單芯片解決方案，開啟全新體驗(yàn)——W55MH32 高性能以太網(wǎng)單片機(jī)

W55MH32是WIZnet重磅推出的高性能以太網(wǎng)單片機(jī)，它為用戶帶來前所未有的集成化體驗(yàn)。這顆芯片將強(qiáng)大的組件集于一身，具體來說，一顆W55MH32內(nèi)置高性能Arm? Cortex-M3核心，其主頻最高可達(dá)216MHz；配備1024KB FLASH與96KB SRAM，滿足存儲與數(shù)據(jù)處理需求；集成TOE引擎，包含WIZnet全硬件TCP/IP協(xié)議棧、內(nèi)置MAC以及PHY，擁有獨(dú)立的32KB以太網(wǎng)收發(fā)緩存，可供8個(gè)獨(dú)立硬件socket使用。如此配置，真正實(shí)現(xiàn)了All-in-One解決方案，為開發(fā)者提供極大便利。

在封裝規(guī)格上，W55MH32提供了兩種選擇：QFN100和QFN68。

W55MH32L采用QFN100封裝版本，尺寸為12x12mm，其資源豐富，專為各種復(fù)雜工控場景設(shè)計(jì)。它擁有66個(gè)GPIO、3個(gè)ADC、12通道DMA、17個(gè)定時(shí)器、2個(gè)I2C、5個(gè)串口、2個(gè)SPI接口（其中1個(gè)帶I2S接口復(fù)用）、1個(gè)CAN、1個(gè)USB2.0以及1個(gè)SDIO接口。如此豐富的外設(shè)資源，能夠輕松應(yīng)對工業(yè)控制中多樣化的連接需求，無論是與各類傳感器、執(zhí)行器的通信，還是對復(fù)雜工業(yè)協(xié)議的支持，都能游刃有余，成為復(fù)雜工控領(lǐng)域的理想選擇。同系列還有QFN68封裝的W55MH32Q版本，該版本體積更小，僅為8x8mm，成本低，適合集成度高的網(wǎng)關(guān)模組等場景，軟件使用方法一致。更多信息和資料請進(jìn)入http://www.w5500.com/網(wǎng)站或者私信獲取。

此外，本W(wǎng)55MH32支持硬件加密算法單元，WIZnet還推出TOE+SSL應(yīng)用，涵蓋TCP SSL、HTTP SSL以及 MQTT SSL等，為網(wǎng)絡(luò)通信安全再添保障。

為助力開發(fā)者快速上手與深入開發(fā)，基于W55MH32L這顆芯片，WIZnet精心打造了配套開發(fā)板。開發(fā)板集成WIZ-Link芯片，借助一根USB C口數(shù)據(jù)線，就能輕松實(shí)現(xiàn)調(diào)試、下載以及串口打印日志等功能。開發(fā)板將所有外設(shè)全部引出，拓展功能也大幅提升，便于開發(fā)者全面評估芯片性能。

若您想獲取芯片和開發(fā)板的更多詳細(xì)信息，包括產(chǎn)品特性、技術(shù)參數(shù)以及價(jià)格等，歡迎訪問官方網(wǎng)頁：http://www.w5500.com/，我們期待與您共同探索W55MH32的無限可能。

第十六章 W55MH32 PING示例

本篇文章，我們將詳細(xì)介紹如何在W55MH32芯片上面實(shí)現(xiàn)IPRAW功能，并通過實(shí)戰(zhàn)例程，為大家講解如何使用IPRAW模式實(shí)現(xiàn)ICMP協(xié)議中的PING命令進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連通性測試。

該例程用到的其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，例如DHCP請參考相關(guān)章節(jié)。有關(guān)W55MH32的初始化過程，請參考Network Install章節(jié)，這里將不再贅述。

1 IPRAW模式簡介

IPRAW模式是W55MH32 TOE提供的一種網(wǎng)絡(luò)通信模式。在這種模式下，用戶可以直接操作IP層數(shù)據(jù)包，對其進(jìn)行底層細(xì)節(jié)的處理，從而支持IP層協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，例如ICMP、IGMP等。

2 PING簡介

PING是一個(gè)用于測試網(wǎng)絡(luò)連接性和診斷網(wǎng)絡(luò)問題的命令。它通過使用ICMP即因特網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議（Internet Control Message Protocol）發(fā)送“回顯請求”消息（Echo Request）并等待“回顯應(yīng)答”消息（Echo Reply），來檢查目標(biāo)主機(jī)是否可達(dá)以及網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時(shí)間。PING命令是網(wǎng)絡(luò)診斷工具中最常見的工具之一，通常用于驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)連通性、檢測網(wǎng)絡(luò)延遲、排查網(wǎng)絡(luò)故障等。

