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先楫单片机使用SPI驱动网络接口芯片W5xxx(wiznet)

先楫半导体HPMicro 2023-11-01 08:18 次阅读

一、概述

本文应用主要是使用SPI驱动wiznet网络接口芯片W5xxx,根据wiznet提供的ioLibrary_Driver库支持W5100、W5100S、W5200、W5300、W5500。主要从以下几点进行说明:

使用hpm_sdk的cmake框架对接wiznet的ioLibrary_Driver。

ioLibrary_Driver的底层读写相关操作接口注册对接。

以ioLibrary_Driver库测试wiznet的速率性能。

本文不做wiznet芯片相关寄存器阐述,只简单阐述W5xxx的通信机制。

本文以W5500作为本文测试芯片。

本文例子仓库分支地址:

https://github.com/RCSN/hpm_sdk_extra/tree/feature/add_spi_drive_wizchip_w5xxx_sample/spi_drive_wizchip_w5xxx


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二、流程


(一)使用hpm_sdk的cmake框架对接wiznet的ioLibrary_Driver

在一些开源项目上,可能并没有使用cmake来进行搭建,而hpm_sdk基于cmake构建,所以在移植的过程中,建议使用cmake框架加入开源项目。本文以对接wiznet的ioLibrary_Driver作为例子供开发者相关参考。

wiznet的ioLibrary_Driver仓库地址:

https://github.com/Wiznet/ioLibrary_Driver

里面包含了w5xxx的驱动程序以及应用程序协议,使用该库基本可以很快能对接好相应的功能实现。

需要关心的是Ethernet文件夹,里面包含了如W5500,W5300,W5200,W5100,W5100S的读写相关中间层,还提供了socket应用层操作接口。

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1、芯片读写操作层加入

在此库中,仅支持一款w5xxx,所以添加到工程,也只能是一个芯片读写操作的文件夹。在每个芯片上加入cmakelists文件,把对应的头文件包含以及添加对应的C文件。

如以下:比如W5100文件夹,使用sdk_inc和sdk_src命令,把该文件下的所需的文件进行添加以及包含该文件夹的头文件。

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2、Ethernet文件加入

外层想使用文件夹的时候,可以通过set一个参数来判断对应的芯片操作选择,然后再添加ethernet内部的socket.c和config.c文件。

通过CONFIG_WIZNET参数来进行对不同芯片加入筛选,以及加入两个宏定义,一个是给config表示目前使用的是哪个芯片,一个是让app知道引用的是哪个头文件。

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3、APP加入ioLibrary_Driver相关文件。

在本文中,使用的芯片是W5500,需要用到DHCP和ioLibrary_Driver里面application的loopback的tcp client接口,那么在app的camkelist可以做以下操作:

(1)set(CONFIG_WIZNET "w5500") 设置CONFIG_WIZNET为w5500,这样cmake到ioLibrary_Driver索引时候只添加w5500这个文件夹。

(2)add_subdirectory(ioLibrary_Driver) 加入ioLibrary_Driver文件目录

(3)sdk_app_src sdk_inc 加入ioLibrary_Driver需要的相关文件和头文件

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4、使用sdk_env的start_gui生成工程或者使用命令行生成都可以。这里使用start_gui

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可以看到ioLibrary_Drivers对应的目录和文件都已经添加到SES。

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如此编译也Ok

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(二)ioLibrary_Driver的底层读写相关操作接口注册对接

在ioLibrary_Drivers的config上,需要接口注册的主要是临界区、CS片选操作、单字节收发、块收发传输接口。在该库中也有对应的注册接口wizchip_conf.h中。

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1、临界区注册

这里临界主要做全局中断的使能和禁止,可根据自身应用添加

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2、CS片选信号操作注册

在这里为了避免CS拉低后存在较高的间隔,实际的拉低在actual_cs_sel API操作,就是在开启SPI传输的时候调用,具体请详见 玩转先楫SPI外设系列 文章,这里不做阐述说明。

cs操作接口使用sdk对应的board的cs操作API,可自行根据应用更改。

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3、读写单字节操作注册

需要注意的是,这里为了方便快速操作,比如在读接口SPI设置为只读,然后设置传输长度,复位FIFO,开启传输,等待数据接收完成后读取数据。写接口也是如此。具体请详见 玩转先楫SPI外设系列 文章,这里同样不做阐述说明。

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4、块读写传输操作注册

DMA相关的操作请详见 玩转先楫SPI外设系列 文章,这里同样不做阐述说明。

5、注册相关操作接口

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(三)以ioLibrary_Driver库测试wiznet的速率性能。

W5500官方手册中,虽然可以支持到80M的SPI SCLK,但官方的建议是33.3M推荐频率,再高的频率会出现些许采样问题,在实际测试的过程中也是如此,hpm_sdk的Board.h默认为20M,本文SLCK的频率调整为30M左右测试。

在性能上,wiznet官方也出了W5500对应的MAX速率为15Mbps。如果需要更高的可以选择W5100/s

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在本文所实现的例子实现中,可通过cmakelists开启或者关闭DHCP,或者开启和关闭tcp iperf测试。默认都是开启。

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如果想静态IP分配,那么直接在main.c中更改load_net_parameters API里面的ip值即可。

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这里iperf测试主要测试W5500作为Tcp client的发送性能。在SPI SCLK 30M下,可以达到17Mbps速度性能,与wiznet官方提供的15Mbsps速率相当,满足性能需求。

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目前ioLibrary_Driver库性能还能继续提升,比如修改socket的send和recv实现逻辑,减少查询和等待;中间层少数据收发再次封装等等。


在逻辑分析仪下,socket的发送接口send,在实际发送前,会查询以及等待相关网络状态寄存器,占用了不少时间。wiznet提供的15mbps只有理论的一半性能也是这个时间所消耗引起

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三、总结

在ioLibrary_Driver库下,hpm的SPI驱动W5500的网络性能可以达到17Mbps,与wiznet官方的15Mbps保持一致。


如果需要提高性能,可以选择wetne其他芯片。或者自身优化wiznet的ioLibrary_Driver库。比如socket的发送send逻辑。


对于HPM6200,HPM5300等先楫通用MCU没有以太网接口,但是有实际以太网需求或者方案平替,可以选择SPI驱动相关的芯片网络接口。

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