微控制器型號：STM32F407VGT

本章為系列指南第一章，主要是介紹一下專案思路，並且儘可能列出從零開始著手開發這個專案過程中，所需要理解的各類知識點，關於這些知識點，如果需要更詳細的介紹，請列為看官自行百度谷歌。

STM32F407簡介

STM32F407主頻168MHz，主頻這個數值的意義可以這麼理解：每秒執行168,000,000步簡單指令，也就是每毫秒168,000次，每微秒168次。我們工業乙太網進入實時通訊後的資料傳輸週期大概每2ms互動4次，每次60個Byte，最差的演算法複雜度計算下來需要每毫秒4 / 2 * 60byte = 120步(事實上用不了這麼多步)，而這顆STM32F07的晶片提供每毫秒168,000次操作，相差3個數量級，因此大致上看來這顆晶片是完全可以勝任的。

STM32F407可以通過多個時鐘配置方案達到最高168MHz，一般是使用外部8MHz晶振，通過鎖相環倍頻到168MHz，這個我們後面章節會講。

目前STM32晶片有三種程式碼編寫的方案：第一是暫存器方案，通過內部各種地址定義的巨集來操作，晦澀難懂，需要不停地查資料才能理解；第二種是標準庫函式方案，沿用一份很久沒有更新的標準庫進行開發，標準庫ST公司已經不打算維護升級了，但是網路上資料非常豐富；第三種是HAL庫函式方案，繼標準庫推出多年之後，ST公司推出了HAL庫函式版本的SDK，這份SDK保持維護和更新，並且ST公司在F7系列晶片上只允許這使用HAL庫函式程式設計，目前為止該庫函式版本的書籍資料並不是很豐富，值得慶幸的是正點原子團隊也率先推出了STM32F1，F4，F7全系列的HAL庫函式教程，參見：http://openedv.com/thread-13912-1-1.html 。但是針對本專案，我們依然使用標準庫函式進行開發，理由是可以參考借鑑大量的乙太網通訊實驗程式碼，以及ST官方的LWIP協議棧程式碼，畢竟這些現有成熟的程式碼還都是基於標準庫函式進行編寫的。

乙太網層次的理解，白話版

有了以上乙太網層次的理解後，我們將STM32F407的網路架構與之對照理解。

STM32F407內建了MAC層的處理能力，並且使用DMA技術強化了MAC層能力。

DMA(Direct Memory Access，直接記憶體存取)，是現代處理器一個很重要的技術，它允許不同速度的硬體裝置來溝通，也不需要依賴於CPU的大量中斷負載。如果沒有DMA，CPU需要從來源把輸入資料複製到暫存器，然後把它們再次寫回到需要使用的地方。在這個時間中，CPU對於其他的工作來說完全無法使用。

關於DMA的進一步理解：STM32F407的匯流排架構中，單獨分配了一個MAC層的DMA資料匯流排，也就是無論你用不用，核心邏輯總會在固定的時間段釋放對匯流排資料的訪問，由一段MAC層控制器來對資料匯流排上的資料進行存取處理。這段處理，是獨立於168MHz主頻之外的。如圖所示（圖片來自RM0090ST官方STM32F4手冊P50）：

擁有DMA能力的MAC層，可以在使用者程式碼完全不干預的情況下，將DMA中的資料傳送給PHY，同時在PHY接到資料後，將PHY的資料讀取到DMA中，並通知中斷。以上操作的前提是：使用者提前配置好MAC，PHY，DMA，以及中斷向量，這部分工作是這個系列的核心內容，涉及到的內容比較多，會在後續章節逐一介紹。

PHY模組

STM32F407內建的MAC層讓使用者封裝位元組資料為網路幀結構，但STM32F407並沒有能力將其傳送到電纜上去，特別是涉及到光電電磁等模擬量的訊號，沒法處理，因此需要外部PHY模組進行輔助。我們知道STM32F407是一個純數位電路晶片，而PHY需要處理的又是模擬訊號，功耗比純數位電路大很多（摸上去發燙）。因此從成本、體積、工藝等各方面考慮，ST公司並未在STM32系列晶片中增加PHY模組，而是建議使用者在PCB板上自行增加PHY模組。目前已經有一些晶片公司推出了內建PHY的晶片，不過比較少，可自行百度谷歌或者，淘寶，對，你沒聽錯，搜這方面資料時有時候淘寶比較厲害。

