四、W5100S/W5500+RP2040树莓派Pico＜TCP Server数据回环测试＞

文章目录

1. 前言
2. 协议简介
- 2.1 简述
- 2.2 优点
- 2.3 应用
3. WIZnet以太网芯片
4. TCP Server数据回环测试
- 4.1 程序流程图
- 4.2 测试准备
- 4.3 连接方式
- 4.4 相关代码
- 4.5 测试现象
5. 注意事项
6. 相关链接

1. 前言

在计算机网络中，TCP Server是不可或缺的角色，它负责监听和响应来自客户端的连接请求，处理数据交换，并提供一种可靠、稳定和高效的网络通信服务。

本文将以TCP Server为核心，将设备在TCP Server模式下进行数据回环测试。

W5100S/W5500是一款集成全硬件 TCP/IP 协议栈的嵌入式以太网控制器，同时也是一颗工业级以太网控制芯片。在以太网应用中使用 W5500 让用户可以更加方便地在设备之间实现远程连接和通信。

2. 协议简介

2.1 简述

TCP (Transmission Control Protocol) 是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输协议，用于在计算机网络上传输数据。TCP Server是指TCP网络服务的服务器端连接，用于接收客户端的连接请求并建立连接，实现网络数据的交互。
TCP Server的主要作用是监听客户端的连接请求，并建立与管理连接，实现数据的可靠传输。通过TCPServer，多个客户端可以同时与服务器建立连接，实现数据的多点传输。
在TCP Server中，服务器程序需要指定监听的端口号，并使用TCP协议与客户端建立连接。一旦有客户端连接进来，服务器程序就会为每个客户端建立一个单独的连接，并通过数据流对象 (NetworkStream) 与客广端进行数据交互。
因此，TCP Server可以帮助设备实现多点数据交互，是设备联网通信的重要方式之一。在工业自动化、物联网、智能家居等应用中，TCP Server被广泛使用。

2.2 优点

支持多个客户端同时连接：TCP服务器能够同时处理多个客户端的连接请求，使得多个客户端可以同时与服务器进行数据交互。
不阻塞服务器主线程：TCP服务器在设计时通常采用异步编程，主线程不会被阻塞，可以继续处理其他任务或接受新的连接请求。
高可靠性：TCP协议通过确认机制和重传机制来确保数据传输的正确性和可靠性，避免数据丢失或乱序。
全双工方式传输：TCP协议支持全双工方式传输，使得数据的发送和接收可以同时进行，提高了数据传输的效率。
采用字节流方式传输：TCP协议以字节为单位传输字节序列，这种方式灵活简便，可以适应不同大小的数据传输需求。
紧急数据传送功能：TCP协议支持紧急数据传送功能，使得服务器可以优先处理紧急数据，提高了系统的响应速度和实时性。

2.3 应用

数据库连接：TCPServer可监听来自客户端的连接请求，为每个请求创建一个新的线程，处理客户端的请求，并返回响应。
文件传输：使用TCPServer可以构建一个可靠的文件传输服务，客户端和服务器之间建立连接后，可以使用输入/输出流来传输文件。
实时通信：TCPServer可以用于构建实时通信系统，如聊天应用或在线游戏等。
远程服务：通过TCPServer，可以提供远程服务，例如远程数据库访问、远程文件访问等。
网络游戏：网络游戏是TCPServer最常见的用途之一，游戏客户端和服务器之间通过TCP连接进行通信，服务器处理游戏逻辑并返回响应。
电子商务：TCPServer可以用于电子商务应用，例如处理用户登录、支付和购物车等。

3. WIZnet以太网芯片

Model	Embedded Core	Host I/F	TX/RX Buffer	HW Socket	Network Performance
W5100S	TCP/IPv4， MAC & PHY	8bit BUS, SPI	16KB	4	Max.25Mbps
W6100	TCP/IPv4/IPv6, MAC & PHY	8bit BUS, Fast SPI	32KB	8	Max.25Mbps
W5500	TCP/IPv4, MAC & PHY	Fast SPI	32KB	8	Max 15Mbps

W5100S/W6100 支持 8bit数据总线接口，网络传输速度会优于W5500。
W6100 支持IPV6，与W5100S 硬件兼容，若已使用W5100S的用户需要支持IPv6，可以Pin to Pin兼容。
W5500 拥有比 W5100S更多的 Socket数量以及发送与接收缓存

4. TCP Server数据回环测试

4.1 程序流程图

在这里插入图片描述

4.2 测试准备

软件：

Visual Studio Code
WIZnet UartTool
SocketTester

硬件：

W5100SIO模块 + RP2040 树莓派Pico开发板或者 WIZnet W5100S-EVB-Pico开发板
Micro USB 接口的数据线
TTL 转 USB
网线

