單芯片解決方案，開啟全新體驗——W55MH32 高性能以太網(wǎng)單片機(jī)

W55MH32是WIZnet重磅推出的高性能以太網(wǎng)單片機(jī)，它為用戶帶來前所未有的集成化體驗。這顆芯片將強(qiáng)大的組件集于一身，具體來說，一顆W55MH32內(nèi)置高性能Arm? Cortex-M3核心，其主頻最高可達(dá)216MHz；配備1024KB FLASH與96KB SRAM，滿足存儲與數(shù)據(jù)處理需求；集成TOE引擎，包含WIZnet全硬件TCP/IP協(xié)議棧、內(nèi)置MAC以及PHY，擁有獨立的32KB以太網(wǎng)收發(fā)緩存，可供8個獨立硬件socket使用。如此配置，真正實現(xiàn)了All-in-One解決方案，為開發(fā)者提供極大便利。

在封裝規(guī)格上，W55MH32提供了兩種選擇：QFN100和QFN68。

W55MH32L采用QFN100封裝版本，尺寸為12x12mm，其資源豐富，專為各種復(fù)雜工控場景設(shè)計。它擁有66個GPIO、3個ADC、12通道DMA、17個定時器、2個I2C、5個串口、2個SPI接口（其中1個帶I2S接口復(fù)用）、1個CAN、1個USB2.0以及1個SDIO接口。如此豐富的外設(shè)資源，能夠輕松應(yīng)對工業(yè)控制中多樣化的連接需求，無論是與各類傳感器、執(zhí)行器的通信，還是對復(fù)雜工業(yè)協(xié)議的支持，都能游刃有余，成為復(fù)雜工控領(lǐng)域的理想選擇。同系列還有QFN68封裝的W55MH32Q版本，該版本體積更小，僅為8x8mm，成本低，適合集成度高的網(wǎng)關(guān)模組等場景，軟件使用方法一致。更多信息和資料請進(jìn)入http://www.w5500.com/網(wǎng)站或者私信獲取。

此外，本W(wǎng)55MH32支持硬件加密算法單元，WIZnet還推出TOE+SSL應(yīng)用，涵蓋TCP SSL、HTTP SSL以及 MQTT SSL等，為網(wǎng)絡(luò)通信安全再添保障。

為助力開發(fā)者快速上手與深入開發(fā)，基于W55MH32L這顆芯片，WIZnet精心打造了配套開發(fā)板。開發(fā)板集成WIZ-Link芯片，借助一根USB C口數(shù)據(jù)線，就能輕松實現(xiàn)調(diào)試、下載以及串口打印日志等功能。開發(fā)板將所有外設(shè)全部引出，拓展功能也大幅提升，便于開發(fā)者全面評估芯片性能。

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第二十四章 W55MH32TCP_Client_Multi_Socket示例

本篇文章，我們將詳細(xì)介紹如何在W55MH32芯片上面實現(xiàn)TCP通信。使用W55MH32的TOE引擎，我們只需進(jìn)行簡單的socket編程及寄存器讀寫，便可輕松實現(xiàn)TCP協(xié)議應(yīng)用。接下來我們通過實戰(zhàn)例程，為大家講解如何使用TOE引擎上的8個socket，設(shè)置為TCP Client模式，同時連接1個服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)回環(huán)測試。

該例程用到的其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，例如DHCP，請參考相關(guān)章節(jié)。有關(guān)W55MH32的初始化過程，請參考Network Install章節(jié)，這里將不再贅述。

1 TCP協(xié)議簡介

TCP (Transmission Control Protocol)是一種面向連接的、可靠的傳輸層協(xié)議，它用于在網(wǎng)絡(luò)中可靠地傳輸數(shù)據(jù)。TCP是互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議族中的核心協(xié)議之一，通常與 IP協(xié)議（Internet Protocol）一起使用，形成套接字通信。

2 TCP協(xié)議特點

面向連接：在傳輸數(shù)據(jù)之前，TCP需要建立一個連接，保證發(fā)送方與接收方能夠彼此通信。通過三次握手（Three-Way Handshake）過程來建立連接，確保雙方的通信是可靠的。

可靠性：TCP提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，確保數(shù)據(jù)完整并且按順序到達(dá)接收端。如果數(shù)據(jù)丟失或出錯，TCP會自動重傳丟失的數(shù)據(jù)包。

流量控制：TCP使用流量控制機(jī)制來調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)的發(fā)送速度，防止接收方處理不過來導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。常用的流量控制方法是滑動窗口（Sliding Window）。

