MCU微課堂

CKS32F107XX系列以太網介紹（一）

第七十一期 2026.03.03

以太網簡介

以太網（Ethernet）是一種計算機局域網技術。IEEE 802.3制定了以太網的技術標準，它規定了包括物理層的連線、電子信號、介質訪問控制的內容。

需要說明的是，以太網并不等于互聯網，以太網是遵守 IEEE 802.3 標準組成的局域網，是互聯網技術的一種； IEEE 還有其它局域網標準，比如 IEEE 802.11 是無線局域網，俗稱 Wi-Fi， IEEE802.15 是個人域網，即藍牙技術，其中的 802.15.4 標準則是 ZigBee 技術。

TCP/IP協議

Transmission Control Protocol/Internet Protocol傳輸協議（TCP/IP）：即傳輸控制/網絡協議，也叫網絡通訊協議，TCP/IP傳輸協議對互聯網中各部分進行通信的標準和方法進行了規定。

通常說的TCP/IP協議是一個龐大的協議族，它是眾多網絡協議的集合，包括：ARP、IP、ICMP、UDP、TCP、DNS、DHCP、HTTP、FTP、MQTT等等。其中 TCP和IP只是其中的兩個協議。

LwIP 全名：Light weight IP，顧名思義是一個輕量化的 TCP/IP 協議， 是瑞典計算機科學院 (SICS)的 Adam Dunkels 開發的一個小型開源的 TCP/IP 協議棧。設計 LwIP 的目的：用少量的資源消耗實現一個較為完整的 TCP/IP 協議棧，常用于 ARM 嵌入式設備。

TCP/IP 網絡分層如圖1，以TCP/IP 五層模型舉例通常包括如下： 應用層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層、物理層。

圖1 TCP/IP網絡分層

1.應用層

TCP/IP協議的第一層，其主要工作就是定義數據格式并按照對應的格式解讀數據，是直接為應用進程提供服務的。

2.傳輸層

作為TCP/IP協議的第二層，傳輸層的主要工作是定義端口，標識應用程序身份，實現端口到端口的通信，TCP協議可以保證數據傳輸的可靠性。

3.網絡層

網絡層在TCP/IP協議中的位于第三層，主要工作是定義網絡地址、區分網段、子網內MAC尋址、對于不同子網的數據包進行路由，在TCP/IP協議中網絡層可以進行網絡連接的建立和終止以及IP尋址等功能。路由器屬于網絡層設備。

IP 地址是 Internet Protocol（互聯網協議）中定義的地址，用于在網絡上唯一標識一個設備。IP 地址在網絡層起作用。以IPv4舉例，IPv4地址由32位組成，通常表示為四組8位的十進制數，范圍是0-255，之間用點(".")分隔，如下圖2。

圖2 網絡IP地址組成

4.數據鏈路層

在TCP/IP協議中，網絡接口層位于第四層。主要工作就是對電信號進行分組并形成具有特定意義的數據幀，然后以廣播的形式通過物理介質發送給接收方。網卡、交換機 屬于數據鏈路層設備。

在數據鏈路層，每個網絡設備有一個MAC地址（Media Access Control Address）。MAC 地址是設備出廠時就固化在網卡中的，用于在局域網中設備的唯一標識。

5.物理層

也稱電氣層，屬于協議棧最底層；通常由 PHY 芯片 + 特定電路 + 傳輸介質 組成；傳輸介質包括：同軸電纜、雙絞線、光纖等。網絡中繼器屬于物理層設備。

CKS32F107XX以太網模塊

CKS32F107xx系列內部集成了一個以太網控制器，實際是一個通過DMA控制器進行介質訪問控制（MAC），功能是實現MAC層的任務，該控制器可以通過以太網外設按照 IEEE 802.3-2002 標準發送和接收 MAC 數據包。

CKS32F107xx以太網控制器支持兩個工業標準接口介質獨立接口(MII)和簡化介質獨立接口(RMII)用于與外部 PHY 芯片連接。MII和RMII接口用于MAC數據包傳輸，此外，還集成了站管理接口(SMI)接口專門用于與外部PHY通信，用于訪問PHY芯片寄存器。CKS32F107xx以太網控制器適用于各類應用，如交換機、網絡接口卡等。CKS32F107xx 以太網模塊符合以下的標準：

（1）IEEE 802.3-2002 標準的以太網MAC協議。

（2）IEEE 1588-2002 網路精確時鐘同步標準。

（3）AMBA2.0 標準的 AHB 主/從端口。

（4）RMII 協會定義的 RMII 標準。

CKS32F107xx ETH 系統功能框圖如圖3，按不同種類，以太網模塊(ETH)主要支持以下功能：

圖3 CKS32F107XX 以太網系統功能框圖

1.SMI、MII、RMII物理層接口

站管理接口 (SMI) 允許應用程序通過 2 線（時鐘和數據線）訪問任意 PHY 寄存器，該接口支持訪問多達 32 個 PHY 芯片。

獨立介質訪問接口（MII/RMII） 定義了 10 Mbit/s 和 100 Mbit/s 的數據傳輸速率下 MAC 層與 PHY 層之間的互連。

CKS32F107xx 以太網模塊可以通過配置AFIO_MAPR 寄存器的選擇位，可以選擇使用 MII 或者 RMII 接口。

2.MAC 802.3 網絡控制器

MAC 模塊實現了LAN CSMA/CD 的子層，適用于10Mbps 和100Mbps 數據傳輸率的基帶和寬帶系統，支持全雙工和半雙工的操作模式。支持沖突檢測的訪問方式，并且實現如下功能：數據封裝(傳送和接收)、幀的組裝(幀間隔和幀同步)、尋址(管理源地址和目的地址) 、錯誤檢測、介質訪問管理、介質分配(防止沖突)、沖突解決(處理沖突) 等。

