STM32F407 系列文章 - ETH-LWIP(十五)
目录
前言
一、软件设计
二、CubeMX实现
1.配置前准备
2.CubeMX配置
1.ETH模块配置
2.时钟模块配置
3.中断模块配置
4.RCC及SYS配置
5.LWIP模块配置
3.生成代码
1.main文件
2.用户层源文件
3.用户层头文件
4.效果演示
三、移植实现
总结
前言
一般对于许多嵌入式系统或单片机,在其资源受限的环境下,要想实现网络通讯,并保证资源的高效利用和稳定的网络通信,我们一般采用一种轻量级的网络协议lwIP。TI公司的STM32芯片一般都会自带一路以太网口,用于网络通讯,但因其内存资源受限,所以都用采用一种小型化、轻量级的lwIP网络协议,只需十几KB的RAM和大约40K的ROM即可运行,既可以在无操作系统环境下工作,也可以与各种操作系统配合使用,使其成为资源受限的嵌入式系统的理想选择。一般市场上所卖的板子都带这一功能的,需准备STM32F407开发板一块和网线一根。
一、软件设计
前面上一篇博文STM32之LWIP网络通讯设计-上(十四)-CSDN博客讲述了对STM32实现LWIP网络通讯的前提性要求介绍,包含使用到的网络协议、MAC内核、PHY驱动芯片、通讯连接示意图、以及硬件电路原理设计图,为网络通讯软件开发提供了设计指导。今天将完成STM32网络通讯的软件设计,实现该软件有有两种方式,第一种方法是通过可视化工具STM32CubeMX完成对lwIP通讯的配置,一键化生成工程代码;第二种方法是先下载lwIP,然后完成lwIP移植到STM32工程项目中,在完成其通讯配置。这里会给出这两种实现方法,但博主更推荐第一种方法,简便快捷。
二、CubeMX实现
STM32CubeMX是一个图形化配置工具,主要用于配置STM32微控制器和微处理器。它通过直观的图形用户界面,帮助用户选择STM32 MCU型号、配置引脚、设置系统时钟和外设参数,并生成相应的初始化C代码。这里对CubeMX可视化工具不做详细的介绍,改天会专门写篇文章介绍它。
1.配置前准备
在进行可视化工具CubeMX设置前,需要先了解处理器网络通讯的电路图实现,主要是了解到处理器使用到的IO引脚以及网络驱动芯片,根据上一篇文章介绍网络通讯设计-上(十四)(有提供stm32f407手册数据和YT8512C驱动芯片数据),线连接到处理器的IO引脚PC4、PC5、PG13、PG14、PG11、PC1、PA2、PA7、PD3,如下图所示。
2.CubeMX配置
打开CubeMX工具,如下所示。
1.ETH模块配置
上图,在右边Pinout View上面,根据电气原理图设置stm32相关IO引脚,如上图所示,设置完相关引脚后在上图左边ETH项,打开可以看到配置的相关引脚PC4、PC5、PG13、PG14、PG11、PC1、PA2、PA7、PD3如下所示。
在上图上,我们选择网络模式为RMII,根据YT8512C驱动芯片数据手册,MAC地址、PHY地址、PHY状态寄存器地址、PHY速度、PHY双工状态、以及PHY相关参数设置如下。
并使能Eth中断配置,如下。
根据电气设计图,设置处理器IO引脚PD3为ETH复位引脚,如下所示。
2.时钟模块配置
根据图纸参数,外部时钟为8MHz,处理器最高位168MHz,完成相关设置如下。
3.中断模块配置
4.RCC及SYS配置
5.LWIP模块配置
最后,别忘记使能LWIP模块,完成对其配置,打开第三方插件Middleware,勾选LWIP,里面可以看到LWIP使用的版本号,并完成LWIP的地址、掩码、TCP、BUF等参数的设置,如下所示。
提一句,CubeMX这里面用的LWIP跟外部官网上是一样,因为其开源免费的特性,CubeMX直接将其内嵌在软件里面使用。
在第三方插件Middleware界面上,还可以看到FATFS通用文件系统设置、以及freeRTOS线程设置等等,说明使用CubeMX可视化工具,很方便、功能也挺多。
3.生成代码
上面完成配置引脚、设置系统时钟、以及外设参数设置后,点击GENERATE CODE直接生成代码和工程文件,在保存的路径上面查看。
打开工程,查看代码如下。
1.main文件
这里将完成相关GPIO引脚、LWIP、定时器初始化配置,首先重置所有外围设备,初始化Flash接口和Systick,配置系统时钟,初始化所有已配置的外围设备;然后初始化用户UDP网络设置、和用户参数,并启动1毫秒定时器;最后进入主循环,处理网络上的数据,主要为MX_LWIP_Process()函数和UDP_Data_Process()函数完成,其中MX_LWIP_Process函数为CubeMX工具生成的函数,主要作用为处理网络上接收到的数据,传递给注册的接收回调函数UDP_Receive_Callback解析处理。代码示例如下。
/**
******************************************************************************
* @file : main.c
* @brief : Main program body
******************************************************************************
* @attention
*
* <h2><center>© Copyright (c) 2025 STMicroelectronics.
