 21(EECS)引脚设置其数据位宽，当 EECS 上拉的时候 DM9000 选择 8 位数据位宽，否则的话选择 16 位数据位宽。开发板上的 R65 电阻为 EECS 的上拉电阻，但是此电阻并未焊接！ DM9000 芯片的数据位宽为 16 位。

2.4 DM9000寄存器表

2.5 DM9000常用寄存器介绍

NCR、 NSR、 TCR、 RCR、 FCTR、 BPTR、 TCR2、 ISR、 IMR。

NCR(网络控制寄存器)寄存器

FCOL：强制冲突模式，用于检测。

FDX：内部 PHY 全双工模式。

LBK：回环模式(LoopBack)

00 正常；

01 MAC 内部回环；

10 内部 PHY100M 模式数字回环；

11 保留；

RST：置 1 软件复位， 10us 后自动清零。

NSR 寄存器(网络状态寄存器)

SPEED：网络速度，在使用内部 PHY 情况下，0 表示 100Mbps，1 表示 100Mbps，当 LINKST=0时，此位无意义。

LINKST：连接状态， 0 为连接失败， 1 位已连接。

TX2END： TX(发送)数据包 2 完成标志，读取或写 1 将清零该位。

TX1END： TX(发送)数据包 1 完成标志，读取或写 1 将清零该位。

RXOV： RX(接收)FIFO 溢出标志。

TCR 寄存器(发送控制寄存器)

TJDIS： Jabber 传输禁止。

1，禁止 Jabber 传输定时器(2048 字节)。

0，使能。

EXCECM：严重冲突模式控制

0，当冲突计数多于 15 则终止本次数据包。

1，始终尝试发送本次数据包。

PAD_DIS2：禁止为数据包 II 添加填充。

CRC_DIS2：禁止为数据包 II 添加 CRC 校验。

PAD_DIS1：禁止为数据包 I 添加填充。

CRC_DIS1：禁止为数据包 I 添加 CRC 校验。

TXREQ： TX(发送)请求，发送完成后自动清零该位

RCR 寄存器(发送控制寄存器)

WTDIS：看门狗定时器(2048 字节)禁止。

1，进制

0，使能

DIS_LONG：丢弃长数据包， 1，丢弃数据包长度超过 1522 字节的数据包。

DIS_CRC：丢弃 CRC 校验错误数据包。

ALL：允许广播。

RUNT：允许小于最小长度的数据包。

PRMSC：各种模式。

RXEN：接收使能。

FCTR 寄存器(流控制阈值寄存器)

HWOT：RX FIFO 缓存高位溢出门限

当 RX SRAM 空闲空间小于该门限值时则发送一个暂停时间为 FFFFH 的暂停包，若该值为 0，则无接收控件。 1=1k 字节，默认值为 3H，即 3K 字节空闲空间，不要超过 S RAM 大小。

LWOT：RX FIFO 缓存低位溢出门限当 RX SRAM 空闲空间大于该门限值时则发送一个暂停时间为 0000H 的暂停包。

当溢出门限最高值的暂停包发送之后，溢出门限最低值的暂停包才有效，默认值为 8K，不要超过 SRAM 大小。

BPTR 寄存器(背压阈值寄存器)

BPHW：背压阈值最高值当接收 SRAM 空闲空间低于该阈值，则 MAC 将产生一个拥挤状态， 1=1k 字节。默认值为 3H，即 3K 字节空闲空间，不要超过 SRAM 大小。

JPT：拥挤状态时间，模式为 200us， JPT 值与其对应的拥挤状态时间表

TCR2 寄存器(发送控制寄存器 2)

LED： LED 模式

1，设置 LED 引脚为模式 1

0，设置 LED 引脚为模式 0 或根据 EEPROM 的设定。

RLCP：重试冲突延时数据包， 1 重新发送有冲突延迟的数据包。

DTU： 1 禁止重新发送“underruned”数据包。

ONEPM：单包模式。

1，发送完成前发送一个数据包的命令能被执行。

0，发送完成前发送最多两个数据包的命令能被执行。

IFGS：帧间间隔设置。

0XXX 为 96bit， 1000 为 64bit， 1001 为 72bit

1010 为 80bit， 1011 为 88bit， 1100 为 96bit

1101 为 104bit， 1110 位 112bit， 1111 为 120bit

ISR 寄存器(中断状态寄存器)

