單芯片解決方案，開啟全新體驗——W55MH32 高性能以太網單片機

W55MH32是WIZnet重磅推出的高性能以太網單片機，它為用戶帶來前所未有的集成化體驗。這顆芯片將強大的組件集于一身，具體來說，一顆W55MH32內置高性能Arm? Cortex-M3核心，其主頻最高可達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、內置MAC以及PHY，擁有獨立的32KB以太網收發(fā)緩存，可供8個獨立硬件socket使用。如此配置，真正實現(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，專為各種復雜工控場景設計。它擁有66個GPIO、3個ADC、12通道DMA、17個定時器、2個I2C、5個串口、2個SPI接口（其中1個帶I2S接口復用）、1個CAN、1個USB2.0以及1個SDIO接口。如此豐富的外設資源，能夠輕松應對工業(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，還是對復雜工業(yè)協(xié)議的支持，都能游刃有余，成為復雜工控領域的理想選擇。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，適合集成度高的網關模組等場景，軟件使用方法一致。更多信息和資料請進入http://www.w5500.com/網站或者私信獲取。

此外，本W55MH32支持硬件加密算法單元，WIZnet還推出TOE+SSL應用，涵蓋TCP SSL、HTTP SSL以及 MQTT SSL等，為網絡通信安全再添保障。

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，就能輕松實現(xiàn)調試、下載以及串口打印日志等功能。開發(fā)板將所有外設全部引出，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)板的更多詳細信息，包括產品特性、技術參數(shù)以及價格等，歡迎訪問官方網頁：http://www.w5500.com/，我們期待與您共同探索W55MH32的無限可能。

第二十五章 W55MH32 TCP_Server_Multi_Socket示例

本篇文章，我們將詳細介紹如何在W55MH32芯片上面實現(xiàn)TCP通信。使用W55MH32的TOE引擎，我們只需進行簡單的socket編程及寄存器讀寫，便可輕松實現(xiàn)TCP協(xié)議應用。接下來我們通過實戰(zhàn)例程，為大家講解如何使用TOE引擎上的8個socket，設置為TCP Server模式，讓多個客戶端連接進行數(shù)據(jù)回環(huán)測試。

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

1 TCP協(xié)議簡介

TCP (Transmission Control Protocol)是一種面向連接的、可靠的傳輸層協(xié)議，它用于在網絡中可靠地傳輸數(shù)據(jù)。TCP是互聯(lián)網協(xié)議族中的核心協(xié)議之一，通常與 IP協(xié)議（Internet Protocol）一起使用，形成套接字通信。

2 TCP協(xié)議特點

面向連接：在傳輸數(shù)據(jù)之前，TCP需要建立一個連接，保證發(fā)送方與接收方能夠彼此通信。通過三次握手（Three-Way Handshake）過程來建立連接，確保雙方的通信是可靠的。

可靠性：TCP提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，確保數(shù)據(jù)完整并且按順序到達接收端。如果數(shù)據(jù)丟失或出錯，TCP會自動重傳丟失的數(shù)據(jù)包。

流量控制：TCP使用流量控制機制來調節(jié)數(shù)據(jù)的發(fā)送速度，防止接收方處理不過來導致數(shù)據(jù)丟失。常用的流量控制方法是滑動窗口（Sliding Window）。

擁塞控制：TCP可以動態(tài)調整傳輸速率，以避免網絡擁塞。采用算法如慢啟動、擁塞避免、快速重傳等。

全雙工通信：在 TCP連接建立后，數(shù)據(jù)可以在兩個方向同時進行傳輸，支持雙向通信。

有序數(shù)據(jù)傳輸：TCP會對數(shù)據(jù)包進行編號，確保數(shù)據(jù)按順序傳輸，即使網絡發(fā)生延遲，接收端也能按順序接收到數(shù)據(jù)。

字節(jié)流服務：TCP傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是字節(jié)流，不關心應用層數(shù)據(jù)的邊界，應用層需要自己解析數(shù)據(jù)邊界。

3 TCP與 UDP的區(qū)別

TCP是可靠的、面向連接的協(xié)議，適合需要數(shù)據(jù)完整性和順序保證的應用，如網頁瀏覽、文件傳輸?shù)取?/p>

UDP（User Datagram Protocol）是無連接、不可靠的協(xié)議，適合對時效性要求較高且可以容忍丟包的應用，如視頻流、在線游戲等。

4 TCP應用場景

接下來，我們了解下在W55MH32上，可以使用TCP協(xié)議完成哪些操作及應用呢？

遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集：嵌入式設備通常用于采集傳感器數(shù)據(jù)，并通過以太網連接上傳到遠程服務器，TCP協(xié)議確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院屯暾浴?/p>

