MCU微課堂

CKS32F107XX系列以太網(wǎng)介紹（一）

第七十一期 2026.03.03

以太網(wǎng)簡介

以太網(wǎng)（Ethernet）是一種計算機局域網(wǎng)技術(shù)。IEEE 802.3制定了以太網(wǎng)的技術(shù)標準，它規(guī)定了包括物理層的連線、電子信號、介質(zhì)訪問控制的內(nèi)容。

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

TCP/IP協(xié)議

Transmission Control Protocol/Internet Protocol傳輸協(xié)議（TCP/IP）：即傳輸控制/網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，也叫網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，TCP/IP傳輸協(xié)議對互聯(lián)網(wǎng)中各部分進行通信的標準和方法進行了規(guī)定。

通常說的TCP/IP協(xié)議是一個龐大的協(xié)議族，它是眾多網(wǎng)絡(luò)協(xié)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(xié)議。

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

TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)分層如圖1，以TCP/IP 五層模型舉例通常包括如下： 應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。

圖1 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)分層

1.應(yīng)用層

TCP/IP協(xié)議的第一層，其主要工作就是定義數(shù)據(jù)格式并按照對應(yīng)的格式解讀數(shù)據(jù)，是直接為應(yīng)用進程提供服務(wù)的。

2.傳輸層

作為TCP/IP協(xié)議的第二層，傳輸層的主要工作是定義端口，標識應(yīng)用程序身份，實現(xiàn)端口到端口的通信，TCP協(xié)議可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3.網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層在TCP/IP協(xié)議中的位于第三層，主要工作是定義網(wǎng)絡(luò)地址、區(qū)分網(wǎng)段、子網(wǎng)內(nèi)MAC尋址、對于不同子網(wǎng)的數(shù)據(jù)包進行路由，在TCP/IP協(xié)議中網(wǎng)絡(luò)層可以進行網(wǎng)絡(luò)連接的建立和終止以及IP尋址等功能。路由器屬于網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備。

IP 地址是 Internet Protocol（互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議）中定義的地址，用于在網(wǎng)絡(luò)上唯一標識一個設(shè)備。IP 地址在網(wǎng)絡(luò)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(shù)，范圍是0-255，之間用點(".")分隔，如下圖2。

圖2 網(wǎng)絡(luò)IP地址組成

4.數(shù)據(jù)鏈路層

在TCP/IP協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)幀，然后以廣播的形式通過物理介質(zhì)發(fā)送給接收方。網(wǎng)卡、交換機 屬于數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備。

在數(shù)據(jù)鏈路層，每個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有一個MAC地址（Media Access Control Address）。MAC 地址是設(shè)備出廠時就固化在網(wǎng)卡中的，用于在局域網(wǎng)中設(shè)備的唯一標識。

5.物理層

也稱電氣層，屬于協(xié)議棧最底層；通常由 PHY 芯片 + 特定電路 + 傳輸介質(zhì) 組成；傳輸介質(zhì)包括：同軸電纜、雙絞線、光纖等。網(wǎng)絡(luò)中繼器屬于物理層設(shè)備。

CKS32F107XX以太網(wǎng)模塊

CKS32F107xx系列內(nèi)部集成了一個以太網(wǎng)控制器，實際是一個通過DMA控制器進行介質(zhì)訪問控制（MAC），功能是實現(xiàn)MAC層的任務(wù)，該控制器可以通過以太網(wǎng)外設(shè)按照 IEEE 802.3-2002 標準發(fā)送和接收 MAC 數(shù)據(jù)包。

CKS32F107xx以太網(wǎng)控制器支持兩個工業(yè)標準接口介質(zhì)獨立接口(MII)和簡化介質(zhì)獨立接口(RMII)用于與外部 PHY 芯片連接。MII和RMII接口用于MAC數(shù)據(jù)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(wǎng)控制器適用于各類應(yīng)用，如交換機、網(wǎng)絡(luò)接口卡等。CKS32F107xx 以太網(wǎng)模塊符合以下的標準：

（1）IEEE 802.3-2002 標準的以太網(wǎng)MAC協(xié)議。

（2）IEEE 1588-2002 網(wǎng)路精確時鐘同步標準。

（3）AMBA2.0 標準的 AHB 主/從端口。

（4）RMII 協(xié)會定義的 RMII 標準。

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

圖3 CKS32F107XX 以太網(wǎng)系統(tǒng)功能框圖

1.SMI、MII、RMII物理層接口

站管理接口 (SMI) 允許應(yīng)用程序通過 2 線（時鐘和數(shù)據(jù)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(zhì)訪問接口（MII/RMII） 定義了 10 Mbit/s 和 100 Mbit/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率下 MAC 層與 PHY 層之間的互連。

