單芯片解決方案，開啟全新體驗(yàn)——W55MH32 高性能以太網(wǎng)單片機(jī)

W55MH32是WIZnet重磅推出的高性能以太網(wǎng)單片機(jī)，它為用戶帶來前所未有的集成化體驗(yàn)。這顆芯片將強(qiáng)大的組件集于一身，具體來說，一顆W55MH32內(nèi)置高性能Arm? Cortex-M3核心，其主頻最高可達(dá)216MHz；配備1024KB FLASH與96KB SRAM，滿足存儲與數(shù)據(jù)處理需求；集成TOE引擎，包含WIZnet全硬件TCP/IP協(xié)議棧、內(nèi)置MAC以及PHY，擁有獨(dú)立的32KB以太網(wǎng)收發(fā)緩存，可供8個(gè)獨(dú)立硬件socket使用。如此配置，真正實(shí)現(xiàn)了All-in-One解決方案，為開發(fā)者提供極大便利。

在封裝規(guī)格上，W55MH32提供了兩種選擇：QFN100和QFN68。

W55MH32L采用QFN100封裝版本，尺寸為12x12mm，其資源豐富，專為各種復(fù)雜工控場景設(shè)計(jì)。它擁有66個(gè)GPIO、3個(gè)ADC、12通道DMA、17個(gè)定時(shí)器、2個(gè)I2C、5個(gè)串口、2個(gè)SPI接口（其中1個(gè)帶I2S接口復(fù)用）、1個(gè)CAN、1個(gè)USB2.0以及1個(gè)SDIO接口。如此豐富的外設(shè)資源，能夠輕松應(yīng)對工業(yè)控制中多樣化的連接需求，無論是與各類傳感器、執(zhí)行器的通信，還是對復(fù)雜工業(yè)協(xié)議的支持，都能游刃有余，成為復(fù)雜工控領(lǐng)域的理想選擇。同系列還有QFN68封裝的W55MH32Q版本，該版本體積更小，僅為8x8mm，成本低，適合集成度高的網(wǎng)關(guān)模組等場景，軟件使用方法一致。更多信息和資料請進(jìn)入http://www.w5500.com/網(wǎng)站或者私信獲取。

此外，本W(wǎng)55MH32支持硬件加密算法單元，WIZnet還推出TOE+SSL應(yīng)用，涵蓋TCP SSL、HTTP SSL以及 MQTT SSL等，為網(wǎng)絡(luò)通信安全再添保障。

為助力開發(fā)者快速上手與深入開發(fā)，基于W55MH32L這顆芯片，WIZnet精心打造了配套開發(fā)板。開發(fā)板集成WIZ-Link芯片，借助一根USB C口數(shù)據(jù)線，就能輕松實(shí)現(xiàn)調(diào)試、下載以及串口打印日志等功能。開發(fā)板將所有外設(shè)全部引出，拓展功能也大幅提升，便于開發(fā)者全面評估芯片性能。

若您想獲取芯片和開發(fā)板的更多詳細(xì)信息，包括產(chǎn)品特性、技術(shù)參數(shù)以及價(jià)格等，歡迎訪問官方網(wǎng)頁：http://www.w5500.com/，我們期待與您共同探索W55MH32的無限可能。

第三章 W55MH32 TCP Client示例

本篇文章，我們將詳細(xì)介紹如何在W55MH32芯片上面實(shí)現(xiàn)TCP通信。使用W55MH32的TOE引擎，我們只需進(jìn)行簡單的socket編程及寄存器讀寫，便可輕松實(shí)現(xiàn)TCP協(xié)議應(yīng)用。接下來我們通過實(shí)戰(zhàn)例程，為大家講解如何使用TOE引擎進(jìn)行TCP Client模式的數(shù)據(jù)回環(huán)測試。

該例程用到的其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，例如DHCP，請參考相關(guān)章節(jié)。有關(guān)W55MH32的初始化過程，請參考Network Install章節(jié)，這里將不再贅述。

1 TCP協(xié)議簡介

TCP (Transmission Control Protocol)是一種面向連接的、可靠的傳輸層協(xié)議，它用于在網(wǎng)絡(luò)中可靠地傳輸數(shù)據(jù)。TCP是互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議族中的核心協(xié)議之一，通常與 IP協(xié)議（Internet Protocol）一起使用，形成套接字通信。

2 TCP協(xié)議特點(diǎn)

面向連接：在傳輸數(shù)據(jù)之前，TCP需要建立一個(gè)連接，保證發(fā)送方與接收方能夠彼此通信。通過三次握手（Three-Way Handshake）過程來建立連接，確保雙方的通信是可靠的。