3 PING命令特點(diǎn)

1.簡單性：PING設(shè)計(jì)非常簡單，通常是基于請求-響應(yīng)的模式。一個(gè)設(shè)備發(fā)送 PING請求包，另一個(gè)設(shè)備回應(yīng)PING響應(yīng)包。它的開銷較小，適合嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信需求。

2.低延遲：由于PING本身非常簡潔，因此網(wǎng)絡(luò)延遲很低，適用于需要實(shí)時(shí)檢測設(shè)備狀態(tài)或維持心跳的場景。

3.狀態(tài)監(jiān)測與心跳：PING常用于設(shè)備間的心跳檢測。

4.無負(fù)載數(shù)據(jù)：PING傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通常沒有負(fù)載或附加的數(shù)據(jù)，只有簡單的請求和響應(yīng)字段，因此網(wǎng)絡(luò)負(fù)載非常小。

5.容錯(cuò)性與重試機(jī)制：一些實(shí)現(xiàn)可能會(huì)有超時(shí)和重試機(jī)制，以確保 PING響應(yīng)的可靠性。

4 PING應(yīng)用場景

接下來，我們了解下在W55MH32上，可以使用PING完成哪些操作及應(yīng)用呢？

網(wǎng)絡(luò)連通性測試：可以用于測試本地設(shè)備與目標(biāo)設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)是否連通。

網(wǎng)絡(luò)故障排查：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問題，如無法訪問某個(gè)網(wǎng)站或無法與特定設(shè)備進(jìn)行通信時(shí)，可以使用 PING命令來逐步定位問題所在。如果對目標(biāo)設(shè)備的 PING請求超時(shí)或丟包嚴(yán)重，說明可能存在網(wǎng)絡(luò)連接中斷、路由器配置錯(cuò)誤、防火墻阻擋等問題。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測：在網(wǎng)絡(luò)管理中，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中各種設(shè)備（如服務(wù)器、路由器、交換機(jī)等）的狀態(tài)。可以定期使用 PING命令對這些設(shè)備進(jìn)行檢測，根據(jù)是否能夠收到回復(fù)來判斷設(shè)備是否正常運(yùn)行。

5 PING命令基本工作流程

1.發(fā)送請求

用戶在命令行輸入 PING命令及目標(biāo)主機(jī)的 IP地址或域名后，系統(tǒng)開始構(gòu)建 ICMP回顯請求數(shù)據(jù)包。此數(shù)據(jù)包包含 ICMP協(xié)議頭部和一定數(shù)據(jù)，默認(rèn) 32字節(jié)。隨后，該數(shù)據(jù)包被交給 IP層。

IP層在數(shù)據(jù)包中添加源 IP地址和目標(biāo) IP地址等控制信息，組裝成完整的 IP數(shù)據(jù)包。接著，需獲取目標(biāo)主機(jī)的 MAC地址。若目標(biāo)主機(jī)與源主機(jī)在同一網(wǎng)段，IP層會(huì)查詢本地 ARP緩存表，若有對應(yīng)映射則直接獲取 MAC地址；若沒有，則發(fā)送 ARP請求廣播來獲取。若目標(biāo)主機(jī)與源主機(jī)不在同一網(wǎng)段，IP層會(huì)將數(shù)據(jù)包交給路由處理，由路由器依據(jù)路由表轉(zhuǎn)發(fā)，路由器同樣需獲取下一跳的 MAC地址。

數(shù)據(jù)鏈路層獲取目標(biāo) MAC地址后，構(gòu)建數(shù)據(jù)幀，將 IP 數(shù)據(jù)包封裝其中，附上源和目的 MAC地址及控制信息，再將數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去。

2.接收響應(yīng)

目標(biāo)主機(jī)接收到數(shù)據(jù)幀后，檢查目的 MAC地址，若相符則接收并提取 IP數(shù)據(jù)包，交給 IP層。IP層檢查無誤后，將其交給 ICMP協(xié)議。

ICMP協(xié)議構(gòu)建 ICMP回顯應(yīng)答數(shù)據(jù)包，把請求包中的數(shù)據(jù)復(fù)制過來，再交給 IP層。IP層封裝成 IP數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)鏈路層構(gòu)建新的數(shù)據(jù)幀，以源主機(jī)為目的地址發(fā)送出去。

