请问以太网和FreeRTOS如何实现socket通信？

实现STM32F407+FreeRTOS+Ethernet(DP83848)+Lwip实现socket通信，在实现之前我们先来了解下几点储备知识









一. 以太网行业标准MII/RMII

1 以太网接口MII,RMII

MII即“媒体独立接口”，也叫“独立于介质的接口”。它是IEEE-802.3定义的以太网行业标准。它包括一个数据接口，以及一个MAC和PHY之间的管理接口。
RMII全称为“简化的媒体独立接口”，是IEEE-802.3u标准中除MII接口之外的另一种实现。
1.1. 独立于介质的接口（MII）

独立于介质的接口(MII)用于MAC与外接的PHY互联，支持10Mbit/s和100Mbit/s数据传输模式。MII的信号线如下图所示：

• MII_TX_EN：传输使能信号，此信号必需与数据前导符的起始位同步出现，并在传输完毕前一直保持。      
  
• MII_TX_CLK：发送数据使用的时钟信号，对于10M位/s的数据传输，此时钟为2.5MHz，对于100M位/s的数据传输，此时钟为25MHz。
  
• MII_TXD[3:0]：发送数据线，每次传输4位数据，数据在MII_TX_EN信号有效时有效。MII_TXD[0]是数据的最低位，MII_TXD[3]是最高位。当MII_TX_EN信号无效时，PHY忽略传输的数据。
  
• MII_RX_ER：接收出错信号，保持一个或多个时钟周期(MII_RX_CLK)的有效状态，表明MAC在接收过程中检测到错误。具体错误原因需配合MII_RX_DV的状态及MII_RXD[3:0]的数据值。  
  
• MII_RX_DV：接收数据使能信号，由PHY控制，当PHY准备好数据供MAC接收时，使能该信号。此信号必需和帧数据的首位同步出现，并保持有效直到数据传输完成。在传送最后4位数据后的第一个时钟之前，此信号必需变为无效状态。为了正确的接收一个帧，有效电平不能滞后于数据线上的SFD位出现。
  
• MII_RX_CLK：接收数据使用的时钟信号，对于10M位/s的数据传输，此时钟为2.5MHz，对于100M位/s的数据传输，此时钟为25MHz。   
  
• MII_RXD[3:0]：接收数据线，每次接收4位数据，数据在MII_RX_DV信号有效时有效。MII_RXD[0]是数据的最低位，MII_RXD[3]是最高位。当MII_RX_EN无效，而MII_RX_ER有效时，MII_RXD[3:0]数据值代表特定的信息(请参考表194)。                          
  
• MII_CRS：载波侦听信号，仅工作在半双工模式下，由PHY控制，当发送或接收的介质非空闲时，使能此信号。 PHY必需保证MII_CRS信号在发生冲突的整个时间段内都保持有效，不需要此信号与发送/接收的时钟同步。
  
• MII_COL：冲突检测信号，仅工作在半双工模式下，由PHY控制，当检测到介质发生冲突时，使能此信号，并且在整个冲突的持续时间内，保持此信号有效。此信号不需要和发送/接收的时钟同步。
  
  

1.2 精简的独立于介质的接口（RMII）

精简的独立于介质接口(RMII)规范减少了以太网通信所需要的引脚数。根据IEEE802.3标准，MII接口需要16个数据和控制信号引脚，而RMII标准则将引脚数减少到了7个。RMII具有以下特性：

时钟信号需要提高到50MHz.MAC和外部的以太网PHY需要使用同样的时钟源 ，使用2位宽度的数据收发   
RMII的信号线如下图所示：





1.3 时钟源

1）MII时钟源
为了产生TX_CLK和RX_CLK时钟信号，外接的PHY模块必需有来自外部的25MHz时钟驱动。该时钟不需要与MAC时钟相同。可以使用外部的25MHz晶体。当时钟来源MCO引脚时需配置合适的PLL，保证MCO引脚输出的时钟为25MHZ。
2）RMII时钟源
通过将相同的时钟源接到MAC和以太网PHY的REF_CLK引脚保证两者时钟源的同步。可以通过外部的50MHZ信号或者GD32F107xx微控制器的MCO引脚提供这一时钟。当时钟来源MCO引脚时需配置合适的PLL，保证MCO引脚输出的时钟为50MHZ。   
3）总结
采用MII接口，PYH的时钟频率要求25M，不需要与MAC层时钟一致。
采用RMII接口，PYH的时钟频率要求50M，需与MAC层时钟一致，通常从MAC层获取该时钟源。

二. 以太网芯片(DP83848介绍)

芯片datasheet如下：
dp83848c.pdf
1. DP83848芯片概述

DP83848是TI出的一款以太网物理层IC，有以下feature





一般工规芯片选择DP83848I就行了





2. DP83848引脚介绍

2.1 Serial Management Interface






2.2 MAC Data Interface
















2.3 Clock Interface






2.4 LED Interface






2.5 Reset and Power Down






3. DP83848中断寄存器

这个在后面移植的low_level_init会用到



























三. CubeMx配置以太网芯片DP83848

1. DP83848 GPIO配置






HR91105A是这个





CubeMx GPIO配置如下（通过原理图可以看到是RMII接口）：





2. Cubemx Advanced Paramter配置

这里会牵扯到三个配置：
2.1 External PHY Configuration






此部分一共牵扯到以下部分：
PHY: 外部PHY芯片，我们开发板是选择的这个DP83848,所以默认可以直接勾选上
PHY Address Value: 外部PHY芯片的地址，可以看到DP83848芯片是根据map来的，默认PHYAD0是默认上拉的，PHYAD[4:1]是默认下来的，所以默认地址是0x01