* All rights reserved.</center></h2>
*
* This software component is licensed by ST under Ultimate Liberty license
* SLA0044, the "License"; You may not use this file except in compliance with
* the License. You may obtain a copy of the License at:
* www.st.com/SLA0044
*
******************************************************************************
*/
/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"
#include "lwip.h"
#include "tim.h"
#include "gpio.h"
/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
#include "eth_user.h"
/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
/**
* @brief The application entry point.
* @retval int
*/
int main(void)
{
/* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/
/* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
HAL_Init();
/* Configure the system clock */
SystemClock_Config();
/* Initialize all configured peripherals */
MX_GPIO_Init();
MX_TIM6_Init();
MX_LWIP_Init();
MX_TIM7_Init();
User_UDP_Init();
HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim6); // 启动1ms定时器
/* Infinite loop */
while (1)
{
Delay_us(100);
MX_LWIP_Process();
UDP_Data_Process();
}
}
/**
* @brief System Clock Configuration
* @retval None
*/
void SystemClock_Config(void)
{
RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};
/** Configure the main internal regulator output voltage
*/
__HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE();
__HAL_PWR_VOLTAGESCALING_CONFIG(PWR_REGULATOR_VOLTAGE_SCALE1);
/** Initializes the RCC Oscillators according to the specified parameters
* in the RCC_OscInitTypeDef structure.
*/
RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = 8;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 320;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = RCC_PLLP_DIV2;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = 4;
if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
/** Initializes the CPU, AHB and APB buses clocks
*/
RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
|RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV4;
RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_5) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
HAL_RCC_MCOConfig(RCC_MCO1, RCC_MCO1SOURCE_PLLCLK, RCC_MCODIV_4);
}
2.用户层源文件
这里将完成网络用户层设置,主要为网络IP初始化设置、以及网络收发数控制,代码示例如下。
#include "eth_user.h"
#include "stm32f4xx_hal.h"
#include "lwip.h"
#include "lwip/igmp.h"
#define UDP_PORT 8888 // 网络端口
static struct udp_pcb *upcb; // UDP通讯的控制块对象
static DeviceStatus SendUDPSt; // UDP通道的通讯状态
UDP_Message RecvUDPMes;
UDP_Message AckUDPMes;
UDP_Message SendUDPMes;
/******************************************************************************
* 描述 : 初始化UDP所用的相关数据对象
* 参数 : 无
* 返回 : 无
******************************************************************************/
void UDP_Data_Init(void)
{
memset(&RecvUDPMes, 0, sizeof(UDP_Message));
memset(&AckUDPMes, 0, sizeof(UDP_Message));
memset(&SendUDPMes, 0, sizeof(UDP_Message));
