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一、ETH简介

STM32F4xx 系列操控器内部集成了一个以太网外设，它实践是一个通过 DMA 操控器进行介质拜访操控(MAC)，它的功用就是完成 MAC 层的使命。借助以太网外设，STM32F4xx 操控器能够通过 ETH 外设依照 IEEE 802.3-2002 标准发送和接纳 MAC 数据包。ETH 内部自带专用的 DMA 操控器用于 MAC，ETH 支撑两个工业标准接口介质独立接口(MII)和简化介质独立接口(RMII)用于与外部 PHY 芯片衔接。MII 和 RMII 接口用于 MAC 数据包传输，ETH 还集成了站办理接口(SMI)接口专门用于与外部 PHY 通讯，用于拜访 PHY 芯片寄存器。

物理层定义了以太网运用的传输介质、传输速度、数据编码办法和冲突检测机制，PHY 芯片是物理层功用完成的实体，日子中常用水晶头网线+水晶头插座+PHY 组合构成了物理层。

ETH 有专用的 DMA 操控器，它通过 AHB 主从接口与内核和存储器相连，AHB 主接口用于操控数据传输，而 AHB 从接口用于拜访“操控与状况寄存器”(CSR)空间。在进行数据发送是，先将数据有存储器以 DMA 传输到发送 TX FIFO 进行缓冲，然后由 MAC 内核发送；接纳数据时，RX FIFO 先接纳以太网数据帧，再由 DMA 传输至存储器。ETH 系统功用框图见下图。

二、LwIP简介

LwIP 是 Light Weight Internet Protocol 的缩写，是由瑞士计算机科学院 Adam Dunkels等开发的适用于嵌入式领域的开源轻量级 TCP/IP 协议栈。它能够移植到含有操作系统的渠道中，也能够在无操作系统的渠道下运行。由于它开源、占用的 RAM 和 ROM 比较少、支撑较为完整的 TCP/IP 协议、且非常便于裁剪、调试，被广泛运用在中低端的 32 位操控器渠道。

针对 LwIP 运用开发了测试渠道，其中有一个是在 STM32F4x7 系列操控器运行的 (文件编号为：STSW-STM32070)。

• LwIP官网：savannah.nongnu.org/projects/lw…

2.1 静态IP

静态IP地址（又称固定IP地址）是长时刻分配给一台计算机或网络设备运用的 IP 地址。一般来说，一般是特别的服务器或许采用专线上网的计算机才拥有固定的 IP 地址而且需求比较贵重的费用。静态IP是二级路由有必要用到的。

静态IP是能够直接上网的IP段，该IP在ISP装机时会划分一个IP地址给你，让计算机在衔接网络时不再主动获取网络地址，避免了网络衔接上的困扰，宽带运营商会供给一根一个IP地址、子网掩码、网关和DNS服务器地址给用户。在未运用路由器的情况下，只需求把这根入户网线衔接到电脑上，而且手动设置电脑上的IP地址，这样电脑才能上网。静态IP地址不会改变，而且首要用于互联网上的网站运用或服务。一些游戏者和运用VOIP的人往往也倾向于挑选静态IP地址，由于交流更简单。

动态IP地址和静态IP地址比较。

• 其一：为了节约lP资源，通过电话拨号、ADSL虚拟拨号等办法上网的机器是不分配固定IP地址的。而是由ISP动态临时分配，进步lP地址利用率；
• 其二：在局域网中为了客户机设置简洁，也常采用动态分配IP地址，这意味着您每次衔接互联网时得到的lP地址是不同的。尽管这不影响您拜访互联网，可是您的朋友、用户却不能拜访到您。由于，他们不知道您的计算机在哪里。这就像每个人都有一部电话，但您的电话号码天天都在改变。

三、LAN8720A简介

LAN8720A 是 SMSC 公司(已被 Microchip 公司收购)设计的一个体积小、功耗低、全能型 10/100Mbps 的以太网物理层(PHY)收发器。LAN8720A 总共只要 24Pin，仅支撑 RMII 接口。