3.結(jié)果處理

源主機(jī)收到應(yīng)答數(shù)據(jù)包后，數(shù)據(jù)鏈路層和 IP層依次處理，將 ICMP應(yīng)答包交給 ICMP協(xié)議。ICMP協(xié)議記錄當(dāng)前時(shí)間，結(jié)合請求時(shí)的時(shí)間戳計(jì)算往返時(shí)間。若發(fā)送多個(gè)請求包，系統(tǒng)會(huì)統(tǒng)計(jì)未收到應(yīng)答的數(shù)據(jù)包數(shù)量，計(jì)算丟包率。通過往返時(shí)間和丟包率，用戶可判斷網(wǎng)絡(luò)的連通性和質(zhì)量。

6報(bào)文解析

ICMP（Internet Control Message Protocol，互聯(lián)網(wǎng)控制消息協(xié)議）是用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間傳遞控制消息的協(xié)議，通常用于網(wǎng)絡(luò)診斷與錯(cuò)誤報(bào)告。ICMP報(bào)文由類型字段、代碼字段、校驗(yàn)和及數(shù)據(jù)部分構(gòu)成。常見的 ICMP報(bào)文類型包括回顯請求（ping）和回顯應(yīng)答、目的不可達(dá)、超時(shí)等。

以下是 ICMP回顯請求和應(yīng)答報(bào)文的基本格式：

|報(bào)文解析|
Internet Control Message Protocol
    Type: 8 (Echo (ping) request) （ICMP類型字段為8，表示這是一個(gè)回顯請求（Ping請求））
    Code: 0 （ICMP代碼字段為 0，表示回顯請求的正常類型）
    Checksum: 0xe1a7 [correct] （0xe1a7是校驗(yàn)和值，狀態(tài)為 Good，表示報(bào)文有效）
    [Checksum Status: Good]
    Identifier (BE): 4661 (0x1235) （表示標(biāo)識符以大端格式存儲，值為 4661（十進(jìn)制））
    Identifier (LE): 13586 (0x3512) （LE表示標(biāo)識符以小端格式存儲，值為 13586）
    Sequence Number (BE): 17186 (0x4322) （序列號字段，用于標(biāo)識回顯請求的序列）
    Sequence Number (LE): 8771 (0x2243) （序列號幫助配對請求與響應(yīng)）
    [Response frame: 15] （此字段表示接收到的響應(yīng)幀數(shù)量，通常用于指示響應(yīng)的順序或超時(shí)）
    Data (128 bytes) （包括用于測試的實(shí)際數(shù)據(jù)或填充數(shù)據(jù)）

|報(bào)文原文|
08 00 e1 a7 12 35 43 22

7實(shí)現(xiàn)過程

接下來，我們在W55MH32上實(shí)現(xiàn)PING命令。

注意：測試實(shí)例需要PC端和W55MH32處于同一網(wǎng)段。

do_ping()函數(shù)起到了控制PING操作流程的作用，它決定了是否繼續(xù)進(jìn)行PING操作，以及在操作完成后關(guān)閉Socket連接。

這個(gè)函數(shù)需要主循環(huán)中調(diào)用，如下圖所示：

while (1)
{
    do_ping(SOCKET_ID, dest_ip, ping_num);
}

void do_ping(uint8_t sn, uint8_t *remote_ip, uint8_t req_num)
{
    if (req >= req_num)
    {
        close(sn);
        return;
    }
    else
    {
        ping_count(sn, req_num, remote_ip);
    }
}

do_ping()函數(shù)需要傳入3個(gè)參數(shù)，分別是spcket號，目標(biāo)主機(jī)IP，PING請求次數(shù)。

如果req大于req_num，說明已經(jīng)達(dá)到了指定的 PING請求次數(shù)，此時(shí)調(diào)用close()函數(shù)關(guān)閉指定的 Socket連接，然后函數(shù)返回，結(jié)束本次 PING操作。