memset(&SendUDPSt, 0, sizeof(DeviceStatus));
SendUDPSt.ID = 0x10;
}
/******************************************************************************
* 描述 : 接收回调函数编写
* 参数 : upcb UDP协议控制块
* p 收到的数据包缓冲区
* addr 接收数据包的远程IP地址
* port 接收数据包的远程端口
* 返回 : 无
******************************************************************************/
static void UDP_Receive_Callback(void *arg, struct udp_pcb *upcb,
struct pbuf *p, const ip_addr_t *addr, u16_t port)
{
uint8_t udprecvbuf[MAX_UDP_FRAME_LEN] = {0};
struct pbuf *ptmp = p;
uint32_t data_len = 0;
if(upcb != NULL && p != NULL)
{
ip_addr_t remote_source_ip;
IP4_ADDR(&remote_source_ip, 192,168,1,113);
if((port == UDP_PORT) && ((addr->addr) == remote_source_ip.addr)) //判断地址和端口从哪里来的
{
for (ptmp = p; ptmp != NULL; ptmp = ptmp->next) //遍历完整个buf链表
{
//判断要拷贝到buf中的数据是否大于UDP_DEMO_RX_BUFSIZE的剩余空间,
//如果大于的话就只拷贝剩余长度的数据,否则的话就拷贝所有的数据
if (ptmp->len <= (MAX_UDP_FRAME_LEN - data_len)){
memcpy(udprecvbuf + data_len, ptmp->payload, ptmp->len);
data_len += ptmp->len;
}
else{
memcpy(udprecvbuf + data_len, ptmp->payload, (MAX_UDP_FRAME_LEN - data_len)); //拷贝数据
data_len = MAX_UDP_FRAME_LEN;
}
//超出UDP最大数据包,则跳出循环
if (data_len > MAX_UDP_FRAME_LEN){
break;
}
}
// 初步处理
memcpy(&AckUDPMes, udprecvbuf, data_len);
SendUDPSt.LastRecvTime = g_1msTick;
SendUDPSt.ComSt = COM_ST_PENDING;
if(*((uint32_t*)udprecvbuf) != UDP_FRAME_HEAD) { // 同步头校验
AckUDPMes.AnsResult = ACK_HEAD_ERROR;
}
else if(AckUDPMes.Len != (data_len-4)) { // 帧长度校验
AckUDPMes.AnsResult = ACK_LEN_ERROR;
}
else if(RecvUDPMes.CRC16 != CRC16_Calculate((uint8_t*)&RecvUDPMes.SN, RecvUDPMes.Len-4)) { // CRC校验
AckUDPMes.AnsResult = ACK_CRC_ERROR;
}
else
SendUDPSt.ComSt = COM_ST_INIT;
}
}
pbuf_free(p); // 释放内存
}
/******************************************************************************
* 描述 : 创建udp客户端
* 参数 : 无
* 返回 : 无
******************************************************************************/
void User_UDP_Init(void)
{
ip_addr_t local_ip;
ip_addr_t remote_ip;
err_t err;
/* 初始化UDP数据消息 */
UDP_Data_Init();
// 组播配置
//IP4_ADDR(&local_ip, 224,1,1,201); //配置本地接收组播的地址
//IP4_ADDR(&remote_ip, 224,1,1,113);
//独播
IP4_ADDR(&local_ip, 192,168,1,201);
IP4_ADDR(&remote_ip, 192,168,1,113);
upcb = udp_new(); // 创建udp控制块
if (upcb!=NULL)
{
upcb->local_port = UDP_PORT; // 配置本地端口
upcb->local_ip.addr = local_ip.addr; // 配置本地地址
upcb->remote_port = UDP_PORT; // 绑定远程端口
upcb->remote_ip.addr = remote_ip.addr; // 绑定远程地址
//加入组播
//err= igmp_joingroup(IP_ADDR_ANY,&local_ip); //只需要将接收地址放入igmp组,发送的不需要
//连接远程服务器IP和端口
err= udp_connect(upcb, &remote_ip, UDP_PORT);
if(err == ERR_OK)
{
err = udp_bind(upcb,&local_ip,UDP_PORT); //只能收到绑定的本地接收ip地址和端口的数据
//err = udp_bind(upcb,IP_ADDR_ANY,UDP_LOCAL_PORT); //可以收到固定端口上任意ip地址的数
// 注册接收回调函数,只要接收到数据,这个回调函数会被lwip内核调用
udp_recv(upcb, UDP_Receive_Callback, NULL); // 函数初始化时注册-接收回调函数
}
else
{
//离开组播地址
//igmp_leavegroup(IP_ADDR_ANY,&local_ip);
// 断开UDP连接
udp_remove(upcb);
}
}
}
/******************************************************************************