IOMODE： 0,16 位模式； 1,8 位模式。

LNKCHG：连接状态改变。

UDRUN：发送“Underrun”

ROO：接收溢出计数器溢出

ROS：接收溢出。

PT：数据包发送。

PR：数据包接收。

IMR 寄存器(中断状态寄存器)

PAR：使能 SRAM 的读/写指针在指针地址超过 SRAM 的大小时自动跳回起始位置。需要驱动程序设置该位，若设置该位， REG_F5 将自动置为 0XH。

LNKCHGI：使能连接状态改变中断。

UDRUNI：使能发送“Underrun”中断。

ROOI：使能接收溢出计数器溢出中断。

ROI：使能接收溢出中断。

PTI：使能数据包发送中断。

PRI：使能数据包接收中断。

2.6 DM9000 直接内存访问控制(DMAC)

DM9000 直接内存访问控制(DMAC)

DM9000 支持 DMA 方式简化对内部存储器的访问。在我们编程写好内部存储器地址后，就可以用一个读/写命令伪指令把当前数据加载到内部数据缓冲区，这样，内部存储器指定位置就可以被读/写命令寄存器访问。存储器地址将会自动增加，增加的大小与当前总线操作模式相同（比如:8-bit、 16-bit 或 32-bit），接着下一个地址数据将会自动加载到内部数据缓冲区。要注意的是在连续突发式第一次访问的数据应该被忽略，因为，这个数据是最后一次读写命令的内容。内部存储器空间大小 16K 字节。前 3K 字节单元用作发送包的缓冲区，其他 13K 字节用作接收包的缓冲区。所以在写存储器操作时，如果地址越界（即超出 3K 空间），在 IMR 寄存器 bit7 置位的情况下，地址指针将会返回到存储器 0 地址处。同样，在读存储器操作时，如果地址越界（即超出 16K 空间），在 IMR 寄存器 bit7 置位的情况下，地址指针将会返回到存储器 0x0C00 地址处。

DM9000 数据包发送

DM9000 有两个发送数据包： index1 和 index2，同时存储在 TX SRAM 中。发送控制寄存器(02h)控制循环冗余校验码(CRC)和填充(pads)的插入，其状态分别记录在发送状态寄存器I(03H)和发送状态寄存器 II(04H)中。发送器的起始地址为 0x00H，在软件或硬件复位后，默认的数据发送包为 index1。首先，使用 DMA 端口将数据写 TX SRAM 中，然后，在发送数据包长度寄存器中把数据字节数写入字节计数寄存器。置位发送控制寄存器的 bit0 位，则 DM9000 开始发送 index1 数据包。在 index1数据包发送结束之前，数据发送包 index2 被移入 TX SRAM 中。在 index1 数据包发送结束后，将 index2 数据字节数写入字节计数寄存器中，然后，置位发送控制寄存器的 bit0 位，则 index2数据包开始发送。以此类推，后面的数据包都以此方式进行发送。

DM9000 数据包接收

RX SRAM 是一个环形数据结构。在软件或硬件复位后， RX SRAM 的起始地址为 0X0C00。每个接收数据包都包含有 CRC 校验域，数据域，以及紧跟其后的 4 字节包头域。 4 字节包头格式为： 01h、状态、 BYTE_COUNT 低、 BYTE_COUNT 高。请注意：每个接收包的起始地址处在适当的地址边界，这取决于当前总线操作模式（8bit 或者 16bit）

2.7 DM9000原理图介绍

各信号线描述如下：

PWRST： DM9000 复位信号。

CS： DM9000 的片选信号。

WR(IOW)： 处理器写命令。

RD(IOR)： 处理器读命令。

CMD： 命令/数据标志， 0，读写命令； 1，读写数据。

SD0~SD15： 16 位双向数据线。

信号线对应的GPIO口对应关系

FSMC接口框图

DM9000网卡接在FSMC的第2块上，数据线地址: 0x64000000

PA7地址线作为命令与数据线切换引脚。

外接16位宽度存储器：HADDR[25:1]  FSMC_A[24:0]