設備遠程控制：許多嵌入式系統(tǒng)需要通過網絡接收控制指令（例如工業(yè)自動化中的PLC控制），TCP協(xié)議提供了可靠的通信通道。

物聯(lián)網（IoT）：許多物聯(lián)網設備使用TCP協(xié)議與云服務器或其他設備進行通信，傳輸數(shù)據(jù)、執(zhí)行命令等。

嵌入式Web服務器：一些嵌入式設備內置Web服務器（例如路由器、網關、傳感器設備等），通過TCP協(xié)議提供網頁接口給用戶進行配置和監(jiān)控。

5使用TCP進行數(shù)據(jù)交互的流程

TCP連接建立（三次握手）

在開始傳輸數(shù)據(jù)之前，TCP會通過三次握手建立連接：

第一次握手：客戶端向服務器發(fā)送一個帶有 SYN標志的數(shù)據(jù)包，表示請求建立連接。

第二次握手：服務器收到 SYN數(shù)據(jù)包后，回復一個帶有 SYN和 ACK標志的數(shù)據(jù)包，表示同意建立連接。

第三次握手：客戶端收到服務器的 SYN+ACK后，發(fā)送一個帶有 ACK標志的數(shù)據(jù)包，連接建立完成。

數(shù)據(jù)交互

TCP連接斷開（四次揮手）

當通信結束時，TCP需要通過四次揮手來斷開連接：

第一次揮手：客戶端發(fā)送一個 FIN 數(shù)據(jù)包，表示數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，準備關閉連接。

第二次揮手：服務器收到 FIN數(shù)據(jù)包后，回復一個 ACK數(shù)據(jù)包，表示同意關閉連接。

第三次揮手：服務器發(fā)送一個 FIN 數(shù)據(jù)包，表示數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，準備關閉連接。

第四次揮手：客戶端收到服務器的 FIN數(shù)據(jù)包后，發(fā)送一個 ACK數(shù)據(jù)包，連接正式關閉。

ACK字段：ACK包含在 TCP報文頭中，表示接收方期望接收的下一個字節(jié)的序列號。

TCP 3次握手示意圖

TCP 4次揮手示意圖

6 TCP的ACK機制、重傳機制和Keepalive機制

TCP的ACK機制

ACK 是 TCP用于確認已成功接收到數(shù)據(jù)包的機制。在 TCP通信中，每個數(shù)據(jù)包都包含一個序列號，接收方用 ACK來告訴發(fā)送方已經成功收到的字節(jié)序列。

累積確認：TCP使用累積確認方式，表示接收方已經連續(xù)收到所有數(shù)據(jù)，直到某個序列號為止。

超時重傳：如果發(fā)送方在超時時間內未收到 ACK，就會重傳該數(shù)據(jù)包。

TCP的重傳機制

TCP 的重傳機制保證了數(shù)據(jù)的可靠傳輸。以下是常見的重傳機制：

超時重傳：

發(fā)送方設置一個定時器，當發(fā)送的數(shù)據(jù)包在規(guī)定時間內未收到 ACK，則觸發(fā)重傳。

超時時間是動態(tài)調整的，由 TCP的往返時間（RTT, Round Trip Time）估算得出。

快速重傳：

當接收方發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失時，發(fā)送重復的 ACK（稱為冗余 ACK），提醒發(fā)送方某個數(shù)據(jù)包未到達。

如果發(fā)送方連續(xù)收到 3個重復的 ACK，就會立即重傳對應的數(shù)據(jù)包，而不必等待超時。

選擇性重傳（Selective Repeat, SACK）：

在累積確認的基礎上，TCP還可以通過 SACK選項告訴發(fā)送方哪些特定的塊已收到，哪些未收到。

這可以減少不必要的重傳，提高效率。

TCP Keepalive機制

TCP Keepalive是 TCP協(xié)議的一種可選機制，用于檢測長時間空閑的連接是否仍然有效。它的主要作用是：

維護連接狀態(tài)：檢測對方主機是否仍在線，避免資源被長期占用。

釋放死連接：如果連接已經失效（如網絡中斷或對方主機崩潰），Keepalive可以及時釋放資源。

防止中間設備超時關閉連接：一些 NAT、路由器或防火墻可能會在連接長時間不活動時自動關閉，Keepalive可防止這種情況。

用法：在W55MH32的TOE引擎中，需要在Sn_KPALVTR寄存器中設置Keepalive時間，然后在成功連接服務器后發(fā)送一條數(shù)據(jù)來激活Keepalive。

7實現(xiàn)過程

接下來，我們在W55MH32上實現(xiàn)TCP服務器，允許多個設備連接進行數(shù)據(jù)通信。

注意：測試實例需要PC端和W55MH32處于同一網段。

首先，在主循環(huán)中調用multi_tcps_socket()函數(shù)：

1.      while(1)
2.      {
3.          multi_tcps_socket(ethernet_buf, local_port);
4.      }
5. 

