14-以太网通信与W5500.md 15 KB
tags: [source-summary] type: source source: "尚硅谷嵌入式技术之STM32单片机（高级篇）V2.0.1 — 第2章：以太网 + 配套代码05~09" author: "尚硅谷研究院" date: 2026-07-15
created: 2026-07-15
以太网通信与W5500
用生活理解：W5500 就像一个自带"同声传译"的网卡芯片——你只需要用 SPI 告诉它"我要连哪台机器、哪个端口"，它自己就把 TCP/IP 协议栈这些复杂工作全干了。你的单片机完全不用关心三次握手、重传、分片这些事，只管发/收数据就好。
互联网基础
OSI 7 层模型 vs TCP/IP 4 层模型
| OSI 7 层 | TCP/IP 4 层 | 代表协议 | 功能 |
|---|---|---|---|
| 应用层 | 应用层 | HTTP, FTP, MQTT, DNS | 为用户提供网络应用服务 |
| 表示层 | ↓ | SSL/TLS | 数据加密/解密、压缩 |
| 会话层 | ↓ | SOCKS | 建立/管理/终止会话 |
| 传输层 | 传输层 | TCP, UDP | 端到端通信、可靠传输 |
| 网络层 | 网络层 | IP, ICMP, ARP | 路由寻址、分组转发 |
| 数据链路层 | 网络接口层 | Ethernet, MAC | 帧封装、介质访问 |
| 物理层 | ↓ | 以太网物理层 | 比特流传输、信号编码 |
TCP vs UDP
| 特性 | TCP | UDP |
|---|---|---|
| 连接 | 面向连接（三次握手） | 无连接 |
| 可靠性 | 可靠（确认重传） | 不可靠（最大努力交付） |
| 顺序 | 按序交付 | 不保证顺序 |
| 速度 | 较慢 | 快速 |
| 适用场景 | Web、文件传输、邮件 | 视频流、DNS、IoT 传感器数据 |
常见协议
| 协议 | 端口 | 功能 |
|---|---|---|
| HTTP | 80 | Web 网页访问 |
| HTTPS | 443 | 加密 Web 访问 |
| DNS | 53 | 域名→IP 解析 |
| DHCP | 67/68 | 自动分配 IP 地址 |
| MQTT | 1883 | IoT 轻量级消息协议 |
W5500 芯片详解
W5500 是韩国 WIZnet 公司生产的全硬件 TCP/IP 协议栈芯片。不需要在单片机端运行 TCP/IP 协议栈——W5500 内部硬件实现。
| 特性 | 值 |
|---|---|
| 接口 | SPI（最高 80MHz，可变长数据帧模式） |
| 协议 | TCP, UDP, ICMP, IPv4, ARP, IGMP, PPPoE |
| Socket | 8 个独立 Socket（同时支持 8 个连接） |
| 内部 RAM | 32KB（Tx/Rx 可分配给各 Socket） |
| MAC + PHY | 内置（10/100Mbps 自适应） |
| 封装 | LQFP48 |
参考：W5500 数据手册（WIZnet 官网）
W5500 接入框图
STM32F103ZET6 W5500
┌──────────────┐ ┌──────────┐ ┌──────┐
│ SPI2_SCK ├────── PB13(SCK) ────→│ SCLK │ │RJ45 │
│ SPI2_MOSI ├────── PB15(MOSI) ───→│ MOSI ├────┤带有 │
│ SPI2_MISO ├────── PB14(MISO) ←──┤ MISO │ │网络 │
│ PD3(CS) ├────────────────────→│ nSCS │ │变压 │
│ PG6(INT) │←────────────────────┤ INTn │ │器 │
│ PG7(RST) ├────────────────────→│ RSTn │ └──────┘
│ │ │ │
│ SPI2 │ │内置MAC+PHY│
└──────────────┘ └──────────┘
W5500 内部架构
SPI 接口 ←→ 寄存器管理单元 ←→ 通用寄存器(模式/MAC/IP等)
←→ Socket 寄存器(8个Socket,各512字节)
←→ Tx/Rx 存储器(32KB 可分配)
←→ TCP/IP 内核(硬件实现)
↓
MAC + PHY ←→ 以太网口
W5500 SPI 可变长数据帧模式
W5500 的 SPI 数据帧与普通 SPI Flash 不同，分为控制字节 + 数据：
帧格式: [地址偏移(1B)] [控制字节(1B)] [数据(N字节)]
控制字节:
[7:5] = 块选择 (000=通用寄存器, 001=Socket寄存器, 010=Tx缓冲区, 011=Rx缓冲区)
[4:2] = 读写模式
[1] = 可变长模式 1=VDM (推荐)
[0] = 1=读, 0=写
W5500 官方库移植步骤
- 从 WIZnet 官网下载 W5500 官方库
- 复制
Ethernet/目录到项目 - 修改
wizchip_conf.h中的 SPI 接口函数 实现以下底层函数：
void SPI_CS_Select(void); // 芯片选择 void SPI_CS_Deselect(void); // 取消片选 uint8_t SPI_ReadWrite(uint8_t byte); // SPI 读写1字节调用
wizchip_init()和wizchip_setnetinfo()初始化
实验：W5500 TCP Server
软件设计
项目路径：stm32/05_ethernet_test_register ~ stm32/09_ethernet_webserver_register
文件：stm32/05_ethernet_test_register/Hardware/SPI/spi.h
/*
* @Author: wushengran
* @Date: 2024-10-09 16:17:42
* @Description:
*
* Copyright (c) 2024 by atguigu, All Rights Reserved.