可靠性：TCP提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，確保數(shù)據(jù)完整并且按順序到達(dá)接收端。如果數(shù)據(jù)丟失或出錯(cuò)，TCP 會自動重傳丟失的數(shù)據(jù)包。

流量控制：TCP使用流量控制機(jī)制來調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)的發(fā)送速度，防止接收方處理不過來導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。常用的流量控制方法是滑動窗口（Sliding Window）。

擁塞控制：TCP可以動態(tài)調(diào)整傳輸速率，以避免網(wǎng)絡(luò)擁塞。采用算法如慢啟動、擁塞避免、快速重傳等。

全雙工通信：在 TCP連接建立后，數(shù)據(jù)可以在兩個(gè)方向同時(shí)進(jìn)行傳輸，支持雙向通信。

有序數(shù)據(jù)傳輸：TCP會對數(shù)據(jù)包進(jìn)行編號，確保數(shù)據(jù)按順序傳輸，即使網(wǎng)絡(luò)發(fā)生延遲，接收端也能按順序接收到數(shù)據(jù)。

字節(jié)流服務(wù)：TCP傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是字節(jié)流，不關(guān)心應(yīng)用層數(shù)據(jù)的邊界，應(yīng)用層需要自己解析數(shù)據(jù)邊界。

3 TCP與 UDP的區(qū)別

TCP是可靠的、面向連接的協(xié)議，適合需要數(shù)據(jù)完整性和順序保證的應(yīng)用，如網(wǎng)頁瀏覽、文件傳輸?shù)取?/p>

UDP（User Datagram Protocol）是無連接、不可靠的協(xié)議，適合對時(shí)效性要求較高且可以容忍丟包的應(yīng)用，如視頻流、在線游戲等。

4 TCP應(yīng)用場景

接下來，我們了解下在W55MH32上，可以使用TCP協(xié)議完成哪些操作及應(yīng)用呢？

遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集：嵌入式設(shè)備通常用于采集傳感器數(shù)據(jù)，并通過以太網(wǎng)連接上傳到遠(yuǎn)程服務(wù)器，TCP協(xié)議確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院屯暾浴?/p>

設(shè)備遠(yuǎn)程控制：許多嵌入式系統(tǒng)需要通過網(wǎng)絡(luò)接收控制指令（例如工業(yè)自動化中的PLC控制），TCP協(xié)議提供了可靠的通信通道。

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）：許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備使用TCP協(xié)議與云服務(wù)器或其他設(shè)備進(jìn)行通信，傳輸數(shù)據(jù)、執(zhí)行命令等。

嵌入式Web服務(wù)器：一些嵌入式設(shè)備內(nèi)置Web服務(wù)器（例如路由器、網(wǎng)關(guān)、傳感器設(shè)備等），通過TCP協(xié)議提供網(wǎng)頁接口給用戶進(jìn)行配置和監(jiān)控。

5使用TCP進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的流程

TCP連接建立（三次握手）

在開始傳輸數(shù)據(jù)之前，TCP會通過三次握手建立連接：

第一次握手：客戶端向服務(wù)器發(fā)送一個(gè)帶有 SYN標(biāo)志的數(shù)據(jù)包，表示請求建立連接。

第二次握手：服務(wù)器收到 SYN數(shù)據(jù)包后，回復(fù)一個(gè)帶有 SYN和 ACK標(biāo)志的數(shù)據(jù)包，表示同意建立連接。

第三次握手：客戶端收到服務(wù)器的 SYN+ACK后，發(fā)送一個(gè)帶有 ACK標(biāo)志的數(shù)據(jù)包，連接建立完成。

數(shù)據(jù)交互

TCP連接斷開（四次揮手）

當(dāng)通信結(jié)束時(shí)，TCP需要通過四次揮手來斷開連接：

第一次揮手：客戶端發(fā)送一個(gè) FIN數(shù)據(jù)包，表示數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，準(zhǔn)備關(guān)閉連接。

第二次揮手：服務(wù)器收到 FIN數(shù)據(jù)包后，回復(fù)一個(gè) ACK數(shù)據(jù)包，表示同意關(guān)閉連接。

第三次揮手：服務(wù)器發(fā)送一個(gè) FIN數(shù)據(jù)包，表示數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，準(zhǔn)備關(guān)閉連接。