由它组成的网络结构见下图

LAN8720A 通过 RMII 与 MAC 衔接。RJ45 是网络插座，在与 LAN8720A 衔接之间还需求一个变压器，所以一般运用带电压转换和 LED 指示灯的 HY911105A 型号的插座。一般来说，有必要为运用 RMII 接口的 PHY 供给 50MHz 的时钟源输入到 REF_CLK 引脚，不过 LAN8720A 内部集成 PLL，能够将 25MHz 的时钟源陪频到 50MHz 并在指定引脚输出该时钟，所以咱们能够直接使其与 REF_CLK 衔接到达供给 50MHz 时钟的作用。

• PHY 芯片地址设置 LAN8720A 能够通过 PHYAD0 引脚来装备，该引脚与 RXER 引脚复用，芯片内部自带下拉电阻，当硬复位完毕后， LAN8720A 会读取该引脚电平，作为器材的 SMI 地址，接下拉电阻时（浮空也能够，由于芯片内部自带了下拉电阻），设置 SMI 地址为 0，当外接上拉电阻后，能够设置为 1。

• nINT/REFCLKO 引脚功用装备 nINT/REFCLKO 引脚用于 RMII 接口中 REF_CLK 信号线

  • 当 nINTSEL 引脚为低电平时，它也能够被设置成 50MHz 时钟输出，这样能够直接与 STM32F4xx 的 REF_CLK 引脚衔接为其供给 50MHz 时钟源，这种形式要求为 XTAL1 与 XTAL2 之间或为 XTAL1/CLKIN 供给 25MHz 时钟，由 LAN8720A 内部 PLL 电路陪频得到 50MHz 时钟，此刻 nIN/REFCLKO 引脚的中止功用不可用，用于 50MHz 时钟输出。
  • 当 nINTSEL 引脚为高电平时，LAN8720A 被设置为时钟输入，即外部时钟源直接供给 50MHz 时钟接入 STM32F4xx 的 REF_CLK 引脚和 LAN8720A 的 XTAL1/CLKIN 引脚，此刻 nINT/REFCLKO 可用于中止功用。

  nINTSEL 与 LED2 引脚共用，一般运用下拉，LAN8720A 外接 25MHz 石英晶振，通过内部陪频到 50MHz，然后通过 REFCLKO 引脚，输出 50MHz 参阅时钟给 MAC 操控器。这种办法，能够降低 BOM 成本。

  • 如果不外接晶振，需求通过板子的MCO1或许MCO2通过分频倍频操作来输出50Mhz来驱动网口。

    

    

四、引脚散布

ETH 相关硬件在 STM32F4xx 操控器散布情况如下：

接口	ETH	GPIO
MII	MII_TX_CLK	PC3
MII_TXD0	PB12/PG13
MII_TXD1	PB13/PG14
MII_TXD2	PC2
MII_TXD3	PB8/PE2
MII_TX_EN	PB11/PG11
MII_RX_CLK	PA1
MII_RXD0	PC4
MII_RXD1	PC5
MII_RXD2	PB0
MII_RXD3	PB1
MII_RX_ER	PB10
MII_RX_DV	PA7
MII_CRS	PA0
MII_COL	PA3
RMII	RMII_TXD0	PB12/PG13
RMII_TXD1	PB13/PG14
RMII_TX_EN	PG11
RMII_RXD0	PC4
RMII_RXD1	PC5
RMII_CRS_DV	PA7
RMII_REF_CLK	PA1
SMI	MDIO	PA1
MDC	PC1
其他	PPS_OUT	PB5/PG8

五、新建工程

1. 翻开 STM32CubeMX 软件，点击“新建工程”

2. 挑选 MCU 和封装

3. 装备时钟 RCC 设置，挑选 HSE(外部高速时钟) 为 Crystal/Ceramic Resonator(晶振/陶瓷谐振器)

挑选 Clock Configuration，装备系统时钟 SYSCLK 为 168MHz 修正 HCLK 的值为 168 后，输入回车，软件会主动修正一切装备

4. 装备调试形式 非常重要的一步，否则会形成第一次烧录程序后续无法识别调试器 SYS 设置，挑选 Debug 为 Serial Wire

六、ETH

6.1 参数装备

在 Connectivity 中挑选 ETH 设置，形式挑选 RMII 运用简化版MII(介质独立接口)。

• MII： Medium Independent Interface(介质独立接口)，用于衔接介质拜访操控层(MAC)子层和物理层(PHY)之间的标准以太网接口，供给数据传输途径。由于 MII 需求多达16根信号线，由此发生的 I/O 口需求及功耗较大。关于 MII 接口，一般是外部为 PHY 供给 25MHz 时钟源，再由 PHY 供给 TX_CLK 和 RX_CLK 时钟，不需求与 MAC 层时钟共同。