*/
#ifndef __SPI_H
#define __SPI_H
#include "stm32f10x.h"
// 宏定义操作总线的引脚
// CS - PD3
#define CS_HIGH (GPIOD->ODR |= GPIO_ODR_ODR3)
#define CS_LOW (GPIOD->ODR &= ~GPIO_ODR_ODR3)
// 初始化
void SPI_Init(void);
// SPI通信的开启和关闭
void SPI_Start(void);
void SPI_Stop(void);
// 一个时钟周期内，交换一个字节数据
uint8_t SPI_SwapByte(uint8_t byte);
#endif
文件：stm32/05_ethernet_test_register/Hardware/SPI/spi.c
/*
* @Author: wushengran
* @Date: 2024-10-09 16:17:30
* @Description:
*
* Copyright (c) 2024 by atguigu, All Rights Reserved.
*/
#include "spi.h"
// 初始化
void SPI_Init(void)
{
// 1. 开启时钟
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPBEN;
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPDEN;
RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_SPI2EN;
// 2. GPIO配置模式
// 2.1 CS - PD3：通用推挽输出，CNF = 00，MODE = 11
GPIOD->CRL |= GPIO_CRL_MODE3;
GPIOD->CRL &= ~GPIO_CRL_CNF3;
// 2.2 SCK - PB13：复用推挽输出，CNF = 10，MODE = 11
GPIOB->CRH |= GPIO_CRH_MODE13;
GPIOB->CRH |= GPIO_CRH_CNF13_1;
GPIOB->CRH &= ~GPIO_CRH_CNF13_0;
// 2.3 MOSI - PB15：复用推挽输出，CNF = 10，MODE = 11
GPIOB->CRH |= GPIO_CRH_MODE15;
GPIOB->CRH |= GPIO_CRH_CNF15_1;
GPIOB->CRH &= ~GPIO_CRH_CNF15_0;
// 2.4 MISO - PB14：浮空输入，CNF = 01，MODE = 00
GPIOB->CRH &= ~GPIO_CRH_MODE14;
GPIOB->CRH &= ~GPIO_CRH_CNF14_1;
GPIOB->CRH |= GPIO_CRH_CNF14_0;
// 3. SPI模块配置
// 3.1 配置模式参数
// 3.1.1 设为主模式
SPI2->CR1 |= SPI_CR1_MSTR;
// 3.1.2 选择软件控制片选，SSI置为高电平
SPI2->CR1 |= SPI_CR1_SSM;
SPI2->CR1 |= SPI_CR1_SSI;
// 3.1.2 SPI通信模式设为模式0：CPOL = 0，CPHA = 0
SPI2->CR1 &= ~(SPI_CR1_CPOL | SPI_CR1_CPHA);
// 3.2 设置波特率：时钟分频系数，000 - 2分频，18MHz
SPI2->CR1 &= ~SPI_CR1_BR;
// SPI2->CR1 |= SPI_CR1_BR_0;
// 3.3 配置帧格式参数
// 3.3.1 数据帧长度：0 - 8位
SPI2->CR1 &= ~SPI_CR1_DFF;
// 3.3.2 数据传输顺序：0 - MSB先发
SPI2->CR1 &= ~SPI_CR1_LSBFIRST;
// 3.4 使能SPI
SPI2->CR1 |= SPI_CR1_SPE;
}
// SPI通信的开启和关闭，通过片选信号控制
void SPI_Start(void)
{
CS_LOW;
}
void SPI_Stop(void)
{
CS_HIGH;
}
// 一个时钟周期内，交换一个字节数据
uint8_t SPI_SwapByte(uint8_t byte)
{
// 1. 将要发送的数据写入发送缓冲区
// 1.1 等待发送缓冲区为空（TXE = 1）
while ((SPI2->SR & SPI_SR_TXE) == 0 )
{}
// 1.2 将数据写入DR
SPI2->DR = byte;
// 2. 获取接收到的数据并返回
// 2.1 等待接收缓冲区非空（RXNE = 1）
while ( (SPI2->SR & SPI_SR_RXNE) == 0 )
{}
// 2.2 将DR中数据返回
return (uint8_t)(SPI2->DR & 0xff);
}
文件：stm32/09_ethernet_webserver_register/Interface/Ethernet/eth.h
/*
* @Author: wushengran
* @Date: 2024-12-24 14:38:01
* @Description:
*
* Copyright (c) 2024 by atguigu, All Rights Reserved.