外接8位宽度存储器： HADDR[25:0]  FSMC_A[25:0]

2.8 DM9000时序图介绍

IOR和IOW是DM9000的读写选择引脚，低电平有效，即低电平时进行读（IOR）写（IOW）操作；AEN是芯片选通引脚，低电平有效，该引脚为低时才能进行读写操作；CMD的命令/数据切换引脚，低电平时读写命令操作，高电平时读写数据操作。

读时序:

写时序:

三、LWIP(TCP/IP)网络协议栈介绍

根据以太网帧头携带的上层协议类型值传递数据。

以太网帧格式定义：

目的MAC地址 源MAC地址 类型/长度 数据 校验

6字节 6字节 2字节 46-1500字节 4字节

ip:0x0800

ARP:0x0806

最大帧长1518字节 最小字节64字节

3.1 LWIP介绍

lwip是瑞典计算机科学院网络嵌入式系统小组(SICS)的Adam Dunkels(亚当·邓克尔) 开发的一个小型开源的TCP/IP协议栈。实现的重点是在保持TCP协议主要功能的基础上减少对RAM 的占用。

LwIP是Light Weight (轻型)IP协议，有无操作系统的支持都可以运行。LwIP实现的重点是在保持TCP协议主要功能的基础上减少对RAM 的占用，它只需十几KB的RAM和40K左右的ROM就可以运行，这使LwIP协议栈适合在低端的嵌入式系统中使用。lwip提供三种API：1)RAW API 2)(NETCONN)lwip API 3)BSD API。

RAW 编程接口使得程序效率高，但是需要对 LWIP 有深入的了解，而且不适合大数据量等场合。 NETCONN 编程接口，使用 NETCONN API 时需要有操作系统的支持。

RAW API把协议栈和应用程序放到一个进程里边，该接口基于函数回调技术，使用该接口的应用程序可以不用进行连续操作。不过，这会使应用程序编写难度加大且代 码不易被理解。为了接收数据，应用程序会向协议栈注册一个回调函数。该回调函数与特定的连接相关联，当该关联的连接到达一个信息包，该回调函数就会被协议 栈调用。这既有优点也有缺点。优点是既然应用程序和TCP/IP协议栈驻留在同一个进程中，那么发送和接收数据就不再产生进程切换。主要缺点是应用程序不 能使自己陷入长期的连续运算中，这样会导致通讯性能下降，原因是TCP/IP处理与连续运算是不能并行发生的。这个缺点可以通过把应用程序分为两部分来克 服，一部分处理通讯，一部分处理运算。

lwip API把接收与处理放在一个线程里面。这样只要处理流程稍微被延迟，接收就会被阻塞，直接造成频繁丢包、响应不及时等严重问题。因此，接收与协议处理必须 分开。LwIP的作者显然已经考虑到了这一点，他为我们提供了 tcpip_input() 函数来处理这个问题， 虽然他并没有在 rawapi 一文中说明。 讲到这里，读者应该知道tcpip_input()函数投递的消息从哪里来的答案了吧，没错，它们来自于由底层网络驱动组成的接收线程。我们在编写网络驱动时， 其接收部分以任务的形式创建。 数据包到达后， 去掉以太网包头得到IP包， 然后直接调用tcpip_input()函数将其 投递到mbox邮箱。投递结束，接收任务继续下一个数据包的接收，而被投递得IP包将由TCPIP线程继续处理。这样，即使某个IP包的处理时间过长也不 会造成频繁丢包现象的发生。这就是lwip API。

BSD API提供了基于open-read-write-close模型的UNIX标准API，它的最大特点是使应用程序移植到其它系统时比较容易，但用在嵌入式系统中效率比较低，占用资源多。这对于我们的嵌入式应用有时是不能容忍的

lwIP协议栈主要关注的是怎么样减少内存的使用和代码的大小，这样就可以让lwIP适用于资源有限的小型平台例如嵌入式系统。为了简化处理过程和内存要求，lwIP对API进行了裁减，可以不需要复制一些数据。