PHY晶片可選型號比較豐富，有純粹的PHY晶片（DP83848，LAN8720），也有整合MAC層+PHY層的晶片(ENC28J60, DM9000)，還有內建TCP/IP協議棧硬解碼的MAC+PHY晶片(W5500)。這裡要注意的是，我們這個專案涉及到工業乙太網協議，IO資料通過OSI模型中的鏈路層收發，因此千萬不能選擇整合TCP/IP協議棧的PHY晶片，那種晶片通過I2C或者SPI將TCP/UDP報文抽象出來傳送給上位機，已經將鏈路層不符合TCP/UPD規則的過濾掉了。

MAC跟PHY通訊是使用RMII或者MII介面，前者引腳使用少，頻率高；後者引腳使用多，頻率低。一般使用前者。DP83848可以使用RMII或者MII，LAN8720只可以使用RMII。無論RMII還是MII，你都只需要做個瞭解，在配置時根據電路引腳的接法，配置好。具體的時序圖不需要看，不需要你直接控制，有現成的函式幫忙。

PHY有地址的概念，MAC理論上最多能控制32個PHY（可以自己做一個32埠的交換機了）。DP83848的42-46引腳讀入自己的ADDR，MAC在通訊時可以指定其中某一ADDR進行通訊，ADDR不匹配的PHY自動忽略訊號。

Ethernet庫函式

STM32的開發環境是Keil5，通過配置Keil5，可以下載獲得STM32F4系列的SDK，也就是標準庫函式的SDK，但是這份標準庫函式裡面是沒有有關Ethernet方面的函式的，為什麼？因為ST公司認為PHY都沒整合到CPU裡面，庫函式就更沒辦法整合進去了，包括PHYADDR，MII，RMII的選擇，有的PHY甚至不使用MII或者RMII介面，而是高度封裝後使用SPI進行通訊。因此ST沒法為所有使用者提供一個通用的函式庫，但是官方提供了一個DEMO程式，該程式作用非常大，到ST官網，搜尋框輸入LWIP就能搜到這個DEMO，官方文件編號是STSW-STM32070，適用於STM32F4系列的乙太網通訊DEMO，使用LWIP協議棧，適配PHY為DP83848，正好是我們使用的這一款。

這份文件裡/STM32F4x7_ETH_LwIP_V1.1.1/Libraries/STM32F4x7_ETH_Driver下面的stm32f4x7_eth.c以及配套的.h檔案是比較關鍵的，類似於標準庫提供的那些I2C,UART,SPI等庫函式檔案。該檔案的使用方法和理解，後續章節會詳細介紹。

LWIP協議棧

LWIP是一個精簡版的TCP/IP協議棧，廣泛用於嵌入式裝置中，佔用記憶體少。

LWIP通過呼叫MAC層來實現網路通訊，呼叫的庫函式就定義在上述的STM32F4x7_ETH_Driver檔案中。

LWIP可以解決大多數應用層場景的通訊需求，比如TCP和UDP。

LWIP無法解決鏈路層的通訊問題，因此我們本專案並沒有移植LWIP，而是參考借鑑LWIP呼叫MAC層部分的程式碼，從而自己構建協議棧，完成收發包任務。

總結

以上就是整個STM32乙太網通訊的基礎知識，知識點比較零碎，我儘量用白話文把他們羅列出來，因為我也是從零開始學著做的，期間看過不少晦澀難懂的文件。在著手寫這個系列的時候，我們公司的這個專案已經被我搞定了，雖然具體實現的協議，應用的場景需要保密無法透露，但我仍然希望就STM32嵌入式乙太網通訊這個通用的問題，就我的能力講解出來，幫助有需要的朋友。