如果req小于req_num，則調(diào)用ping_count()函數(shù)。PING操作主要在ping_count()函數(shù)內(nèi)進(jìn)行，進(jìn)入該函數(shù)之后會(huì)執(zhí)行以下步驟。

ping_count()函數(shù)如下：

void ping_count(uint8_t s, uint16_t pCount, uint8_t *addr)
{
    uint16_t rlen, cnt, i;
    cnt = 0;

    for (i = 0; i < pCount + 1; i++)
    {
        if (i != 0)
        {
            // 輸出計(jì)數(shù)編號
            printf("No.%d  ", i);
        }

        switch (getSn_SR(s))
        {
            case SOCK_CLOSED:
                close(s);
                // 創(chuàng)建Socket
                IINCHIP_WRITE(WZTOE_Sn_PROTO(s), IPPROTO_ICMP);
                if (Socket(s, Sn_MR_IPRAW, 3000, 0) != 0)
                {
                    // Socket創(chuàng)建失敗（此處可添加錯(cuò)誤處理）
                }
                // 等待Socket注冊完成
                while (getSn_SR(s) != SOCK_IPRAW);
                break;

            case SOCK_IPRAW:
                // 發(fā)送Ping請求
                ping_request(s, addr);
                req++;  // 請求計(jì)數(shù)遞增

                // 等待Ping響應(yīng)
                while (1)
                {
                    // 檢查是否有接收數(shù)據(jù)
                    if ((rlen = getSn_RX_RSR(s)) > 0)
                    {
                        // 處理Ping響應(yīng)
                        ping_reply(s, addr, rlen);
                        rep++;  // 響應(yīng)計(jì)數(shù)遞增

                        if (ping_reply_received)
                        {
                            break;  // 收到響應(yīng)后退出等待
                        }
                    }

                    // 超時(shí)判斷（cnt*5ms >= 5000ms時(shí)超時(shí)）
                    if (cnt > 1000)
                    {
                        printf("Request Time outrnrn");
                        cnt = 0;
                        break;
                    }
                    else
                    {
                        cnt++;
                        delay_ms(5);  // 5ms延遲
                    }
                }
                break;

            default:
                break;
        }

        // 當(dāng)請求數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，輸出統(tǒng)計(jì)結(jié)果
        if (req >= pCount)
        {
            printf("Ping Request = %d, Ping Reply = %d, Lost = %drn", req, rep, req - rep);
        }
    }
}

進(jìn)入該函數(shù)后，程序會(huì)執(zhí)行一個(gè)狀態(tài)機(jī)，首先初始化 cnt為 0并開啟 for循環(huán)。根據(jù)Socket的狀態(tài)進(jìn)行不同操作，當(dāng)Socket為 SOCK_CLOSED時(shí)，Socket關(guān)閉，設(shè)置協(xié)議，創(chuàng)建 Sn_MR_IPRAW模式的 Socket，并等待 Socket狀態(tài)變?yōu)?SOCK_IPRAW；當(dāng)Socket為 SOCK_IPRAW時(shí)，發(fā)送 ping請求，進(jìn)入內(nèi)層 while循環(huán)，若接收長度大于 0則處理 ping回復(fù)，超過一定時(shí)間無回復(fù)則輸出超時(shí)信息，同時(shí)會(huì)根據(jù) cnt進(jìn)行計(jì)數(shù)和延遲處理；默認(rèn)情況不做處理，滿足條件時(shí)輸出 ping請求、回復(fù)和丟失的統(tǒng)計(jì)信息。

步驟一：發(fā)送 PING請求

ping_request()函數(shù)在ping_count()函數(shù)中，當(dāng)Socket狀態(tài)為SOCK_IPRAW時(shí)被調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)按照設(shè)定的次數(shù)發(fā)送 PING請求。

ping_request()函數(shù)如下：

void ping_request(uint8_t s, uint8_t *addr)
{
    uint16_t i;
    ping_reply_received = 0;  // 重置響應(yīng)接收標(biāo)志

    // 初始化Ping請求包數(shù)據(jù)
    PingRequest.Type    = PING_REQUEST;       // 設(shè)置類型為Ping請求
    PingRequest.Code    = CODE_ZERO;          // 代碼字段置0
    PingRequest.ID      = htons(RandomID++);  // 設(shè)置ID（網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序），ID自增
    PingRequest.SeqNum  = htons(RandomSeqNum++);  // 設(shè)置序列號（網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序），序列號自增

    // 填充數(shù)據(jù)區(qū)（簡單填充0-7循環(huán)值）
    for (i = 0; i < BUF_LEN; i++)
    {
        PingRequest.Data[i] = (i) % 8;
    }

