W5500嵌入式以太网控制器

一. W5500介绍

W5500是一款全硬件TCP/IP嵌入式以太网控制器，为嵌入式系统提供了更加简易的互联网连接方案。W5500集成了TCP/IP协议栈，10/100M以太网数据链路层（MAC）以及物理层（PHY），使得用户使用单芯片就能够在他们的应用中扩展网络连接。

Features:

• 支持硬件TCP/IP协议栈：TCP, UDP, ICMP, IPv4, ARP, IGMP, PPPoE

• 支持8个独立端口（socket）同时通讯

• 支持掉电模式

• 支持网络唤醒

• 支持高速串行外设接口（SPI模式0，3）

• 内部32k字节收发缓存，内嵌10BaseT/100BaseTX以太网物理层

• 支持自动协商（10/100-Base全双工/半双工）

• 不支持IP分片

• 3.3V工作电压，I/O信号口5V耐压

• LED状态显示（全双工/半双工， 网络连接， 网络速度， 活动状态）

W5500芯片系统结构框图

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从上图可以看出W5500作为一款以太网通信芯片，它可以方便的扩展出主控芯片的以太网通信接口。W5500提供了SPI接口用于与主控芯片进行数据通讯，W5500的内部主要可以分为以下模块：

1. SPI接口控制器

2. 寄存器管理器

3. TCP/IP协议栈核（从上到下包括传输层，网络层和数据链路层）

4. MII（介质无关接口）管理器

5. 以太网物理层

6. 内存管理器

7. 32k的发送和接收缓存

二. W5500与主控芯片的数据交互

W5500提供了SPI接口用于实现与主控芯片的数据交互。

W5500与主机的连接方式及SPI工作模式

1. SPI协议根据时钟信号空闲电平定义（高电平or低电平）以及数据锁存边沿方向（上升沿or下降沿）定义了SPI的4种工作模式（工作模式0，1，2，3）。在W5500中只支持工作模式0和3，在这两种模式下数据总是在SCLK信号的上升沿被锁存，在SCLK信号的下降沿被输出。

   Screen Shot 2020-08-29 at 4.11.16 PM.png

2. 根据W5500与主控芯片的连接方式不同，W5500的SPI可以工作在两种模式下：

• 变数据长度模式（VDM）

  Screen Shot 2020-08-29 at 4.10.28 PM.png

• 定数据长度模式（FDM）

  Screen Shot 2020-08-29 at 4.10.50 PM.png

W5500的SPI数据帧格式

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1. 偏移地址域（16bits）：MSB到LSB传输，支持连续读写模式，该模式下偏移地址自动加1。

2. 控制字域（8bits）：

   1. 包括块选择位（4bits）：选择W5500内存中的不同块，包括普通寄存器和8个socket寄存器及相应的发送/接收寄存器。

   2. 读写控制位：0为读， 1 为写。

   3. 模式选择位：配置W5500的SPI工作模式，配置定义如下表

      OM[0:1]值	模式
      00	可变数据长度模式，Nbytes数据域
      01	固定数据长度模式，N=1
      10	固定数据长度模式，N=2
      11	固定数据长度模式，N=4

3. 数据域（N*8bits）：MSB到LSB传输的数据

W5500的内存分布结构

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W5500的内部存储包括：

1. 1个普通寄存器block：这里配置了W5500的一些基本信息，如网络配置（IP，MAC地址，Socket中断配置等等）

2. 8个Socket寄存器block：这里配置了每个Socket对应的信息，如Socket的模式，命令，状态，中断信息等。

3. 8个Socket对应的接收缓冲寄存器block（共16k）：初始时每个Socket分配为2k的缓存，用户可以自己重新通过修改相应的配置寄存器进行修改，但是要保证分配给8个Socket的缓冲大小之和不能超过16k，否则会报错。

4. 8个Socket对应的发送缓冲寄存器block（共16k）：同3

三. W5500官方库移植

W5500官方库介绍：

wiznet公司为了方便芯片使用者进行软件开发，提供了相应的芯片底层驱动库，在这个库中实现了：

1. 对W5500的硬件抽象，用户只需要将主控芯片的SPI驱动函数注册到W5500中即可以实现主控芯片和W5500之间的数据交互。

2. 实现了TCP/IP协议的接口，官方库中实现了BSD风格的Socket接口可供用户直接调用。

3. 提供了一些应用层协议开发的接口实现，如FTP， HTTP，MQTT等。

官方库使用github托管，链接地址为：

[wiznet/ioLibrary] Https://github.com/Wiznet/ioLibrary_Driver

W5500官方库移植方法

1. 下载或clone官方库到本地，选择需要的文件添加到自己的工程当中，官方库的文件架构如下：

   w5500_ioLibrary.jpeg
   

   Ethernet文件夹下包含的是以太网相关协议的实现，一般都是必须的（选择相应的芯片类型添加），而internet文件夹下则是一些应用层协议的实现，可以根据自己的需要进行添加。

2. 根据实际使用的芯片和硬件架构修改wizchip_conf.h头文件中的定义，如：

   1. 根据实际使用的芯片修改芯片型号定义（WIZCHIP宏），默认为W5100S，使用W5500芯片时只需要改为：

           #define _WIZCHIP_              W5500
      

   2. 找到W5500对应的宏定义配置处，修改W5500与主控芯片的通信配置信息，对于W5500来说只有SPI这一种接口，这里只需要根据自己的需求选择SPI的两种工作模式：VDM和FDM，例如治理选择VDM模式：

          #define   _WIZCHIP_IO_MODE_       _WIZCHIP_IO_MODE_SPI_VDM
      

   3. 在wizchip_conf.h文件中有对W5500芯片的封装，该文件中提供了很多函数注册的接口，用于实现用户定义的SPI驱动函数接口和W5500官方库的硬件抽象接口之间的连接。因此只需要按照官方库中的定义实现相关的SPI驱动函数，然后再调用官方库中提供的注册函数将这些驱动函数进行注册，就能够打通主控芯片与W5500芯片之间的数据交互，实现驱动移植。

   4. 新建两个SPI驱动的接口文件，例如：w5500_interface.h和w5500_interface.c。然后在文件中实现以下底层的驱动函数：

        void CS_Select(void); //片选使能
        void CS_deSelect(void);   //片选清使能
        void SPI_Write_Byte(uint8_t byte);    //写单子节
        uint8_t SPI_Read_Byte(void);      //读单子节
        /* 丛发模式读数据 */
        void SPI_Read_Burst(uint8_t *buff, uint16_t len);
        /* 丛发模式写数据 */
        void SPI_Write_Burst(uint8_t *buff, uint16_t len);
      

   5. 编写W5500的初始化函数：

          void w5500_init(void);              
      

      在该函数中调用官方库提供的注册函数，将步骤4中实现的底层SPI驱动函数进行注册。