• RMII： Reduced Medium Independent Interface，RMII 接口是 MII 接口的简化版别，MII 需求 16 根通讯线，RMII 只需 7 根通讯，在功用上是相同的。关于 RMII 接口，一般需求外部直接供给 50MHz 时钟源，同时接入 MAC 和 PHY。需与MAC层时钟共同，通常从 MAC 层获取该时钟源。现在一般都用RMII形式。

在 Parameter Settings 进行详细参数装备。

Advanced : Ethernet Media Configuration（以太网媒体装备）：

• Auto Negotiation（自适应功用）： 挑选 Enabled ，一般挑选使能自适应功用，系统会主动寻找最优作业办法，包括挑选 10MBit/s 或许 100MBit/s 的以太网速度以及全双工形式或半双工形式。LAN8720A支撑自适应功用
• Speed（以太网速度）： 可选 10MBit/s 或 100MBit/s，它设定 ETH_MACCR 寄存器的 FES 位的值，一般设置 100MBit/s，但在使能自适应功用之后该位设置无效。
• Duplex Mode（以太网作业形式）： 可选全双工形式或半双工形式，它设定 ETH_MACCR 寄存器 DM 位的值。一般挑选全双工形式，在使能了自适应功用后该成员设置无效。

General : Ethernet Configuration（以太网装备）：

• Ethernet MAC Address（以太网MAC地址）： 默许即可
• PHY Address（PHY芯片地址）： 0

注意：LAN8720A 能够通过 PHYAD0 引脚（如PHY芯片引脚10）来装备，该引脚与 RXER 引脚复用，芯片内部自带下拉电阻，当硬复位完毕后， LAN8720A 会读取该引脚电平，作为器材的 SMI 地址，接下拉电阻时（浮空也能够，由于芯片内部自带了下拉电阻），设置 SMI 地址为 0，当外接上拉电阻后，能够设置为 1。本硬件 RXER 引脚浮空，其 PHY 芯片地址为 0。

Ethernet Basic Configuration（以太网根本装备）：

• Rx Mode（接纳形式）： 挑选 Polling Mode 轮询办法。ST 官方例程文件包含了中止引脚的相关装备，首要用于指示接纳到以太网帧，咱们这儿不需求运用。
• TX IP Header Checksum Computation（发送数据校验和）： 挑选 By hardware 使能发送数据硬件校验和。这个需求硬件支撑，STM32F4xx 操控器是支撑的。

在 Advanced Parameters 进行高档参数装备。

• PHY： 挑选 user PHY，由于没有我的 PHY 芯片型号 LAN8720A
• PHY name： 可改为 PHY 芯片型号 LAN8720A

• PHY special control/status register Offset（特别操控/状况寄存器）： 依照芯片手册填写，0x1F
• PHY Speed mask（以太网速度状况位）： 依照芯片手册填写，0x0004
• PHY Speed mask（以太网作业形式状况位）： 依照芯片手册填写，0x0010
• 其他保持默许

6.2 引脚装备

GPIO 设置，在右边图中找到 ETH 对应引脚，将引脚装备成跟原理图上的共同

七、LwIP

7.1 参数装备

在 Middleware 中挑选 LWIP 设置，勾选 Enabled 使能协议栈。

在 General Settings 进行通用参数装备。

IPv4 – DHCP Options：

• LWIP_DHCP（DHCP Module）： 挑选 Disabled。运用固定IP地址。

IP Address Settings：

• IP_ADDRESS（IP Address）： 填写IP地址。
• NETMASK_ADDRESS（Netmask Address）： 填写掩码地址。
• GATEWAY_ADDRESS（Gateway Address）： 填写网关地址。