*/
#ifndef __ETH_H
#define __ETH_H
#include "w5500.h"
#include <stdio.h>
// 初始化
void ETH_Init(void);
#endif
文件：stm32/09_ethernet_webserver_register/Interface/Ethernet/eth.c
/*
* @Author: wushengran
* @Date: 2024-12-24 14:37:53
* @Description:
*
* Copyright (c) 2024 by atguigu, All Rights Reserved.
*/
#include "eth.h"
#include "delay.h"
// 定义W5500的IP地址、MAC地址、子网掩码和网关地址
uint8_t ip[4] = {192, 168, 44, 222};
uint8_t mac[6] = {110, 120, 130, 140, 150, 160};
uint8_t submask[4] = {255, 255, 255, 0};
uint8_t gateway[4] = {192, 168, 44, 1};
// 复位W5500
static void ETH_Reset(void);
// 配置 MAC 地址
static void ETH_SetMac(void);
// 配置 IP 地址、子网掩码和网关
static void ETH_SetIP(void);
// 初始化
void ETH_Init(void)
{
// 0. SPI 初始化
SPI_Init();
// 1. 注册自定义回调函数
user_register_function();
// 2. 复位W5500
ETH_Reset();
// 3. 配置 MAC 地址
ETH_SetMac();
// 4. 配置 IP 地址、子网掩码和网关
ETH_SetIP();
}
// 复位W5500
static void ETH_Reset(void)
{
// 1. 配置RST引脚-PG7
// 1.1 开启时钟
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPGEN;
// 1.2 配置工作模式：通用推挽输出，MODE - 11，CNF - 00
GPIOG->CRL |= GPIO_CRL_MODE7;
GPIOG->CRL &= ~GPIO_CRL_CNF7;
// 2. 拉低RST引脚，等待500us以上
GPIOG->ODR &= ~GPIO_ODR_ODR7;
Delay_us(800);
GPIOG->ODR |= GPIO_ODR_ODR7;
printf("W5500 复位完成！\n");
}
// 配置 MAC 地址
static void ETH_SetMac(void)
{
printf("开始配置 MAC 地址：\n");
setSHAR(mac);
printf("MAC 地址配置完成：%X-%X-%X-%X-%X-%X\n", mac[0], mac[1], mac[2], mac[3], mac[4], mac[5]);
}
// 配置 IP 地址、子网掩码和网关
static void ETH_SetIP(void)
{
printf("开始配置 IP 地址：\n");
// 配置IP
setSIPR(ip);
// 配置子网掩码
setSUBR(submask);
// 配置网关地址
setGAR(gateway);
printf("IP 地址配置完成：%d.%d.%d.%d\n", ip[0], ip[1], ip[2], ip[3]);
}
文件：stm32/09_ethernet_webserver_register/App/Web/web_server.h
/*
* @Author: wushengran
* @Date: 2024-12-25 16:35:51
* @Description:
*
* Copyright (c) 2024 by atguigu, All Rights Reserved.
*/
#ifndef __WEB_SERVER_H
#define __WEB_SERVER_H
#include "httpServer.h"
#include "led.h"
#include <string.h>
// 初始化Web服务器
void WebServer_Init(void);
// 运行Web服务器
void WebServer_Start(void);
#endif
文件：stm32/09_ethernet_webserver_register/App/Web/web_server.c
/*
* @Author: wushengran
* @Date: 2024-12-25 16:35:46
* @Description:
*
* Copyright (c) 2024 by atguigu, All Rights Reserved.