擁塞控制：TCP可以動態(tài)調(diào)整傳輸速率，以避免網(wǎng)絡(luò)擁塞。采用算法如慢啟動、擁塞避免、快速重傳等。

全雙工通信：在 TCP連接建立后，數(shù)據(jù)可以在兩個方向同時進(jìn)行傳輸，支持雙向通信。

有序數(shù)據(jù)傳輸：TCP會對數(shù)據(jù)包進(jìn)行編號，確保數(shù)據(jù)按順序傳輸，即使網(wǎng)絡(luò)發(fā)生延遲，接收端也能按順序接收到數(shù)據(jù)。

字節(jié)流服務(wù)：TCP傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是字節(jié)流，不關(guān)心應(yīng)用層數(shù)據(jù)的邊界，應(yīng)用層需要自己解析數(shù)據(jù)邊界。

3 TCP與 UDP的區(qū)別

TCP是可靠的、面向連接的協(xié)議，適合需要數(shù)據(jù)完整性和順序保證的應(yīng)用，如網(wǎng)頁瀏覽、文件傳輸?shù)取?/p>

UDP（User Datagram Protocol）是無連接、不可靠的協(xié)議，適合對時效性要求較高且可以容忍丟包的應(yīng)用，如視頻流、在線游戲等。

4 TCP應(yīng)用場景

接下來，我們了解下在W55MH32上，可以使用TCP協(xié)議完成哪些操作及應(yīng)用呢？

遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集：嵌入式設(shè)備通常用于采集傳感器數(shù)據(jù)，并通過以太網(wǎng)連接上傳到遠(yuǎn)程服務(wù)器，TCP協(xié)議確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院屯暾浴?/p>

設(shè)備遠(yuǎn)程控制：許多嵌入式系統(tǒng)需要通過網(wǎng)絡(luò)接收控制指令（例如工業(yè)自動化中的PLC控制），TCP協(xié)議提供了可靠的通信通道。

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）：許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備使用TCP協(xié)議與云服務(wù)器或其他設(shè)備進(jìn)行通信，傳輸數(shù)據(jù)、執(zhí)行命令等。

嵌入式Web服務(wù)器：一些嵌入式設(shè)備內(nèi)置Web服務(wù)器（例如路由器、網(wǎng)關(guān)、傳感器設(shè)備等），通過TCP協(xié)議提供網(wǎng)頁接口給用戶進(jìn)行配置和監(jiān)控。

5使用TCP進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的流程

TCP 連接建立（三次握手）

在開始傳輸數(shù)據(jù)之前，TCP會通過三次握手建立連接：

第一次握手：客戶端向服務(wù)器發(fā)送一個帶有 SYN標(biāo)志的數(shù)據(jù)包，表示請求建立連接。

第二次握手：服務(wù)器收到 SYN數(shù)據(jù)包后，回復(fù)一個帶有 SYN和 ACK標(biāo)志的數(shù)據(jù)包，表示同意建立連接。

第三次握手：客戶端收到服務(wù)器的 SYN+ACK后，發(fā)送一個帶有 ACK標(biāo)志的數(shù)據(jù)包，連接建立完成。

數(shù)據(jù)交互

TCP 連接斷開（四次揮手）

當(dāng)通信結(jié)束時，TCP需要通過四次揮手來斷開連接：

第一次揮手：客戶端發(fā)送一個 FIN 數(shù)據(jù)包，表示數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，準(zhǔn)備關(guān)閉連接。

第二次揮手：服務(wù)器收到 FIN數(shù)據(jù)包后，回復(fù)一個 ACK數(shù)據(jù)包，表示同意關(guān)閉連接。

第三次揮手：服務(wù)器發(fā)送一個 FIN 數(shù)據(jù)包，表示數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，準(zhǔn)備關(guān)閉連接。

第四次揮手：客戶端收到服務(wù)器的 FIN數(shù)據(jù)包后，發(fā)送一個 ACK數(shù)據(jù)包，連接正式關(guān)閉。

ACK字段：ACK包含在 TCP報文頭中，表示接收方期望接收的下一個字節(jié)的序列號。

TCP 3次握手示意圖

TCP 4次揮手示意圖

6 TCP的ACK機(jī)制、重傳機(jī)制和Keepalive機(jī)制

TCP的ACK機(jī)制

ACK是 TCP用于確認(rèn)已成功接收到數(shù)據(jù)包的機(jī)制。在 TCP通信中，每個數(shù)據(jù)包都包含一個序列號，接收方用 ACK來告訴發(fā)送方已經(jīng)成功收到的字節(jié)序列。