第四次揮手：客戶端收到服務(wù)器的 FIN數(shù)據(jù)包后，發(fā)送一個(gè) ACK數(shù)據(jù)包，連接正式關(guān)閉。

ACK字段：ACK包含在 TCP報(bào)文頭中，表示接收方期望接收的下一個(gè)字節(jié)的序列號。

TCP 3次握手示意圖

TCP 4次揮手示意圖

6 TCP的ACK機(jī)制、重傳機(jī)制和Keepalive機(jī)制

TCP的ACK機(jī)制

ACK是 TCP用于確認(rèn)已成功接收到數(shù)據(jù)包的機(jī)制。在 TCP通信中，每個(gè)數(shù)據(jù)包都包含一個(gè)序列號，接收方用 ACK來告訴發(fā)送方已經(jīng)成功收到的字節(jié)序列。

累積確認(rèn)：TCP使用累積確認(rèn)方式，表示接收方已經(jīng)連續(xù)收到所有數(shù)據(jù)，直到某個(gè)序列號為止。

超時(shí)重傳：如果發(fā)送方在超時(shí)時(shí)間內(nèi)未收到 ACK，就會重傳該數(shù)據(jù)包。

TCP的重傳機(jī)制

TCP的重傳機(jī)制保證了數(shù)據(jù)的可靠傳輸。以下是常見的重傳機(jī)制：

超時(shí)重傳：

發(fā)送方設(shè)置一個(gè)定時(shí)器，當(dāng)發(fā)送的數(shù)據(jù)包在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未收到 ACK，則觸發(fā)重傳。

超時(shí)時(shí)間是動態(tài)調(diào)整的，由 TCP的往返時(shí)間（RTT, Round Trip Time）估算得出。

快速重傳：

當(dāng)接收方發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失時(shí)，發(fā)送重復(fù)的 ACK（稱為冗余 ACK），提醒發(fā)送方某個(gè)數(shù)據(jù)包未到達(dá)。

如果發(fā)送方連續(xù)收到 3個(gè)重復(fù)的 ACK，就會立即重傳對應(yīng)的數(shù)據(jù)包，而不必等待超時(shí)。

選擇性重傳（Selective Repeat, SACK）：

在累積確認(rèn)的基礎(chǔ)上，TCP還可以通過 SACK選項(xiàng)告訴發(fā)送方哪些特定的塊已收到，哪些未收到。

這可以減少不必要的重傳，提高效率。

TCP Keepalive機(jī)制

TCP Keepalive是 TCP協(xié)議的一種可選機(jī)制，用于檢測長時(shí)間空閑的連接是否仍然有效。它的主要作用是：

維護(hù)連接狀態(tài)：檢測對方主機(jī)是否仍在線，避免資源被長期占用。

釋放死連接：如果連接已經(jīng)失效（如網(wǎng)絡(luò)中斷或?qū)Ψ街鳈C(jī)崩潰），Keepalive可以及時(shí)釋放資源。

防止中間設(shè)備超時(shí)關(guān)閉連接：一些 NAT、路由器或防火墻可能會在連接長時(shí)間不活動時(shí)自動關(guān)閉，Keepalive可防止這種情況。

用法：在W55MH32的TOE引擎中，需要在Sn_KPALVTR寄存器中設(shè)置Keepalive時(shí)間，然后在成功連接服務(wù)器后發(fā)送一條數(shù)據(jù)來激活Keepalive。

7實(shí)現(xiàn)過程

接下來，我們一起來看看如何在W55MH32上實(shí)現(xiàn)TCP客戶端模式，連接服務(wù)器進(jìn)行回環(huán)測試。

注意：測試實(shí)例需要PC端和W55MH32處于同一網(wǎng)段。

步驟一：開啟TCP Keepalive功能

在W55MH32中，KeepAlive的時(shí)間單元為5秒，這里我們設(shè)置6個(gè)單元，則W55MH32會30秒發(fā)送1次KeepAlive報(bào)文給服務(wù)器進(jìn)行?；睿?/p>

/* Enable keepalive,Parameter 2 is the keep alive time, with a unit of 5 seconds */
setSn_KPALVTR(SOCKET_ID, 6); // 30s keepalive

步驟二：在主循環(huán)中運(yùn)行TCP Client回環(huán)測試程序

while (1)
{
   loopback_tcpc(SOCKET_ID, ethernet_buf, dest_ip, dest_port);
}

loopback_tcpc()函數(shù)的四個(gè)傳參分別為，SOCKET ID，TCP協(xié)議緩存數(shù)組，目標(biāo)服務(wù)器IP地址，目標(biāo)服務(wù)器端口號。

注意：當(dāng)我們想提高吞吐速度時(shí)，可以設(shè)置Sn_TXBUF_SIZE（socket n發(fā)送緩存大小寄存器）和Sn_RXBUF_SIZE（socket n接收緩存大小寄存器）來重新分配socket緩存大小，同時(shí)提高TCP協(xié)議緩存數(shù)組的大小。