其主要特性如下：

(1)支持多网络接口下的IP转发；

(2)支持ICMP协议；

(3)包括实验性扩展的UDP(用户数据报协议)；

(4)包括阻塞控制、RTT 估算、快速恢复和快速转发的TCP(传输控制协议)；

(5)提供专门的内部回调接口(Raw API)，用于提高应用程序性能；

(6)可选择的Berkeley接口API (在多线程情况下使用) 。

(7)在最新的版本中支持ppp

(8) 新版本中增加了的IP fragment(IP分片)的支持.

(9) 支持DHCP协议,动态分配ip地址.

3.2 几种开源TCPIP协议概述

1、BSD TCP/IP协议栈

BSD栈历史上是商业栈的起点，大多数专业TCP/IP栈（VxWorks内嵌的TCP/IP栈）是BSD栈派生的。这是因为BSD栈在BSD许可协议下提供了这些专业栈的雏形，BSD许用证允许BSD栈以修改或未修改的形式结合这些专业栈的代码而无须向创建者付版税。同时，BSD也是许多TCP/IP协议中的创新（如广域网中饿拥塞控制和避免）的点。

2、uC/IP

uC/IP是由Guy Lancaster编写的一套基于uC/OS且开放源码的TCP/IP协议栈，亦可移植到操作系统，是一套完全免费的、可供研究的TCP/IP协议栈，uC/IP大部分源码是从公开源码BSD发布站点和KA9Q（一个基于DOS单任务环境运行的TCP/IP协议栈）移植过来。uC/IP具有如下一些特点：带身份验证和报头压缩支持的PPP协议，优化的单一请求/回复交互过程，支持IP/TCP/UDP协议，可实现的网络功能较为强大，并可裁减。UCIP协议栈被为一个带最小化用户接口及可应用串行链路网络模块。根据采用CPU、编译器和系统所需实现协议的多少，协议栈需要的代码容量空间在30-60KB之间。http://ucip.sourceforge.net

3、LwIP

LwIP是瑞士计算机科学院（Swedish Institute of Computer Science）的Adam Dunkels等开发的一套用于嵌入式系统的开放源代码TCP/IP协议栈。LwIP的含义是Light Weight(轻型)IP协议，相对于uip。LwIP可以移植到操作系统上，也可以在无操作系统的情况下独立运行。LwIP TCP/IP实现的重点是在保持TCP协议主要功能的基础上减少对RAM的占用，一般它只需要几十K的RAM和40K左右的ROM就可以运行，这使LwIP协议栈适合在低端嵌入式系统中使用。LwIP的特性如下：支持多网络接口下的IP转发，支持ICMP协议 ，包括实验性扩展的的UDP（用户数据报协议），包括阻塞控制，RTT估算和快速恢复和快速转发的TCP（传输控制协议），提供专门的内部回调接口（Raw API）用于提高应用程序性能，并提供了可选择的Berkeley接口API。Svensk forskning för hållbar tillväxt| RISE或lwIP - A Lightweight TCP/IP stack - Summary [Savannah]

4、uIP

uIP是专门为8位和16位控制器设计的一个非常小的TCP/IP栈。完全用C编写，因此可移植到各种不同的结构和操作系统上，一个编译过的栈可以在几KB ROM或几百字节RAM中运行。uIP中还包括一个HTTP服务器作为服务内容。许可：BSD许用证Svensk forskning för hållbar tillväxt| RISE

uIP是一个完全由C语言编写的开源软件, 它的文档和源代码可用于商业和非商业用途, 它已经移植到了大部分的8位微控制器, 而且已在很多的嵌入式产品和项目中使用.

5、TinyTcp

TinyTcp 栈是TCP/IP的一个非常小和简单的实现，它包括一个FTP客户。TinyTcp是为了烧入ROM设计的并且现在开始对大端结构似乎是有用的（初始目标是68000芯片）。TinyTcp也包括一个简单的以太网驱动器用于3COM多总线卡http://ftp.ecs.soton.ac.uk/pub/elks/utils/tiny-tcp.txt