4.3 连接方式

通过数据线连接PC的USB口（主要用于烧录程序，也可以虚拟出串口使用）
通过TTL串口转USB，连接UART0 的默认引脚：
- RP2040 GPIO 0（UART0 TX） <----> USB_TTL_RX
- RP2040 GPIO 1（UART0 RX） <----> USB_TTL_TX
使用模块连接RP2040进行连线时
- RP2040 GPIO 16 <----> W5100S MISO
- RP2040 GPIO 17 <----> W5100S CS
- RP2040 GPIO 18 <----> W5100S SCK
- RP2040 GPIO 19 <----> W5100S MOSI
- RP2040 GPIO 20 <----> W5100S RST
通过网线直接连接PC网口（或：PC和设备都通过网线连接交换机或路由器LAN口）

4.4 相关代码

我们直接打开tcp_server.c文件（路径：examples/tcp_server/tcp_server.c）看下具体实现：

可以看到这里是以dhcp模式配置网络信息的，因此在主控和W5100S初始化完成后，会进行DHCP初始化，然后增加一个定时器初始化，用来做dhcp过程中的计时以进行超时处理；接着进入dhcp配置网络信息，成功则直接进入循环调用回环测试函数，失败则用我们初始化的静态I网络信息进行配置，然后再进入循环调用回环测试函数，如下所示：

/* Network information to be configured. */
wiz_NetInfo net_info = {
    .mac = {0x00, 0x08, 0xdc, 0x1e, 0xed, 0x2e}, // Configured MAC address
    .ip = {192, 168, 1, 10},                     // Configured IP address
    .sn = {255, 255, 255, 0},                    // Configured subnet mask
    .gw = {192, 168, 1, 1},                      // Configured gateway
    .dns = {8, 8, 8, 8},                         // Configured domain address
    .dhcp = NETINFO_DHCP};                       // Configured dhcp model,NETINFO_DHCP:use dhcp; NETINFO_STATIC: use static ip.

wiz_NetInfo get_info;
static uint8_t ethernet_buf[ETHERNET_BUF_MAX_SIZE] = {
    0,
};                                   // Send and receive cache
static uint16_t local_port = 8000;   // Local port
static uint8_t dhcp_get_ip_flag = 0; // Define the DHCP acquisition flag

int main()
{
    struct repeating_timer timer; // Define the timer structure

    /* MCU init */
    stdio_init_all();     // Initialize the main control peripheral
    wizchip_initialize(); // Initialize the chip interface

    /*dhcp init*/
    DHCP_init(SOCKET_ID, ethernet_buf);                                   // DHCP initialization
    add_repeating_timer_ms(1000, repeating_timer_callback, NULL, &timer); // Add DHCP 1s Tick Timer handler

    printf("wiznet chip tcp server example.\r\n");
    network_init(&net_info);              // Configuring Network Information
    print_network_information(&get_info); // Read back the configuration information and print it

    while (true)
    {
        loopback_tcps(SOCKET_ID, ethernet_buf, local_port); // tcp server data loop test
    }
}

跳进回环测试里面看下其具体实现：该函数有这几个参数，socket端口号、数据收发缓存、目标IP地址、目标端口；可根据需要自行填入参数。其整体通过一个Swatch状态机轮询socket状态，根据不同进行相应的处理，依次完成了初始化、打开端口、连接服务器、收到数据后回传的操作；其中本地端口直接在函数内初始化了。如下所示：

/**
 * @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 : %d\r\n",sn, destip[0], destip[1], destip[2], destip[3], destport);
#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);
         buf[ret]=0x00;
         printf("recv: %s\n",buf); //print the receive data.
			if(ret <= 0) return ret;      // check SOCKERR_BUSY & SOCKERR_XXX. For showing the occurrence of SOCKERR_BUSY.
			size = (uint16_t) ret;
			sentsize = 0;

			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:CloseWait\r\n",sn);
#endif
         if((ret = disconnect(sn)) != SOCK_OK) return ret;
#ifdef _LOOPBACK_DEBUG_
         printf("%d:Socket Closed\r\n", sn);
#endif
         break;
      case SOCK_INIT :
#ifdef _LOOPBACK_DEBUG_
    	 printf("%d:Listen, TCP server loopback, port [%d]\r\n", sn, port);
#endif
         if( (ret = listen(sn)) != SOCK_OK) return ret;
         break;
      case SOCK_CLOSED:
#ifdef _LOOPBACK_DEBUG_
         //printf("%d:TCP server loopback start\r\n",sn);
#endif
         if((ret = socket(sn, Sn_MR_TCP, port, 0x00)) != sn) return ret;
#ifdef _LOOPBACK_DEBUG_
         //printf("%d:Socket opened\r\n",sn);
#endif
         break;
      default:
         break;
   }
   return 1;
}

4.5 测试现象

硬件连接无误后，编译烧录程序（具体可参考第一章节），选择对应的COM口，打开WIZ UartTool，填入参数：波特率115200，8位数据位，1位停止位，无校验位，无流控，填完参数后点击open打开，观察串口打印的信息以获取设备运行状态；打开SocketTester，在左列填入相对应的参数，TCP client模式，根据串口打印的信息，填入IP和端口，完成后点击Connect连接，连接成功后发送数据观察现象；可以看到数据成功发送并成功回传，如下图所示：

在这里插入图片描述