（1）通過外接PHY接口，支持10/100Mbps的數據傳輸速率；使用SMI接口對PHY進行配置和管理。支持MII接口的內循環，可用于調試。支持全雙工和半雙工操作。

（2）在發送時插入前導符和幀開始數據(SFD)，在接收時去掉這些域；以幀為單位，自動計算CRC和產生可控制的填充位；在接收幀時，自動去除填充位/CRC為可選項；可對幀長度進行編程，支持最長為16K字節的標準幀；可對幀間隙進行編程(40~96位，以8位為單位改變) 。

（3）支持多種靈活的地址過濾模式；對于發送和接收的數據包，返回獨立的32位狀態信息；支持檢測接收到幀的IEEE 802.1Q VLAN標簽；應用程序有獨立的發送、接收和控制接口。

（4）支持使用RMON/MIB計數器 ( RFC2819/RFC2665 ) 進行強制性的網絡統計；檢測LAN喚醒幀和AMD的Magic PacketTM幀。

（5）對IPv4和由以太網幀封裝的TCP數據包的接收校驗和卸載分流功能；對IPv4報頭校驗和以及對IPv4或IPv6數據格式封裝的TCP、UDP或ICMP的校驗和進行檢查的高級接收功能。

（6）支持由IEEE 1588-2002標準定義的以太網幀時間戳，在每個幀的接收或發送狀態中加上64位的時間戳。

（7）兩套FIFO：一個2K字節的傳輸FIFO，帶可編程的發送閾值，和一個2K字節的接收FIFO，帶可編程的接收閾值(默認值是64字節)； 在接收FIFO的EOF后插入接收狀態信息，使得多個幀可以存儲在同一個接收FIFO中，而不需要開辟另一個FIFO來儲存這些幀的接收狀態信息。

（8）可以濾掉接收到的錯誤幀，并在存儲-轉發模式下，不向應用程序轉發錯誤的幀。可以轉發“好”的短幀給應用程序；支持產生脈沖來統計在接收FIFO中丟失和破壞(由于溢出)的幀數目；對于MAC控制器的數據傳輸，支持存儲-轉發機制。根據接收FIFO的填充程度(閾值可編程)，自動向MAC控制器產生PAUSE幀或背壓信號。

（9）在發送時，如遇到沖突可以自動重發；支持在遲到沖突、沖突過多、順延過多和欠載(underrun)情況下丟棄幀；支持軟件控制清空發送FIFO。

（10）在存儲-轉發模式下，在要發送的幀內，計算并插入IPv4的報頭校驗和及TCP、UDP或ICMP的校驗和。

3.DMA控制器

DMA 控制器負責把接收到的幀數據傳送給CKS32F107xx 的接收緩存，把CKS32F107xx 發送緩存里的數據發送出去。DMA 具有獨立的發送和接收控制器，發送控制器負責把數據從系統存儲器轉送至發送FIFO，而接收控制器負責把數據從接收FIFO 讀出到系統存儲器，為了把CPU 的操作減到最小，DMA 控制器利用描述符來實現數據從源頭到目的之間的移動。

CKS32F107xx 以太網模塊 DMA 控制器包括如下特點：

（1）在AHB從接口下，支持所有類型的AHB突發傳輸；在AHB主接口下，軟件可以選擇AHB突發傳輸的類型，可以選擇來自AHB主接口的地址對齊的突發傳輸。

（2）可配置發送與接收DMA突發傳輸長度，傳輸以幀分隔符為界的數據幀。優化總線使用。

（3）狀態寄存器指向當前發送/接收緩存區，無論正常傳輸還是錯誤傳輸都有完整的狀態信息報告。

（4）支持以字節對齊的方式對數據緩存區尋址；雙緩存區（環）或鏈表形式的描述符列表；描述符的架構，使得大量的數據傳輸僅需要最小量的CPU介入；每個描述符可以傳輸高達8K字節的數據。

（5）可以設置以不同的操作條件產生對應的中斷；每個幀發送/接收完成時產生中斷。 同時也支持用輪換或固定優先級方式，仲裁DMA發送和接收控制器的優先級。

（6）支持開始/停止模式。

4.PTP功能

PTP（Precision Time Protocol）是一種高精度時間同步協議，常用于通信網絡中確保設備間的時間一致性。CKS32F107xx ETH 模塊的 PTP 功能包含如下特點：

（1）設置接收和發送幀的時間戳。

（2）粗調和細調的校正方法。

（3）當系統時間比目標時間大時，觸發中斷。

（4） (通過MCU的復用功能I/O)輸出秒脈沖。