累積確認(rèn)：TCP使用累積確認(rèn)方式，表示接收方已經(jīng)連續(xù)收到所有數(shù)據(jù)，直到某個序列號為止。

超時重傳：如果發(fā)送方在超時時間內(nèi)未收到 ACK，就會重傳該數(shù)據(jù)包。

TCP 的重傳機(jī)制

TCP的重傳機(jī)制保證了數(shù)據(jù)的可靠傳輸。以下是常見的重傳機(jī)制：

超時重傳：

發(fā)送方設(shè)置一個定時器，當(dāng)發(fā)送的數(shù)據(jù)包在規(guī)定時間內(nèi)未收到 ACK，則觸發(fā)重傳。

超時時間是動態(tài)調(diào)整的，由 TCP的往返時間（RTT, Round Trip Time）估算得出。

快速重傳：

當(dāng)接收方發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失時，發(fā)送重復(fù)的 ACK（稱為冗余 ACK），提醒發(fā)送方某個數(shù)據(jù)包未到達(dá)。

如果發(fā)送方連續(xù)收到 3個重復(fù)的 ACK，就會立即重傳對應(yīng)的數(shù)據(jù)包，而不必等待超時。

選擇性重傳（Selective Repeat, SACK）：

在累積確認(rèn)的基礎(chǔ)上，TCP還可以通過 SACK選項告訴發(fā)送方哪些特定的塊已收到，哪些未收到。

這可以減少不必要的重傳，提高效率。

TCP Keepalive機(jī)制

TCP Keepalive是 TCP協(xié)議的一種可選機(jī)制，用于檢測長時間空閑的連接是否仍然有效。它的主要作用是：

維護(hù)連接狀態(tài)：檢測對方主機(jī)是否仍在線，避免資源被長期占用。

釋放死連接：如果連接已經(jīng)失效（如網(wǎng)絡(luò)中斷或?qū)Ψ街鳈C(jī)崩潰），Keepalive可以及時釋放資源。

防止中間設(shè)備超時關(guān)閉連接：一些 NAT、路由器或防火墻可能會在連接長時間不活動時自動關(guān)閉，Keepalive可防止這種情況。

用法：在W55MH32的TOE引擎中，需要在Sn_KPALVTR寄存器中設(shè)置Keepalive時間，然后在成功連接服務(wù)器后發(fā)送一條數(shù)據(jù)來激活Keepalive。

7實現(xiàn)過程

接下來，我們看看如何在代碼中實現(xiàn)同時開啟8個socket進(jìn)行回環(huán)測試。

注意：測試實例需要PC端和W55MH32處于同一網(wǎng)段。

首先需要在主函數(shù)中調(diào)用multi_tcpc_socket()函數(shù)。

 while(1)
     {
         multi_tcpc_socket(ethernet_buf, dest_ip, dest_port);
    }

multi_tcpc_socket()函數(shù)有三個參數(shù)：ethernet_buf作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，用于在客戶端和服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸。

dest_ip代表目標(biāo)服務(wù)器的 IP地址。dest_port是目標(biāo)服務(wù)器的端口號。

multi_tcpc_socket()函數(shù)內(nèi)容如下：

 1. int32_t multi_tcpc_socket(uint8_t*buf,uint8_t*destip,uint16_t destport)
 2. {
 3.     int32_t ret;// return value for SOCK_ERRORs
 4.     uint16_t size=0, sentsize=0;
 5.     // Socket Status Transitions
 6.     // Check the W5500 Socket n status register (Sn_SR, The 'Sn_SR' controlled by Sn_CR command or Packet send/recv status)
 7.     switch(getSn_SR(socket_sn))
 8.     {
 9.     case SOCK_ESTABLISHED:
10.         if(getSn_IR(socket_sn)&Sn_IR_CON)// Socket n interrupt register mask; TCP CON interrupt = connection with peer is successful
11.         {
12. #ifdef _LOOPBACK_DEBUG_
13.             printf("%d:Connected to - %d.%d.%d.%d : %drn", socket_sn, destip[0], destip[1], destip[2], destip[3], destport);
14. #endif
15.             setSn_IR(socket_sn,Sn_IR_CON);// this interrupt should be write the bit cleared to '1'
16.         }
17.         //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
18.         // Data Transaction Parts; Handle the [data receive and send] process
19.         //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
20.         if((size= getSn_RX_RSR(socket_sn))>0)// Sn_RX_RSR: Socket n Received Size Register, Receiving data length
21.         {
22.             if(size> DATA_BUF_SIZE)
23.                 size= DATA_BUF_SIZE;              // DATA_BUF_SIZE means user defined buffer size (array)
24.             ret      = recv(socket_sn, buf, size);// Data Receive process (H/W Rx socket buffer -> User's buffer)
25.             buf[size]=0x00;
26.             printf("%d:rece from %d.%d.%d.%d:%d data:%srn", socket_sn, destip[0], destip[1], destip[2], destip[3], destport, buf);
27.             if(ret<=?0)
28.                 return ret;?// If the received data length <= 0, receive failed and process end
29.             size?    =?(uint16_t)ret;
30.             sentsize?=?0;
31. 
32.             // Data sentsize control
33.             while?(size?!= sentsize)
34.             {
35.                 ret?= send(socket_sn, buf?+ sentsize, size?- sentsize);?// Data send process (User's buffer -?> Destination through H/W Tx socket buffer)
36.                 if(ret