示例的目標(biāo)服務(wù)器IP地址和端口號為：192.168.1.20:8080。

loopback_tcpc()函數(shù)內(nèi)容如下：

/**
* @brief   tcp client loopback test
* @param   sn:         socket number
* @param   buf:        Data sending and receiving cache
* @param   destip:     Destination IP address
* @param   destport:   Destination port
* @return  value for SOCK_ERRORs,return 1:no error
*/
int32_t loopback_tcpc(uint8_t sn, uint8_t *buf, uint8_t *destip, uint16_t destport)
{
   int32_t  ret; // return value for SOCK_ERRORs
   uint16_t size = 0, sentsize = 0;
   // Destination (TCP Server) IP info (will be connected)
   // >> loopback_tcpc() function parameter
   // >> Ex)
   uint8_t  dip[4] = {192, 168, 0, 214};
   uint16_t dport  = 5000;
   getSn_DIPR(sn, dip);
   dport = getSn_DPORT(sn);
   // Port number for TCP client (will be increased)
   static uint16_t any_port = 50000;
   // Socket Status Transitions
   // Check the W5500 Socket n status register (Sn_SR, The 'Sn_SR' controlled by Sn_CR command or Packet send/recv status)
   switch (getSn_SR(sn))
   {
   case SOCK_ESTABLISHED:
       if (getSn_IR(sn) & Sn_IR_CON) // Socket n interrupt register mask; TCP CON interrupt = connection with peer is successful
       {
#if KEEPALIVE_ENABLE == 1
           // We need to send a packet of data to activate keepalive
           ret = send(sn, (uint8_t *)"", 1); // Data send process
           if (ret < 0)                      // Send Error occurred (sent data length < 0)
           {
               close(sn);                    // socket close
               return ret;
           }
#endif
#ifdef _LOOPBACK_DEBUG_
           printf("%d:Connected to - %d.%d.%d.%d : %drn", sn, destip[0], destip[1], destip[2], destip[3], destport);
#endif
           setSn_IR(sn, Sn_IR_CON); // this interrupt should be write the bit cleared to '1'
       }
       //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
       // Data Transaction Parts; Handle the [data receive and send] process
       //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
       if ((size = getSn_RX_RSR(sn)) > 0) // Sn_RX_RSR: Socket n Received Size Register, Receiving data length
       {
           if (size > DATA_BUF_SIZE)
               size = DATA_BUF_SIZE;        // DATA_BUF_SIZE means user defined buffer size (array)
           ret       = recv(sn, buf, size); // Data Receive process (H/W Rx socket buffer -> User's buffer)
           buf[size] = 0x00;
           printf("rece from %d.%d.%d.%d:%d data:%srn", dip[0], dip[1], dip[2], dip[3], dport, buf);
           if (ret <= 0)
               return ret; // If the received data length <= 0, receive failed and process end
           size     = (uint16_t)ret;
           sentsize = 0;
           // Data sentsize control
           while (size != sentsize)
           {
               ret = send(sn, buf + sentsize, size - sentsize); // Data send process (User's buffer -?> Destination through H/W Tx socket buffer)
               if (ret < 0)                                     // Send Error occurred (sent data length < 0)
               {
                   close(sn);                                   // socket close
                   return ret;
               }
               sentsize += ret; // Don't care SOCKERR_BUSY, because it is zero.
           }
       }
       //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
       break;
   case SOCK_CLOSE_WAIT:
#ifdef _LOOPBACK_DEBUG_
       printf("%d:CloseWaitrn", sn);
#endif
       if ((ret = disconnect(sn)) != SOCK_OK)
           return ret;
#ifdef _LOOPBACK_DEBUG_
       printf("%d:Socket Closedrn", sn);
#endif
       break;
   case SOCK_INIT:
#ifdef _LOOPBACK_DEBUG_
       printf("%d:Try to connect to the %d.%d.%d.%d : %drn", sn, destip[0], destip[1], destip[2], destip[3], destport);
#endif
       if ((ret = connect(sn, destip, destport)) != SOCK_OK)
           return ret; // Try to TCP connect to the TCP server (destination)
       break;
   case SOCK_CLOSED:
       close(sn);
       if ((ret = socket(sn, Sn_MR_TCP, any_port++, 0x00)) != sn)
       {
           if (any_port == 0xffff)
               any_port = 50000;
           return ret; // TCP socket open with 'any_port' port number
       }
#ifdef _LOOPBACK_DEBUG_
       printf("%d:TCP client loopback startrn", sn);
       printf("%d:Socket openedrn", sn);
#endif
       break;
   default:
       break;
   }
   return 1;
}