Protocols Options：

• LWIP_ICMP（ICMP Module Activation）操控报文协议： 挑选 Enabled。首要用于网络的调试与维护，ping 的时分用。
• LWIP_IGMP（IGMP Module）互联网组办理协议： 挑选 Disabled。能够完成多播数据的接纳。
• LWIP_DNS（DNS Module）域名解析： 挑选 Disabled。通过域名解析用户就能够在知道服务器域名的情况下，获得该服务器的 IP 地址。
• LWIP_UDP（UDP Module）用户数据报协议： 挑选 Enabled。看需求，一般挑选用 TCP 协议。
• MEMP_NUM_UDP_PCB（Number of UDP Connections）： UDP协议操控块数量，决议 UDP 协议操控块需求的 POOL 资源。
• LWIP_TCP（TCP Module）传输操控协议： 挑选 Enabled。
• MEMP_NUM_TCP_PCB（Number of TDP Connections）： 同时活动的TCP衔接数。

在 Key Options 进行要害选项装备。 Infrastructure – OS Awarness Option：

• NO_SYS（OS Awarness）： OS Not Used 表示无操作系统模拟层，这个宏非常重要，由于无操作系统与有操作系统的移植和编写是彻底不一样的，咱们现在是无操作系统移植。

Infrastructure – Timers Options：

• LWIP_TIMERS（Use Support For sys_timeout）： 默许 Enabled。运用 LwIP 供给的定时器，用于超时机制。

Infrastructure – Core Locking and MPU Options：

• SYS_LIGHTWEIGHT_PROT（Memory Functions Protection）： 默许 Disabled。渠道锁，维护要害区域内缓存的分配与开释。

Infrastructure – Heap and Memory Pools Options：

• MEM_SIZE（Heap Memory Size）： 默许 1600 Byte(s)。堆内存的巨细。如果运用程序将发送很多需求仿制的数据应该设置得大一点。

Infrastructure – Internal Memory Pool Sizes：

• MEMP_NUM_PBUF（Number of Memory Pool struct Pbufs）： 默许 16。memp 结构的 pbuf 数量，如果运用从 ROM 或许静态存储区发送很多数据时，这个值应该设置大一点。
• MEMP_NUM_RAW_PCB（Number of Raw Protocol Control Blocks）： 默许 4。 原始衔接（就是运用程不通过传输层直接到IP层获取数据）PCB 的数目，该项依赖 LWIP_RAW 项的开启。
• MEMP_NUM_TCP_PCB（Number of Listening TCP Connections）： 默许 8。 同时建立激活的 TCP 衔接的数目(要求参数 LWIP_TCP 使能)。
• MEMP_NUM_TCP_SEG（Number of TCP Segments simultaneously queued）： 默许 16。 最多同时在行列的 TCP_SEG 的数目。

Pbuf Options：

• PBUF_POOL_SIZE（Number of Buffers in the Pbuf Pool）： 默许 16。 内存池巨细。
• PBUF_POOL_BUFSIZE（Size of each pbuf in the pbuf pool）： 默许 592 Byte(s)。 每个 pbuf 内存池巨细。

IPv4 – ARP Options：

• LWIP_ARP（ARP Functionality）： 挑选 Enabled。 地址解析协议，通过目标设备的 IP 地址，查询目标设备的 MAC 地址，以确保通讯的 顺利进行。

Callback – TCP Options：

• TCP_TTL（Number of Time-To-Live Used by TCP Packets）： 默许 255 Node(s)。TCP TTL时刻。
• TCP_WND（TCP Receive Window Maximum Size）： 默许 2144 Byte(s)。TCP 窗口长度。
• TCP_QUEUE_OOSEQ（Allow Out-Of-Order Incoming Packets）： 默许 Enabled。TCP行列到达顺序。如果设备内存不足，则定义为0。
• TCP_MSS（Maximum Segment Size）： 默许 536 Byte(s)。最大 TCP 报文段，TCP_MSS = MTU – IP 报头巨细 – TCP 报头巨细。
• TCP_SND_BUF（TCP Sender Buffer Space）： 默许 1072 Byte(s)。TCP 发送缓冲区巨细（字节）。
• TCP_SND_QUEUELEN（TCP Sender Buffer Space）： 默许 1072 Byte(s)。TCP 发送缓冲区行列的最大长度。