	

	在這個函數(shù)中，會運(yùn)行一個TCP Client狀態(tài)機(jī)，基于不同的的SOCKET的狀態(tài)執(zhí)行對應(yīng)的操作，SOCKET的狀態(tài)變化如下圖所示：

	

	SOCK_CLOSED：當(dāng)前SOCKET未打開，配置連接服務(wù)器及連接端口號后打開SOCKET，打開成功后SOCKET會進(jìn)入SOCK_INIT狀態(tài)。

	注意：因為在W55MH32異常斷開服務(wù)器時，服務(wù)器并不知道我們已經(jīng)掉線了，所以繼續(xù)使用上一次連接的端口進(jìn)行連接時會被服務(wù)器拒絕連接，因此我們這里在連接失敗后會將連接端口自動加1，解決重連失敗的問題。如果是在一些特定的場景下，服務(wù)器只允許客戶端使用固定端口連接，這里就不能使用連接端口自動加1的操作。

	SOCK_INIT:SOCKET執(zhí)行連接服務(wù)器操作，如果連接成功，SOCKET狀態(tài)改為SOCK_ESTABLISHED；連接失敗，SOCKET狀態(tài)改為關(guān)閉狀態(tài)。

	SOCK_ESTABLISHED：首先清除連接成功中斷，并發(fā)送1包數(shù)據(jù)激活KeepAlive，然后讀取Sn_RX_RSR（空閑接收緩存寄存器）寄存器的值，當(dāng)收到服務(wù)器數(shù)據(jù)時，Sn_RX_RSR寄存器的值會大于0，此時我們將接收到的數(shù)據(jù)打印并將數(shù)據(jù)回環(huán)發(fā)送。

	SOCK_CLOSE_WAIT：當(dāng)服務(wù)器主動斷開連接時，SOCKET狀態(tài)改為SOCK_CLOSE_WAIT狀態(tài)，這是一個半關(guān)閉狀態(tài)，可以進(jìn)行關(guān)閉前最后的數(shù)據(jù)傳輸。使用disconnect()函數(shù)徹底斷開連接時，SOCKET狀態(tài)將改為SOCK_CLOSED狀態(tài)。

	執(zhí)行完狀態(tài)機(jī)后，會自動切換到下一個socket，這樣就能實現(xiàn)同時開啟8個socket進(jìn)行TCP Client模式的數(shù)據(jù)回環(huán)測試了。

	8運(yùn)行結(jié)果

	燒錄例程運(yùn)行后，首先進(jìn)行了PHY鏈路檢測，然后打印設(shè)置的網(wǎng)絡(luò)地址信息，最后則是TCP_Client_Multi_Socket數(shù)據(jù)回環(huán)測試。當(dāng)服務(wù)器未開啟時，會一直打印打開socket和連接服務(wù)器提示消息。

	

	9總結(jié)

	本文講解了如何在 W55MH32芯片上使用 8個 socket實現(xiàn) TCP客戶端模式，同時連接 1個服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)回環(huán)測試，通過實戰(zhàn)例程展示了從初始化 socket到建立連接、數(shù)據(jù)交互及處理連接關(guān)閉的完整過程。文章詳細(xì)介紹了 TCP協(xié)議的概念、特點、與 UDP的區(qū)別、應(yīng)用場景、數(shù)據(jù)交互流程、ACK機(jī)制、重傳機(jī)制和 Keepalive機(jī)制，幫助讀者理解其在可靠數(shù)據(jù)傳輸中的實際應(yīng)用價值。

	下一篇文章將講解如何在 W55MH32上實現(xiàn)多路 Socket設(shè)置為 TCP服務(wù)器模式，并監(jiān)聽同一個端口進(jìn)行測試，解析該功能的核心原理及應(yīng)用，同時講解在 W55MH32上實現(xiàn)該功能的具體步驟與要點，敬請期待！

	WIZnet是一家無晶圓廠半導(dǎo)體公司，成立于 1998年。產(chǎn)品包括互聯(lián)網(wǎng)處理器 iMCU?，它采用 TOE（TCP/IP卸載引擎）技術(shù)，基于獨特的專利全硬連線 TCP/IP。iMCU?面向各種應(yīng)用中的嵌入式互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

	WIZnet在全球擁有 70多家分銷商，在香港、韓國、美國設(shè)有辦事處，提供技術(shù)支持和產(chǎn)品營銷。

	香港辦事處管理的區(qū)域包括：澳大利亞、印度、土耳其、亞洲（韓國和日本除外）。

	審核編輯 黃宇