淺談單片機以太網(wǎng)接入方案

1. MAC+PHY方案

所謂的TCP/IP協(xié)議棧是一系列網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的統稱(chēng)，不僅包括我們熟知的TCP協(xié)議和IP協(xié)議，還有網(wǎng)絡(luò )層的ICMP（Internet控制報文）協(xié)議、IGMP（Internet組管理）協(xié)議、ARP（地址解析）協(xié)議，傳輸層的UDP（用戶(hù)數據包）協(xié)議，應用層的HTTP（超文本傳輸）協(xié)議、DNS（域名解析）協(xié)議、FTP（文件傳送）協(xié)議、SMTP（簡(jiǎn)單郵件管理）協(xié)議等等。

傳統的以太網(wǎng)接入方案如下圖，由MCU+MAC+PHY再加入網(wǎng)絡(luò )接口實(shí)現以太網(wǎng)的物理連接，通過(guò)在主控芯片中植入TCP/IP協(xié)議代碼實(shí)現通信及上層應用。

圖3-1-1 MAC+PHY以太網(wǎng)方案

應用這種軟件TCP/IP協(xié)議棧方式實(shí)現的比較成熟方案有ENC28J60，CS8900A，DM9000，當然也有像STM32F107這類(lèi)（內部自帶MAC）+PHY等方案。

由于軟件協(xié)議棧操作需要主控MCU不斷地響應中斷，這在很大程度上占用了MCU的運算/時(shí)鐘資源。經(jīng)過(guò)測試發(fā)現，單線(xiàn)程操作的情況下，MCU的運行速度和數據的處理速度僅能滿(mǎn)足需要，但隨著(zhù)線(xiàn)程增多，MCU的工作效率直線(xiàn)下降，會(huì )嚴重影響通信質(zhì)量。

代碼量方面，即便是采用輕量級的TCP/IP協(xié)議棧LWIP協(xié)議，也會(huì )為主控芯片帶來(lái)超過(guò)40KB的代碼量，這對于本身內存資源匱乏的單片機來(lái)說(shuō)負荷過(guò)重。

再從安全性的角度，設備并入互聯(lián)網(wǎng)之后必須考慮網(wǎng)絡(luò )安全問(wèn)題，這種軟件協(xié)議棧的方式系統一旦受到復雜的惡意攻擊，單片機很有可能癱瘓掉，這對系統就是致命性打擊，雖然目前網(wǎng)絡(luò )技術(shù)不斷發(fā)展，各類(lèi)新的加密技術(shù)試圖讓通信變得更加安全，但是還會(huì )出現各種各樣的漏洞。

2. 硬件協(xié)議棧芯片方案

硬件協(xié)議棧芯片方案如下圖所示。由MCU+硬件協(xié)議棧芯片（內含MAC和PHY）直接加網(wǎng)絡(luò )接口，便可方便的實(shí)現單片機聯(lián)網(wǎng)，所有的處理TCP/IP協(xié)議的工作都是通過(guò)這位MCU的“小秘書(shū)”——硬件協(xié)議棧芯片來(lái)完成。

圖3-2-1硬件協(xié)議棧芯片方案

這套方案是由WIZnet首次提出，并成功推出以太網(wǎng)系列芯片：W5100、W5200、W5300和W5500。

所謂硬件協(xié)議棧是指通過(guò)將傳統的軟件TCP/IP協(xié)議棧用硬件化的邏輯門(mén)電路來(lái)實(shí)現，如下圖所示。

圖3-2-2 TCP/IP硬件協(xié)議棧內核原理簡(jiǎn)圖

以太網(wǎng)芯片的內核由傳輸層的TCP、UDP、ICMP、IGMP等協(xié)議、網(wǎng)絡(luò )層的IP、ARP、PPPoE等協(xié)議以及鏈路層的MAC構成，再加上物理層的PHY和外圍的寄存器、內存、SPI接口組成了這一整套硬件化的以太網(wǎng)解決方案。

這套硬件TCP/IP協(xié)議棧代替了以往的MCU來(lái)處理這些中斷請求，即MCU只需要處理面向用戶(hù)的應用層數據即可，傳輸層、網(wǎng)絡(luò )層、鏈路層及物理層全部由外圍WIZnet的芯片完成。這套方案從硬件開(kāi)銷(xiāo)和軟件開(kāi)發(fā)兩個(gè)方面來(lái)簡(jiǎn)化前面所述的五層網(wǎng)絡(luò )模型，簡(jiǎn)化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方案。這樣一來(lái)，工程師們就不必再面對繁瑣的通信協(xié)議代碼，只需要了解簡(jiǎn)單的寄存器功能以及Socket編程便能完成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作的的網(wǎng)絡(luò )功能開(kāi)發(fā)部分。

由于硬件協(xié)議棧的加入協(xié)助單片機處理了幾乎所有的TCP/IP協(xié)議工作，不僅極大地減少了單片機的中斷次數，讓單片機騰出更多資源去完成其他工作，而且硬件化的電路處理協(xié)議會(huì )更加快速、穩定。經(jīng)試驗測試，單線(xiàn)程下，該方案的通信速度是軟件協(xié)議方案的10倍左右；隨著(zhù)線(xiàn)程的增加，因為硬件協(xié)議棧是通過(guò)獨立的Socket進(jìn)行通信，因而通信速度實(shí)現累加，而且單片機工作效率仍然會(huì )維持在高位。

代碼量方面，因為這套方案主要是完成對Socket的編程以及寄存器的調用，因此僅有10K左右的代碼量，遠小于軟件協(xié)議方案，對51以及STM32等內存很有限的單片機來(lái)說(shuō)非常適用。

從成本角度來(lái)講，硬件協(xié)議棧芯片的價(jià)格跟用MAC+PHY比起來(lái)基本差不多。而前者簡(jiǎn)單易用，用很短時(shí)間便能完成產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程。另外，官方例程庫及上位機程序豐富，也縮短了測試過(guò)程，后期基本免于維護。

最后安全性方面，硬件化的邏輯門(mén)電路來(lái)處理TCP/IP協(xié)議是不可攻擊的，也就是說(shuō)網(wǎng)絡(luò )攻擊和病毒對它無(wú)效，這也充分彌補了網(wǎng)絡(luò )協(xié)議安全性不足的短板。也正是因為這一優(yōu)勢，硬件協(xié)議棧技術(shù)在未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)以及智能家居領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的發(fā)展前景，讓人們盡情享受現代科技帶來(lái)的樂(lè )趣的同時(shí)，免受安全問(wèn)題的困擾。

當然，不可避免的硬件化的協(xié)議棧相對來(lái)說(shuō)失去了軟件協(xié)議棧那樣的靈活性。目前只支持4個(gè)/8個(gè)Socket，不能隨時(shí)開(kāi)啟更多Socket。但是，在嵌入式應用中8個(gè)Socket已經(jīng)足夠應對超過(guò)大部分的應用。