Network Interfaces Options：

• LWIP_NETIF_STATUS_CALLBACK（Callback Function on Interface Status Changes）： 默许 Disabled。当 netif 状况设置为 up 或 down 时调用此函数。
• LWIP_NETIF_LINK_CALLBACK（Callback Function on Interface Link Changes）： 默许 Enabled。当 netif 链接设置为 up 或 down 时，将调用此函数。

NETIF – Loopback Interface Options：

• LWIP_NETIF_LOOPBACK（NETIF Loopback）： 默许 Disabled。支撑发送数据包的目的地 IP。

Thread Safe APIs – Socket Options：

• LWIP_SOCKET（Socket API）： 默许 Disabled。Socket API。

八、生成代码

输入项目名和项目途径

挑选运用的 IDE 开发环境 MDK-ARM V5

每个外设生成独立的 ’.c/.h’ 文件 不勾：一切初始化代码都生成在 main.c 勾选：初始化代码生成在对应的外设文件。 如 GPIO 初始化代码生成在 gpio.c 中。

点击 GENERATE CODE 生成代码

九、修正main.c

在 main() 的死循环中增加 MX_LWIP_Process() 函数。

然后加入以下代码不断打印 IP 地址。

extern struct netif gnetif;
struct dhcp *dhcp;
int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */
  /* USER CODE END 1 */
  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/
  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();
  /* USER CODE BEGIN Init */
  /* USER CODE END Init */
  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();
  /* USER CODE BEGIN SysInit */
  /* USER CODE END SysInit */
  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_LWIP_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  printf("lwip test\n");
  /* USER CODE END 2 */
  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    MX_LWIP_Process();
    /* USER CODE END WHILE */
    /* USER CODE BEGIN 3 */
      dhcp = netif_dhcp_data(&gnetif);
      printf("Static IP address: %s\n", ip4addr_ntoa(&gnetif.ip_addr));
      printf("Subnet mask: %s\n", ip4addr_ntoa(&gnetif.netmask));
      printf("Default gateway: %s\n", ip4addr_ntoa(&gnetif.gw));
      HAL_Delay(1000);
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

查看作用：

运用电脑ping上面的ip：

十、工程代码

链接：pan.baidu.com/s/1ds3cqlt1… 提取码：e4gv

十一、相关API说明

11.1 MX_LWIP_Init

初始化LwIP的内存办理和各个协议层。 按顺序执行了：

1. 网络接口的增加 netif_add()
2. 初始化底层 ethernetif_init()

然后LwIP就能够用了。

收包用的是调用 low_level_input 把数据包接回来，给 netif->input 处理。 发包则是由 netif->output 交由 etharp_output 制造数据包，调用 low_level_output 发出去。

void MX_LWIP_Init(void)
{
  /* IP addresses initialization */
  IP_ADDRESS[0] = 192;
  IP_ADDRESS[1] = 168;
  IP_ADDRESS[2] = 11;
  IP_ADDRESS[3] = 196;
  NETMASK_ADDRESS[0] = 255;
  NETMASK_ADDRESS[1] = 255;
  NETMASK_ADDRESS[2] = 255;
  NETMASK_ADDRESS[3] = 0;
  GATEWAY_ADDRESS[0] = 192;
  GATEWAY_ADDRESS[1] = 168;
  GATEWAY_ADDRESS[2] = 10;
  GATEWAY_ADDRESS[3] = 1;
  /* USER CODE BEGIN IP_ADDRESSES */
  /* USER CODE END IP_ADDRESSES */
  /* Initilialize the LwIP stack without RTOS */
  lwip_init();
  /* IP addresses initialization without DHCP (IPv4) */
  IP4_ADDR(&ipaddr, IP_ADDRESS[0], IP_ADDRESS[1], IP_ADDRESS[2], IP_ADDRESS[3]);
  IP4_ADDR(&netmask, NETMASK_ADDRESS[0], NETMASK_ADDRESS[1] , NETMASK_ADDRESS[2], NETMASK_ADDRESS[3]);
  IP4_ADDR(&gw, GATEWAY_ADDRESS[0], GATEWAY_ADDRESS[1], GATEWAY_ADDRESS[2], GATEWAY_ADDRESS[3]);
  /* add the network interface (IPv4/IPv6) without RTOS */
  // 如果有多个接口则需多次调用
  // 需求供给一个init函数指针，这个指针指向咱们自己的硬件接口初始化函数，一般来说就是ethernetif.c中的ethernetif_init()
  netif_add(&gnetif, &ipaddr, &netmask, &gw, NULL, &ethernetif_init, &ethernet_input);
  /* Registers the default network interface */
  // 将网络接口设置为默许的网络接口
  netif_set_default(&gnetif);
  // 查看是否有链接
  if (netif_is_link_up(&gnetif))
  {
    /* When the netif is fully configured this function must be called */
    // 使能网络接口 
    netif_set_up(&gnetif);
  }
  else
  {
    /* When the netif link is down this function must be called */
    // 关闭网络接口
    netif_set_down(&gnetif);
  }
  /* Set the link callback function, this function is called on change of link status*/
  netif_set_link_callback(&gnetif, ethernetif_update_config);
  /* Create the Ethernet link handler thread */
/* USER CODE BEGIN 3 */
/* USER CODE END 3 */
}