其他默认配置就行了！
2.2 Common:External PHY Configuration






这个我们选择默认就好
2.3 Extended:External PHY Configuration






这个我们选择默认就好
四. lwip介绍

LwIP 全名：Light weight IP，意思是轻量化的 TCP/IP 协议，是瑞典计算机科学院 (SICS) 的 Adam Dunkels 开发的一个小型开源的 TCP/IP 协议栈。LwIP 的设计初衷是：用少量的资源消耗实现一个较为完整的TCP/IP 协议栈，其中“完整”主要指的是 TCP 协议的完整性，实现的重点是在保持 TCP 协议主要功能的基础上减少对 RAM 的占用。此外 LwIP 既可以移植到操作系统上运行，也可以在无操作系统的情况下独立运行。
LwIP 具有主要特性：

• 支持 ARP 协议（以太网地址解析协议）。
  
• 支持 ICMP 协议（控制报文协议），用于网络的调试与维护。
  
• 支持 IGMP 协议（互联网组管理协议），可以实现多播数据的接收。
  
• 支持 UDP 协议 (用户数据报协议)。
  
• 支持 TCP 协议 (传输控制协议)，包括阻塞控制、RTT 估算、快速恢复和快速转发。
  
• 支持 PPP 协议（点对点通信协议），支持 PPPoE。
  
• 支持 DNS（域名解析）。
  
• 支持 DHCP 协议，动态分配 IP 地址。
  
• 支持 IP 协议，包括 IPv4、IPv6 协议，支持 IP 分片与重装功能，多网络接口下的数据包转发。
  
• 支持 SNMP 协议（简单网络管理协议）。
  
• 支持 AUTOIP，自动 IP 地址配置。
  
• 提供专门的内部回调接口 (Raw API)，用于提高应用程序性能。
  
• 提供可选择的 Socket API、NETCONN API (在多线程情况下使用) 。
  
  

LwIP 在嵌入式中使用有以下优点：

• 资源开销低，即轻量化。LwIP 内核有自己的内存管理策略和数据包管理策略，使得内核处理数据包的效率很高。另外，LwIP 高度可剪裁，一切不需要的功能都可以通过宏编译选项去掉。LwIP 的流畅运行需要40KB 的代码 ROM 和几十 KB 的 RAM，这让它非常适合用在内存资源受限的嵌入式设备中。
  
• 支持的协议较为完整。几乎支持 TCP/IP 中所有常见的协议，这在嵌入式设备中早已够用。
  
• 实现了一些常见的应用程序：DHCP 客户端、DNS 客户端、HTTP 服务器、MQTT 客户端、TFTP 服务器、SNTP 客户端等等。
  
• 同时提供了三种编程接口：RAW API、NETCONN API （注：NETCONN API 即为 SequentialAPI，为了统一，下文均采用 NETCONN API）和 Socket API。这三种 API 的执行效率、易用性、可移植性以及时空间的开销各不相同，用户可以根据实际需要，平衡利弊，选择合适的 API 进行网络应用程序的开发。
  
• 高度可移植。其源代码全部用 C 实现，用户可以很方便地实现跨处理器、跨编译器的移植。另外，它对内核中会使用到操作系统功能的地方进行了抽象，使用了一套自定义的 API，用户可以通过自己实现这些 API，从而实现跨操作系统的移植工作。
  
• 开源、免费，用户可以不用承担任何商业风险地使用它。
  
• 相比于嵌入式领域其它的 TCP/IP 协议栈，比如 uC-TCP/IP、FreeRTOS-TCP 等，LwIP 的发展历史要更悠久一些，得到了更多的验证和测试。LwIP 被广泛用在嵌入式网络设备中，国内一些物联网公司推出的物联网操作系统，其 TCP/IP 核心就是 LwIP；物联网知名的 WiFi模块 ESP8266，其 TCP/IP 固件，使用的就是 LwIP。
  
  

LwIP 尽管有如此多的优点，但它毕竟是为嵌入式而生，所以并没有很完整地实现 TCP/IP 协议栈。相比于 Linux 和 Windows 系统自带的 TCP/IP 协议栈，LwIP 的功能不算完整和强大。但对于大多数物联网领域的网络应用程序，LwIP 已经足够了。
1.文件列表

可以通过这个链接去下载lwip的代码：http://download.savannah.nongnu.org/releases/lwip/
打开后就是这个模样：





文件列表大体分为几类：
1）drivers ,主要是提供一款32位的MCU(MCF5223X)部分驱动以及一款Eth的LAN芯片(CS8900A)
2）older_versions,主要是提供一些旧(1.4.0以前的版本)的lwip版本以及Contrib source code
3）contrib-xxxx，主要提供一些辅助代码(示例/移植等)
4）lwip-xxxxx,lwip对应版本的代码