單芯片解決方案，開(kāi)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(lái)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(lái)說(shuō)，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(chǔ)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(kāi)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(chǎng)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(duì)工業(yè)控制中多樣化的連接需求，無(wú)論是與各類傳感器、執(zhí)行器的通信，還是對(duì)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(chǎng)景，軟件使用方法一致。更多信息和資料請(qǐng)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(kāi)發(fā)者快速上手與深入開(kāi)發(fā)，基于W55MH32L這顆芯片，WIZnet精心打造了配套開(kāi)發(fā)板。開(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)者全面評(píng)估芯片性能。

若您想獲取芯片和開(kāi)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(wèn)官方網(wǎng)頁(yè)：http://www.w5500.com/，我們期待與您共同探索W55MH32的無(wú)限可能。

第四章 W55MH32 TCP Server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。并通過(guò)實(shí)戰(zhàn)例程，為大家講解如何使用W55MH32作為TCP Server進(jìn)行數(shù)據(jù)回環(huán)測(cè)試，有關(guān)TCP協(xié)議的簡(jiǎn)介以及特點(diǎn)，請(qǐng)參考TCP Client章節(jié)。

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

1 TCP協(xié)議簡(jiǎn)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(guò)三次握手（Three-Way Handshake）過(guò)程來(lái)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(huì)自動(dòng)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(lái)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)的發(fā)送速度，防止接收方處理不過(guò)來(lái)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。常用的流量控制方法是滑動(dòng)窗口（Sliding Window）。

擁塞控制：TCP可以動(dòng)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(dòng)、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(huì)對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行編號(hào)，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(yè)瀏覽、文件傳輸?shù)取?/p>

UDP（User Datagram Protocol）是無(wú)連接、不可靠的協(xié)議，適合對(duì)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(chǎng)景

接下來(lái)，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(guò)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(guò)網(wǎng)絡(luò)接收控制指令（例如工業(yè)自動(dòng)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(guò)TCP協(xié)議提供網(wǎng)頁(yè)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(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)之前，TCP會(huì)通過(guò)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(qǐng)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(kāi)（四次揮手）

當(dāng)通信結(jié)束時(shí)，TCP需要通過(guò)四次揮手來(lái)斷開(kāi)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(hào)。

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(hào)，接收方用 ACK來(lái)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(hào)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(huì)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(jiàn)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(dòng)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(huì)立即重傳對(duì)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(guò) 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(cè)長(zhǎng)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(cè)對(duì)方主機(jī)是否仍在線，避免資源被長(zhǎng)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(huì)在連接長(zhǎng)時(shí)間不活動(dòng)時(shí)自動(dòng)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(lái)激活Keepalive。

7實(shí)現(xiàn)過(guò)程

接下來(lái)，我們一起來(lái)看看如何在W55MH32上實(shí)現(xiàn)TCP服務(wù)器模式，監(jiān)聽(tīng)端口并進(jìn)行回環(huán)測(cè)試。

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

步驟1：開(kāi)啟TCP KeepAlive功能（避免出現(xiàn)假連接情況）

在W55MH32中，KeepAlive的時(shí)間單元為5秒，因?yàn)樵O(shè)我們?cè)O(shè)置6個(gè)單元，即30秒發(fā)送1次KeepAlive報(bào)文。