/**
 * Should be called at the beginning of the program to set up the
 * network interface. It calls the function low_level_init() to do the
 * actual setup of the hardware.
 *
 * This function should be passed as a parameter to netif_add().
 *
 * @param netif the lwip network interface structure for this ethernetif
 * @return ERR_OK if the loopif is initialized
 *         ERR_MEM if private data couldn't be allocated
 *         any other err_t on error
 */
err_t ethernetif_init(struct netif *netif)
{
  LWIP_ASSERT("netif != NULL", (netif != NULL));
#if LWIP_NETIF_HOSTNAME
  /* Initialize interface hostname */
  netif->hostname = "lwip";
#endif /* LWIP_NETIF_HOSTNAME */
  // 初始化name字段
  netif->name[0] = IFNAME0;
  netif->name[1] = IFNAME1;
  /* We directly use etharp_output() here to save a function call.
   * You can instead declare your own function an call etharp_output()
   * from it if you have to do some checks before sending (e.g. if link
   * is available...) */
#if LWIP_IPV4
#if LWIP_ARP || LWIP_ETHERNET
#if LWIP_ARP
  netif->output = etharp_output;
#else
  /* The user should write its own code in low_level_output_arp_off function */
  netif->output = low_level_output_arp_off;
#endif /* LWIP_ARP */
#endif /* LWIP_ARP || LWIP_ETHERNET */
#endif /* LWIP_IPV4 */
#if LWIP_IPV6
  netif->output_ip6 = ethip6_output;
#endif /* LWIP_IPV6 */
  netif->linkoutput = low_level_output;
  /* initialize the hardware */
  low_level_init(netif);
  return ERR_OK;
}

11.2 MX_LWIP_Process

不断地接纳来自接口的信息，并检查是否延时

/**
 * ----------------------------------------------------------------------
 * Function given to help user to continue LwIP Initialization
 * Up to user to complete or change this function ...
 * Up to user to call this function in main.c in while (1) of main(void)
 *-----------------------------------------------------------------------
 * Read a received packet from the Ethernet buffers
 * Send it to the lwIP stack for handling
 * Handle timeouts if LWIP_TIMERS is set and without RTOS
 * Handle the llink status if LWIP_NETIF_LINK_CALLBACK is set and without RTOS
 */
void MX_LWIP_Process(void)
{
/* USER CODE BEGIN 4_1 */
/* USER CODE END 4_1 */
  ethernetif_input(&gnetif);
/* USER CODE BEGIN 4_2 */
/* USER CODE END 4_2 */
  /* Handle timeouts */
  sys_check_timeouts();
/* USER CODE BEGIN 4_3 */
/* USER CODE END 4_3 */
}

十二、注意事项

用户代码要加在 USER CODE BEGIN N 和 USER CODE END N 之间，否则下次运用 STM32CubeMX 重新生成代码后，会被删去。

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• 由 Leung 写于 2022 年 8 月 25 日

• 参阅：从零开始Cubemx装备STM32搭载freeRTOS以及lwip完成tcp网络通讯（二）

　　　　STM32cubeMX装备LWIP+FREERTOS

　　　　LwIP的装备