* 描述 : 发送数据
* 参数 : (in)pData 发送数据的指针
* 返回 : 无
******************************************************************************/
int8_t UDP_Send_Data(struct udp_pcb *upcb, uint8_t *pData, uint16_t len)
{
struct pbuf *p;
int8_t ret = ERR_BUF;
if (upcb != NULL && pData != NULL && len > 0)
{
/* 分配缓冲区空间 */
p = pbuf_alloc(PBUF_TRANSPORT, len, PBUF_POOL);
if(p != NULL)
{
/* 填充缓冲区数据 */
ret = pbuf_take(p, pData, len);
if(ret == ERR_OK)
{
/* 发送udp数据 */
ret = udp_send(upcb, p);
}
/* 释放缓冲区空间 */
pbuf_free(p);
}
}
return ret;
}
// 处理单项控制命令
CMD_Ack UDP_Single_Ctrl(UDP_Message msg)
{
CMD_Ack ret = ACK_OK;
if((uint8_t*)&msg != NULL)
{
switch(msg.Param2)
{
case 0:
break;
case 1:
break;
case 2:
break;
default:
break;
}
}
else
{
ret = ACK_ERROR;
}
return ret;
}
/******************************************************************************
* 描述 : 将接收到的UDP数据包解析处理
* 参数 : 无
* 返回 : 无
******************************************************************************/
void UDP_Msgs_Process(void)
{
if(SendUDPSt.ComSt == COM_ST_INIT) {
AckUDPMes.AnsResult = UDP_Single_Ctrl(RecvUDPMes);
SendUDPSt.ComSt = COM_ST_TRANS;
}
}
/******************************************************************************
* 描述 : 向以太网上发送UDP数据包
* 参数 : 无
* 返回 : 无
******************************************************************************/
void UDP_Send_Msgs(void)
{
static uint32_t lastime = 0;
/* deal ack data */
if(SendUDPSt.ComSt != COM_ST_STOP) {
AckUDPMes.Head = UDP_FRAME_HEAD;
AckUDPMes.Len = UDP_MSG_LEN;
AckUDPMes.CRC16 = CRC16_Calculate((uint8_t*)&AckUDPMes.SN, AckUDPMes.Len-4);
UDP_Send_Data(upcb, (uint8_t*)&AckUDPMes, UDP_FULL_FRAM_LEN(AckUDPMes.Len));
SendUDPSt.ComSt = COM_ST_STOP;
memset(&AckUDPMes, 0, sizeof(UDP_Message));
}
/*d eal heartbeat data */
if(g_1msTick - lastime > 1000) {
lastime = g_1msTick;
SendUDPMes.Head = UDP_FRAME_HEAD;
SendUDPMes.Len = UDP_MSG_LEN + 2;
SendUDPMes.SN += 1;
SendUDPMes.Param1 = SUB_CMD_KEEPALIVE;
SendUDPMes.Param2 = RUN_IDLE;
SendUDPMes.AnsResult = ACK_PENDING;
SendUDPMes.Data[0] = 0xff;
SendUDPMes.Data[1] = 0xff;
SendUDPMes.CRC16 = CRC16_Calculate((uint8_t*)&SendUDPMes.SN, SendUDPMes.Len-4);
UDP_Send_Data(upcb, (uint8_t*)&SendUDPMes, UDP_FULL_FRAM_LEN(SendUDPMes.Len));
}
}
/******************************************************************************
* 描述 : UDP处理流程(处理现有消息,调度发送队列)
* 参数 : 无
* 返回 : 无
******************************************************************************/
void UDP_Data_Process(void)
{
UDP_Msgs_Process();
UDP_Send_Msgs();
}
3.用户层头文件
#ifndef __UDP_USER_H
#define __UDP_USER_H
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
#include "stdint.h"
#include "string.h"
#include "crc.h"
#include "udp.h"
#include "timer.h"
#define MAX_UDP_BUF_SIZE 1000
typedef struct
{
uint32_t Head; // 同步头
uint16_t Len; // 整帧长度(UDP_MSG_LEN+Data长度)
uint16_t CRC16; // CRC校验结果(UDP_MSG_LEN-4+Data长度的数据)
uint16_t SN; // 帧序号
uint32_t Param1; // 参数1
uint32_t Param2; // 参数2
uint32_t AnsResult; // 应答结果