    // 計(jì)算校驗(yàn)和
    PingRequest.CheckSum = 0;  // 先清零校驗(yàn)和字段
    PingRequest.CheckSum = htons(checksum((uint8_t *)&PingRequest, sizeof(PingRequest)));  // 計(jì)算并設(shè)置校驗(yàn)和（網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序）

    // 發(fā)送Ping請求
    if (sendto(s, (uint8_t *)&PingRequest, sizeof(PingRequest), addr, 3000) == 0)
    {
        printf("Fail to send ping-reply packetrn");  // 發(fā)送失敗提示
    }
    else
    {
        // 發(fā)送成功，輸出目標(biāo)IP
        printf("Ping:%d.%d.%d.%drn", (addr[0]), (addr[1]), (addr[2]), (addr[3]));
    }
}

該函數(shù)ping_request的主要作用是發(fā)送一個(gè)Ping請求。首先初始化一些請求參數(shù)，包括請求類型、代碼、隨機(jī)生成的 ID和序列號，填充數(shù)據(jù)并計(jì)算校驗(yàn)和。接著嘗試使用sendto()函數(shù)發(fā)送請求，根據(jù)發(fā)送結(jié)果輸出相應(yīng)信息，包括失敗提示和請求目標(biāo)的地址信息。

步驟二：接收并解析 PING回復(fù)：

ping_reply()函數(shù)在ping_count()函數(shù)中，當(dāng)檢測到Socket收緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)（rlen>0）時(shí)被調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)對接收到的 PING回復(fù)進(jìn)行解析處理。ping_reply()函數(shù)負(fù)責(zé)接收和解析PING回復(fù)數(shù)據(jù)包，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)包類型進(jìn)行相應(yīng)的處理，并在解析成功后打印相關(guān)信息。

ping_reply()函數(shù)如下：

 void ping_reply(uint8_t s, uint8_t *addr, uint16_t rlen)
{
    uint16_t tmp_checksum;
    uint16_t len;
    uint16_t i;
    uint8_t  data_buf[136];

    uint16_t port = 3000;
    PINGMSGR PingReply;

    // 接收數(shù)據(jù)
    len = recvfrom(s, data_buf, rlen, addr, &port);

    // 處理Ping響應(yīng)包（ICMP Echo Reply）
    if (data_buf[0] == PING_REPLY)
    {
        // 解析Ping響應(yīng)包數(shù)據(jù)
        PingReply.Type    = data_buf[0];
        PingReply.Code    = data_buf[1];
        PingReply.CheckSum = (data_buf[3]  Unknown）
    }
}

ping_reply()函數(shù)主要用于處理接收的信息。它通過 recvfrom接收數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)包頭信息判斷是回復(fù)還是請求，提取并解析相關(guān)信息，計(jì)算校驗(yàn)和并進(jìn)行檢查，根據(jù)不同情況輸出信息，如錯(cuò)誤提示、回復(fù)來源信息或請求來源信息等，并設(shè)置接收狀態(tài)標(biāo)志。

8運(yùn)行結(jié)果

燒錄例程運(yùn)行后，首先進(jìn)行了PHY鏈路檢測，然后打印設(shè)置網(wǎng)絡(luò)信息，最ping目標(biāo)IP收到回復(fù)，如下圖所示：

9總結(jié)

本文講解了如何在 W55MH32芯片上通過 IPRAW模式實(shí)現(xiàn) ICMP協(xié)議中的 PING命令，以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連通性測試，通過實(shí)戰(zhàn)例程展示了從發(fā)送 PING請求、接收并解析回復(fù)到統(tǒng)計(jì)結(jié)果的完整過程。文章詳細(xì)介紹了 IPRAW模式和 PING命令的概念、特點(diǎn)、應(yīng)用場景、基本工作流程和報(bào)文解析，幫助讀者理解其在網(wǎng)絡(luò)測試和故障排查中的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

下一篇文章將聚焦 ARP協(xié)議，解析其核心原理及在網(wǎng)絡(luò)通信中的應(yīng)用，同時(shí)講解如何在W55MH32上實(shí)現(xiàn) ARP協(xié)議，敬請期待！

WIZnet是一家無晶圓廠半導(dǎo)體公司，成立于 1998年。產(chǎn)品包括互聯(lián)網(wǎng)處理器 iMCU?，它采用 TOE（TCP/IP卸載引擎）技術(shù)，基于獨(dú)特的專利全硬連線 TCP/IP。iMCU?面向各種應(yīng)用中的嵌入式互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

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審核編輯 黃宇