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

步驟2：在主循環(huán)中運(yùn)行TCP Server回環(huán)測(cè)試程序

while (1) { loopback_tcps(SOCKET_ID, ethernet_buf, local_port); }

loopback_tcps()函數(shù)的三個(gè)傳參分別為，SOCKET ID，交互的緩存數(shù)組，本地端口號(hào)。

示例的本地端口號(hào)為：8080。

loopback_tcps()函數(shù)內(nèi)容如下：

/** * @brief tcp server loopback test * @param sn: socket number * @param buf: Data sending and receiving cache * @param port: Listen port * @return value for SOCK_ERRORs,return 1:no error */ int32_t loopback_tcps(uint8_t sn, uint8_t *buf, uint16_t port) { int32_t ret; uint16_t size = 0, sentsize = 0; #ifdef _LOOPBACK_DEBUG_ uint8_t destip[4]; uint16_t destport; #endif switch (getSn_SR(sn)) { case SOCK_ESTABLISHED: if (getSn_IR(sn) & Sn_IR_CON) { #ifdef _LOOPBACK_DEBUG_ getSn_DIPR(sn, destip); destport = getSn_DPORT(sn); printf("%d:Connected - %d.%d.%d.%d : %drn", sn, destip[0], destip[1], destip[2], destip[3], destport); #endif #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 setSn_IR(sn, Sn_IR_CON); } if ((size = getSn_RX_RSR(sn)) > 0) // Don't need to check SOCKERR_BUSY because it doesn't not occur. { if (size > DATA_BUF_SIZE) size = DATA_BUF_SIZE; ret = recv(sn, buf, size); if (ret <= 0) return ret; // check SOCKERR_BUSY & SOCKERR_XXX. For showing the occurrence of SOCKERR_BUSY. size = (uint16_t)ret; sentsize = 0; buf[size] = 0x00; printf("rece data:%srn", buf); while (size != sentsize) { ret = send(sn, buf + sentsize, size - sentsize); if (ret < 0) { close(sn); 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:Listen, TCP server loopback, port [%d]rn", sn, port); #endif if ((ret = listen(sn)) != SOCK_OK) return ret; break; case SOCK_CLOSED: #ifdef _LOOPBACK_DEBUG_ printf("%d:TCP server loopback startrn", sn); #endif if ((ret = socket(sn, Sn_MR_TCP, port, 0x00)) != sn) return ret; #ifdef _LOOPBACK_DEBUG_ printf("%d:Socket openedrn", sn); #endif break; default: break; } return 1; }

在這個(gè)程序中，會(huì)運(yùn)行TCP Server狀態(tài)機(jī)，基于SOCKET不同的狀態(tài)執(zhí)行對(duì)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(kāi)，配置連接服務(wù)器及連接端口號(hào)后打開(kāi)SOCKET，打開(kāi)成功后SOCKET會(huì)進(jìn)入SOCK_INIT狀態(tài)。

SOCK_INIT:SOCKET打開(kāi)成功，開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)端口，當(dāng)有客戶端進(jìn)行連接時(shí)，SOCKET狀態(tài)改為SOCK_ESTABLISHED。

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）寄存器值，當(dāng)收到服務(wù)器數(shù)據(jù)時(shí)，Sn_RX_RSR寄存器的值會(huì)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)客戶端主動(dòng)斷開(kāi)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(kāi)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(cè)，然后是通過(guò)DHCP獲取網(wǎng)絡(luò)地址并打印網(wǎng)絡(luò)地址信息，最后則是進(jìn)行TCP數(shù)據(jù)回環(huán)測(cè)試，當(dāng)客戶端未連接時(shí)，會(huì)一直監(jiān)聽(tīng)，等待客戶端連接。

接下來(lái)我們打開(kāi)SocketTester網(wǎng)絡(luò)調(diào)試工具，設(shè)置為TCP Client模式，輸入W55MH32的IP地址和端口后進(jìn)行連接，然后就能看到W55MH32打印客戶端連接信息了，最后用SocketTester向W55MH32發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行回環(huán)測(cè)試。

9總結(jié)

本文介紹在 W55MH32芯片上實(shí)現(xiàn) TCP服務(wù)器模式進(jìn)行數(shù)據(jù)回環(huán)測(cè)試的方法。先回顧 TCP協(xié)議相關(guān)知識(shí)，接著展示實(shí)現(xiàn)過(guò)程，包括開(kāi)啟 Keepalive功能，在主循環(huán)運(yùn)行測(cè)試程序。程序依據(jù) SOCKET不同狀態(tài)執(zhí)行操作，狀態(tài)從關(guān)閉、初始化、監(jiān)聽(tīng)，到連接建立、關(guān)閉等待。燒錄例程后經(jīng) PHY鏈路檢測(cè)、獲取網(wǎng)絡(luò)地址，借助網(wǎng)絡(luò)調(diào)試工具完成測(cè)試。

下一篇將講解在該芯片上實(shí)現(xiàn) UDP通信及數(shù)據(jù)回環(huán)測(cè)試，介紹 UDP相關(guān)原理和實(shí)現(xiàn)步驟。敬請(qǐng)期待！

WIZnet是一家無(wú)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(guó)、美國(guó)設(shè)有辦事處，提供技術(shù)支持和產(chǎn)品營(yíng)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(guó)和日本除外）。

審核編輯 黃宇