uint8_t Data[MAX_UDP_BUF_SIZE]; // 数据内容(不能超过1024字节)
}__attribute__((packed)) UDP_Message;
#define UDP_FRAME_HEAD 0xC3A53C5A // 帧头
#define UDP_MSG_LEN 22 // 帧头长度
#define UDP_FULL_FRAM_LEN(msgLen) ((msgLen)+4) // 帧头+整帧长度
#define MAX_UDP_FRAME_LEN (4+UDP_MSG_LEN+MAX_UDP_BUF_SIZE)//sizeof(UDP_Message) UDP最大帧长度
typedef enum
{
ACK_PENDING = 0, // 等待反馈
ACK_OK = 0x10, // 命令执行结束,且结果正常
ACK_ERROR = 0x11, // 命令执行过程发生异常
ACK_WARNING = 0x12, // 命令执行结束,但结果异常
ACK_HEAD_ERROR = 0x20, // Head校验错误
ACK_CRC_ERROR = 0x21, // CRC校验错误
ACK_LEN_ERROR = 0x22, // 长度校验错误
ACK_CMD_INVALID = 0x23, // 命令参数错误,无法执行
ACK_RUNNING = 0x22, // 有其他命令正在执行
}CMD_Ack; // 回应类型
}Sub_CMD_Type;
typedef enum
{
RUN_IDLE = 0x01, // 空闲
RUN_TEST_CTRL = 0x02, // 测试
RUN_BURN_IN = 0x03, // 老炼
RUN_UPGRADE = 0x04 // 在线升级
}RunningStType; // 软件运行状态类型
typedef enum
{
COM_ST_UNKNOWN = 0x00, // 未知
COM_ST_PENDING = 0x01, // 等待回应
COM_ST_INIT = 0x02, // 初步OK
COM_ST_TRANS = 0x03, // 可传输
COM_ST_STOP = 0x04 // 已停止
}DeviceComStatus; // 设备通讯状态标识
void User_UDP_Init(void);
int8_t UDP_Send_Data(struct udp_pcb *upcb, uint8_t *pData, uint16_t len);
void UDP_Msgs_Process(void);
void UDP_Send_Msgs(void);
void UDP_Data_Process(void);
#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif
4.效果演示
编写完用户代码后,进行编译运行,连接仿真器在线调式、或者直接烧写到板子中,打开网络监控助手,效果如下。
三、下载移植实现
这里将实现第二种方法,通过下载、移植lwIP到STM32工程项目中,实现网络通讯。
1.lwip下载
点击打开LWIP官网lwIP - 轻量级 TCP/IP 堆栈,显示界面如下所示。在上面既可以下载所需版本lwip,也可以获得相应技术支持。
1.下载方式一
在上面找到下载区,点击进入后,选择我们需要下载的版本,如下所示。这里为了与前面的CubeMX工具上lwip版本保持一致,也选择lwip 2.12版本。
点击上面的版本进行下载时,有时无法响应,这时我们可以采取git方式下,即方式二下载。
2.下载方式二
选择上面的git存储区,点击lwIP-轻量级 TCPIP堆栈(lwip.git - lwIP - 轻量级 TCPIP 堆栈),选择对应的版本进行下载。在该选项下面还有一个lwIP Contrib - 为轻量级 TCP/IP 堆栈提供的代码选项(contrib.git - lwIP Contrib - 用户例程代码)即提供的例程代码,这里我们不讲解官方Contrib的demo例程。
也可以直接点击下载网址进行下载,提供对应版本下载地址如下:
https://git.savannah.nongnu.org/cgit/lwip.git/snapshot/lwip-STABLE-2_1_2_RELEASE.tar.gzhttps://git.savannah.nongnu.org/cgit/lwip.git/snapshot/lwip-STABLE-2_1_2_RELEASE.tar.gz下载完后,可以看到如下大小的压缩包。
2.lwip文件介绍
对上面下载的压缩包进行解压,得到如下画面。
上图中的lwip2.1.2文件夹包含了许多文件和子文件夹,关于里面的文件我们不需要关心,主要是记录lwIP源码更新、开源软件license、描述lwIP的特点、介绍lwIP源码包的文件目录信息等等,无关紧要。另外还有三个文件夹doc、src、test,其中doc文件夹里面是关于LwIP的一些文档,可以看成是应用和移植LwIP的指南;test文件夹里面是测试LwIP内核性能的源码,将它们和LwIP源码加入到工程中一起编译,调用它们提供的函数,可以获得许多与LwIP内核性能有关的指标;src文件夹是lwIP源码包中最重要的,它是lwIP的内核文件,也是我们移植到工程中的重要文件。
打开src文件夹,如下所示,主要讲解下面5个文件夹。
api文件夹里面装的是NETCONN API和Socket API相关的源文件,只有在操作系统的环境中,才 能被编译。apps文件夹里面装的是应用程序的源文件,包括常见的应用程序,如httpd、mqtt、tftp、sntp、snmp等。core文件夹里面是LwIP的内核源文件,后续会详细讲解。include文件夹里面是LwIP所有模块对应的头文件。netif文件夹里面是与网卡移植有关的文件,这些文件为我们移植网卡提供了模板,我们可以直接 使用。
LwIP内核是由一系列模块组合而成的,这些模块包括:TCP/IP协议栈的各种协议、内存管理模 块、数据包管理模块、网卡管理模块、网卡接口模块、基础功能类模块、API模块。每个模块是由相关的几个源文件和头文件组成的,通过头文件对外声明一些函数、宏、数据类型,使得其它模块可以方便地调用此模块的功能。而构成每个模块的头文件都被组织在了include目录中,而源文件则根据类型被分散地组织在 api、apps、core、netif目录中。下面的子级文件在不作介绍,具体可以查看LwIP的官方说明文档。
3.lwip移植
对上
总结
下面提供的代码,基于STM32F407ZGT芯片编写,可直接在原子开发板上运行,也可运行在各工程项目上,但需要注意各接口以及相应的引脚应和原子开发板上保持一致。
相应的代码链接:单片机STM32F407-Case程序代码例程-CSDN文库