在這個(gè)程序中，會運(yùn)行TCP Client狀態(tài)機(jī)，基于不同的的SOCKET的狀態(tài)執(zhí)行對應(yīng)的操作，SOCKET的狀態(tài)變化如下圖所示：

SOCK_CLOSED：當(dāng)前SOCKET未打開，配置連接服務(wù)器及連接端口號后打開SOCKET，打開成功后SOCKET會進(jìn)入SOCK_INIT狀態(tài)。

注意：在W55MH32異常斷開服務(wù)器時(shí)，服務(wù)器并不知道我們已經(jīng)掉線了，所以繼續(xù)使用上一次連接的端口進(jìn)行連接時(shí)會被服務(wù)器拒絕連接，所以這里在連接失敗后會將連接端口自動加1。如果是在一些特定的場景下，服務(wù)器只允許客戶端使用固定端口連接，這里就不能使用連接端口自動加1的操作。

SOCK_INIT:SOCKET執(zhí)行連接服務(wù)器操作，如果連接成功，SOCKET狀態(tài)改為SOCK_ESTABLISHED；連接失敗，SOCKET狀態(tài)改為關(guān)閉狀態(tài)。

SOCK_ESTABLISHED：首先清除連接成功中斷，并發(fā)送1包數(shù)據(jù)激活KeepAlive，然后讀取Sn_RX_RSR（空閑接收緩存寄存器）寄存器的值，當(dāng)收到服務(wù)器數(shù)據(jù)時(shí)，Sn_RX_RSR寄存器的值會大于0，此時(shí)我們將接收到的數(shù)據(jù)打印并將數(shù)據(jù)回環(huán)發(fā)送。

SOCK_CLOSE_WAIT：當(dāng)服務(wù)器主動斷開連接時(shí)，SOCKET狀態(tài)改為SOCK_CLOSE_WAIT狀態(tài)，這是一個(gè)半關(guān)閉狀態(tài)，可以進(jìn)行關(guān)閉前最后的數(shù)據(jù)傳輸。使用disconnect()函數(shù)徹底斷開連接時(shí)，SOCKET狀態(tài)將改為SOCK_CLOSED狀態(tài)。

8運(yùn)行結(jié)果

燒錄例程運(yùn)行后，首先進(jìn)行了PHY鏈路檢測，然后是通過DHCP獲取網(wǎng)絡(luò)地址并打印網(wǎng)絡(luò)地址信息，最后則是TCP數(shù)據(jù)回環(huán)測試，當(dāng)服務(wù)器未開啟時(shí)，會一直打印打開socket和連接服務(wù)器提示消息。

接下來我們打開一個(gè)網(wǎng)絡(luò)調(diào)試工具，例如SocketTester，設(shè)置為TCP Server模式，選擇PC的IP地址和需要進(jìn)行TCP通訊的端口號，然后點(diǎn)擊”Listen”建立TCP Server軟件的偵聽。接著我們就能看到W55MH32的連接信息了，最后向W55MH32發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行回環(huán)測試。

9總結(jié)

本文介紹在 W55MH32芯片上實(shí)現(xiàn) TCP客戶端模式進(jìn)行數(shù)據(jù)回環(huán)測試的方法。闡述 TCP協(xié)議概念、特點(diǎn)、與 UDP區(qū)別、應(yīng)用場景及相關(guān)機(jī)制。展示實(shí)現(xiàn)過程，包括開啟 Keepalive功能，在主循環(huán)運(yùn)行測試程序。燒錄例程后進(jìn)行 PHY鏈路檢測、獲取網(wǎng)絡(luò)地址，再借助網(wǎng)絡(luò)調(diào)試工具測試。

下一篇將講解在該芯片上實(shí)現(xiàn) TCP服務(wù)器模式監(jiān)聽端口進(jìn)行數(shù)據(jù)回環(huán)測試，解析相關(guān)原理及步驟。敬請期待！

WIZnet是一家無晶圓廠半導(dǎo)體公司，成立于 1998年。產(chǎn)品包括互聯(lián)網(wǎng)處理器 iMCU?，它采用 TOE（TCP/IP卸載引擎）技術(shù)，基于獨(dú)特的專利全硬連線 TCP/IP。iMCU?面向各種應(yīng)用中的嵌入式互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

WIZnet在全球擁有 70多家分銷商，在香港、韓國、美國設(shè)有辦事處，提供技術(shù)支持和產(chǎn)品營銷。

香港辦事處管理的區(qū)域包括：澳大利亞、印度、土耳其、亞洲（韓國和日本除外）。

審核編輯 黃宇