CKS32F107xx 以太網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)控制器

MAC 模塊實現(xiàn)了LAN CSMA/CD 的子層，適用于10Mbps 和100Mbps 數(shù)據(jù)傳輸率的基帶和寬帶系統(tǒng)，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(xiàn)如下功能：數(shù)據(jù)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(zhì)訪問管理、介質(zhì)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(shù)據(jù)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(nèi)循環(huán)，可用于調(diào)試。支持全雙工和半雙工操作。

（2）在發(fā)送時插入前導(dǎo)符和幀開始數(shù)據(jù)(SFD)，在接收時去掉這些域；以幀為單位，自動計算CRC和產(chǎn)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(jié)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(fā)送和接收的數(shù)據(jù)包，返回獨立的32位狀態(tài)信息；支持檢測接收到幀的IEEE 802.1Q VLAN標簽；應(yīng)用程序有獨立的發(fā)送、接收和控制接口。

（4）支持使用RMON/MIB計數(shù)器 ( RFC2819/RFC2665 ) 進行強制性的網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計；檢測LAN喚醒幀和AMD的Magic PacketTM幀。

（5）對IPv4和由以太網(wǎng)幀封裝的TCP數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(wǎng)幀時間戳，在每個幀的接收或發(fā)送狀態(tài)中加上64位的時間戳。

（7）兩套FIFO：一個2K字節(jié)的傳輸FIFO，帶可編程的發(fā)送閾值，和一個2K字節(jié)的接收FIFO，帶可編程的接收閾值(默認值是64字節(jié))； 在接收FIFO的EOF后插入接收狀態(tài)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(tài)信息。

（8）可以濾掉接收到的錯誤幀，并在存儲-轉(zhuǎn)發(fā)模式下，不向應(yīng)用程序轉(zhuǎn)發(fā)錯誤的幀。可以轉(zhuǎn)發(fā)“好”的短幀給應(yīng)用程序；支持產(chǎn)生脈沖來統(tǒng)計在接收FIFO中丟失和破壞(由于溢出)的幀數(shù)目；對于MAC控制器的數(shù)據(jù)傳輸，支持存儲-轉(zhuǎn)發(fā)機制。根據(jù)接收FIFO的填充程度(閾值可編程)，自動向MAC控制器產(chǎn)生PAUSE幀或背壓信號。

（9）在發(fā)送時，如遇到?jīng)_突可以自動重發(fā)；支持在遲到?jīng)_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(fā)送FIFO。

（10）在存儲-轉(zhuǎn)發(fā)模式下，在要發(fā)送的幀內(nèi)，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(shù)據(jù)傳送給CKS32F107xx 的接收緩存，把CKS32F107xx 發(fā)送緩存里的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。DMA 具有獨立的發(fā)送和接收控制器，發(fā)送控制器負責把數(shù)據(jù)從系統(tǒng)存儲器轉(zhuǎn)送至發(fā)送FIFO，而接收控制器負責把數(shù)據(jù)從接收FIFO 讀出到系統(tǒng)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(xiàn)數(shù)據(jù)從源頭到目的之間的移動。

CKS32F107xx 以太網(wǎng)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(fā)傳輸；在AHB主接口下，軟件可以選擇AHB突發(fā)傳輸?shù)念愋?，可以選擇來自AHB主接口的地址對齊的突發(fā)傳輸。

（2）可配置發(fā)送與接收DMA突發(fā)傳輸長度，傳輸以幀分隔符為界的數(shù)據(jù)幀。優(yōu)化總線使用。

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

（4）支持以字節(jié)對齊的方式對數(shù)據(jù)緩存區(qū)尋址；雙緩存區(qū)（環(huán)）或鏈表形式的描述符列表；描述符的架構(gòu)，使得大量的數(shù)據(jù)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(jié)的數(shù)據(jù)。

（5）可以設(shè)置以不同的操作條件產(chǎn)生對應(yīng)的中斷；每個幀發(fā)送/接收完成時產(chǎn)生中斷。 同時也支持用輪換或固定優(yōu)先級方式，仲裁DMA發(fā)送和接收控制器的優(yōu)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(xié)議，常用于通信網(wǎng)絡(luò)中確保設(shè)備間的時間一致性。CKS32F107xx ETH 模塊的 PTP 功能包含如下特點：

（1）設(shè)置接收和發(fā)送幀的時間戳。

（2）粗調(diào)和細調(diào)的校正方法。

（3）當系統(tǒng)時間比目標時間大時，觸發(fā)中斷。

（4） (通過MCU的復(fù)用功能I/O)輸出秒脈沖。