*/
#include "web_server.h"
// 全局变量定义，初始化Web服务器需要的参数
uint8_t txBuff[2048] = {0};
uint8_t rxBuff[2048] = {0};
uint8_t socketCount = 8;
uint8_t socketList[] = {0,1,2,3,4,5,6,7};
uint8_t *contentName = "index.html";
uint8_t content[] = "<!doctype html>\n"
"<html lang=\"en\">\n"
"<head>\n"
" <meta charset=\"GBK\">\n"
" <meta name=\"viewport\"\n"
" content=\"width=device-width, user-scalable=no, initial-scale=1.0, maximum-scale=1.0, minimum-scale=1.0\">\n"
" <meta http-equiv=\"X-UA-Compatible\" content=\"ie=edge\">\n"
" <title>尚硅谷嵌入式课程</title>\n"
"\n"
" <style type=\"text/css\">\n"
" #open_red{\n"
" color: red;\n"
" width: 100px;\n"
" height: 40px;\n"
"\n"
"\n"
" }\n"
" #close_red{\n"
" color: black;\n"
" width: 100px;\n"
" height: 40px;\n"
" }\n"
" </style>\n"
"</head>\n"
"<body>\n"
"<a href=\"/index.html?action=1\"><button id=\"open_red\" >开灯</button></a>\n"
"<a href=\"/index.html?action=2\"><button id=\"close_red\" >关灯</button></a>\n"
"<a href=\"/index.html?action=3\"><button id=\"close_red\" >翻转</button></a>\n"
"</body>\n"
"</html>";
// 初始化Web服务器
void WebServer_Init(void)
{
// 1. 初始化LED
LED_Init();
// 2. 初始化http服务器
httpServer_init(txBuff, rxBuff, socketCount, socketList);
// 3. 注册html页面，告诉Web服务器需要响应的数据，即页面
reg_httpServer_webContent(contentName, content);
}
// 运行Web服务器
void WebServer_Start(void)
{
for (uint8_t i = 0; i < sizeof(socketList); i++)
{
httpServer_run(i);
}
}
// 内部函数
// 解析URL中的action
static uint8_t parse_url_action(uint8_t *url);
// 根据action执行LED控制
static void do_led_action(uint8_t action);
void handler_user_function(uint8_t *url)
{
// 1. 从URL解析出action的值
uint8_t action = parse_url_action(url);
// 2. 根据action的值，执行相应的LED控制
do_led_action(action);
}
// 解析URL中的action
static uint8_t parse_url_action(uint8_t *url)
{
// 查找action=字符串的位置
uint8_t *pAction = (uint8_t *)strstr((char *)url, "action=");
if (pAction == NULL)
{
return '0';
}
else
{
return *(pAction + 7);
}
}
// 根据action执行LED控制
static void do_led_action(uint8_t action)
{
if (action == '1')
{
LED_On(LED_2);
}
else if (action == '2')
{
LED_Off(LED_2);
}
else if (action == '3')
{
LED_Toggle(LED_2);
}
}
核心函数速查表（W5500 Socket API）
| 函数 | 说明 |
|---|---|
socket(sn, protocol, port, flag) |
创建 Socket，返回句柄（-1 失败） |
close(sn) |
关闭 Socket |
listen(sn) |
TCP Server 开始监听 |
connect(sn, ip, port) |
TCP Client 连接远端 |
accept(sn) |
接受连接（返回新 Socket 句柄） |
send(sn, data, len) |
发送数据 |
recv(sn, buffer) |
接收数据（返回实际接收长度） |
setsockopt(sn, option, value) |
设置 Socket 选项 |
getsockopt(sn, option) |
获取 Socket 状态 |
常见问题与避坑
- W5500 不工作 → 确认 SPI 通信（示波器看 SCK/MOSI）、检查晶振（25MHz）是否起振
- Ping 不通 → 检查 IP/子网掩码/网关配置、检查以太网物理层（RJ45 链接灯亮？）
- TCP 连接频繁断开 → W5500 在无数据时可能进入节能模式，需定期发送心跳包
- W5500 官方库移植注意 → 必须实现
SPI_CS_Select/Deselect和SPI_ReadWrite，并注册到库中 - Socket 资源不足 → W5500 最多 8 个 Socket，每个需要分配 Tx/Rx 缓冲区，注意 32KB 的总量分配
- HTTP 响应只发一次 → HTTP/1.1 默认为 keep-alive，如需短连接在响应头加
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