multi_tcps_socket()函數(shù)的兩個傳參分別為交互的緩存數(shù)組以及本地端口號，函數(shù)具體內容如下：

 1. int32_t multi_tcps_socket(uint8_t*buf,uint16_t localport)
 2. {
 3.     int32_t ret;
 4.     uint16_t size=0, sentsize=0;
 5. 
 6. #ifdef _LOOPBACK_DEBUG_
 7.     uint8_t destip[4];
 8.     uint16_t destport;
 9. #endif
10. 
11.     switch(getSn_SR(socket_sn))
12.     {
13.     case SOCK_ESTABLISHED:
14.         if(getSn_IR(socket_sn)&Sn_IR_CON)
15.         {
16. #ifdef _LOOPBACK_DEBUG_
17.             getSn_DIPR(socket_sn, destip);
18.             destport= getSn_DPORT(socket_sn);
19. 
20.             printf("%d:Connected - %d.%d.%d.%d : %drn", socket_sn, destip[0], destip[1], destip[2], destip[3], destport);
21. #endif
22.             setSn_IR(socket_sn,Sn_IR_CON);
23.         }
24.         if((size= getSn_RX_RSR(socket_sn))>0)// Don't need to check SOCKERR_BUSY because it doesn't not occur.
25.         {
26.             if(size> DATA_BUF_SIZE)
27.                 size= DATA_BUF_SIZE;
28.             ret= recv(socket_sn, buf, size);
29. 
30.             if(ret<=?0)
31.                 return ret;?// check SOCKERR_BUSY & SOCKERR_XXX. For showing the occurrence of SOCKERR_BUSY.
32.             size?     =?(uint16_t)ret;
33.             sentsize? =?0;
34.             buf[size]?=?0x00;
35.             printf("%d:rece data:%srn", socket_sn, buf);
36.             while?(size?!= sentsize)
37.             {
38.                 ret?= send(socket_sn, buf?+ sentsize, size?- sentsize);
39.                 if?(ret?

	

	在這個程序中，會運行 TCP Server狀態(tài)機，基于不同的的 SOCKET的狀態(tài)執(zhí)行對應的操作，SOCKET的狀態(tài)變化

	如下圖所示：

	

	SOCK_CLOSED：當前SOCKET未打開，配置連接服務器及連接端口號后打開SOCKET，打開成功后SOCKET會進入SOCK_INIT狀態(tài)。

	SOCK_INIT:SOCKET打開成功，開始監(jiān)聽端口，當有客戶端進行連接時，SOCKET狀態(tài)改為SOCK_ESTABLISHED。

	SOCK_ESTABLISHED：首先清除連接成功中斷，并發(fā)送1包數(shù)據(jù)激活KeepAlive，然后讀取Sn_RX_RSR（空閑接收緩存寄存器）寄存器值，當收到服務器數(shù)據(jù)時，Sn_RX_RSR寄存器的值會大于0，此時我們將接收到的數(shù)據(jù)打印并將數(shù)據(jù)回環(huán)發(fā)送。

	SOCK_CLOSE_WAIT：當客戶端主動斷開連接時，SOCKET狀態(tài)改為SOCK_CLOSE_WAIT狀態(tài)，這是一個半關閉狀態(tài)，可以進行關閉前最后的數(shù)據(jù)傳輸。使用disconnect()函數(shù)徹底斷開連接時，SOCKET狀態(tài)將改為SOCK_CLOSED狀態(tài)。

	執(zhí)行完狀態(tài)機后，會自動切換到下一個socket，這樣就能實現(xiàn)最多8個設備連接W55MH32進行回環(huán)數(shù)據(jù)測試了。

	8運行結果

	燒錄例程運行后，首先可以看到進行了PHY鏈路檢測，然后打印了設置的網絡地址信息，如下圖所示：

	

	接下來則是初始化8個socket，并監(jiān)聽同一個端口

	

	我們打開8個SocketTester網絡調試工具，設置為TCP Client模式，輸入W55MH32的IP地址和端口后進行連接，然后就能看到W55MH32打印客戶端連接信息了，最后用SocketTester向W55MH32發(fā)送數(shù)據(jù)進行回環(huán)測試。

	

	9總結

	本文講解了如何在 W55MH32芯片上使用 8個 socket實現(xiàn) TCP服務器模式，讓多個客戶端連接進行數(shù)據(jù)回環(huán)測試，通過實戰(zhàn)例程展示了從初始化 socket到監(jiān)聽端口、處理客戶端連接、數(shù)據(jù)交互及連接關閉的完整過程。文章詳細介紹了 TCP協(xié)議的概念、特點、與 UDP的區(qū)別、應用場景、數(shù)據(jù)交互流程、ACK機制、重傳機制和 Keepalive機制，幫助讀者理解其在可靠數(shù)據(jù)傳輸中的實際應用價值。

	下一篇文章將聚焦 W55MH32的上位機搜索和配置功能，解析其核心原理及在設備管理中的應用，同時講解實現(xiàn)上位機搜索和配置 W55MH32功能的具體步驟與要點，敬請期待！

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	審核編輯 黃宇