STM32的以太网外设+PHY（LAN8720）使用详解（5）：MAC及DMA配置

0 工具准备

1.野火 stm32f407霸天虎开发板
2.LAN8720数据手册
3.STM32F4xx中文参考手册

1 MAC及DMA配置

1.1 使能ETH时钟

stm32的ETH外设挂载在AHB1总线上，位于RCC_AHB1ENR的bit25-bit27：
在这里插入图片描述
相关语句如下：

RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_ETH_MAC | RCC_AHB1Periph_ETH_MAC_Tx |
                               RCC_AHB1Periph_ETH_MAC_Rx,
                           ENABLE);

1.2 复位MAC寄存器

直接调用ETH_DeInit函数来复位ETH外设

void ETH_DeInit(void)
{
  RCC_AHB1PeriphResetCmd(RCC_AHB1Periph_ETH_MAC, ENABLE);
  RCC_AHB1PeriphResetCmd(RCC_AHB1Periph_ETH_MAC, DISABLE);
}

上述语句操作的寄存器如下：
首先使能
首先设置位25为1复位以太网MAC（复位MAC寄存器到默认值），然后设置为0取消复位。

1.3 复位MAC DMA控制器

首先调用ETH_SoftwareReset函数复位MAC的DMA

void ETH_SoftwareReset(void)
{
  /* Set the SWR bit: resets all MAC subsystem internal registers and logic */
  /* After reset all the registers holds their respective reset values */
  ETH->DMABMR |= ETH_DMABMR_SR;
}

上述语句操作的寄存器如下：
在这里插入图片描述
等待MAC DMA控制器软件复位完成：

while (ETH_GetSoftwareResetStatus() == SET);

ETH_GetSoftwareResetStatus函数定义如下：

FlagStatus ETH_GetSoftwareResetStatus(void)
{
  FlagStatus bitstatus = RESET;
  if((ETH->DMABMR & ETH_DMABMR_SR) != (uint32_t)RESET)
  {
    bitstatus = SET;
  }
  else
  {
    bitstatus = RESET;
  }
  return bitstatus;
}

这里轮询位0的状态，当为0值为0时表示复位完成，方可以进行接下来的操作。

1.4 配置ETH

由于需要配置的ETH参数非常多，大部分参数保持默认即可，为了省事首先调用ETH_StructInit函数将ETH参数设置为默认值。语句如下：

ETH_StructInit(&ETH_InitStructure);

ETH_StructInit这个函数实际上就是将ETH_InitStructure这个变量的成员的值全部设置为默认值。
然后我们根据需要修改其中一些参数，比较常见的就是开启混杂模式，也就是将ETH_InitStructure.ETH_ReceiveAll设置为ETH_ReceiveAll_Enable。
本文使用的配置如下：

/* 开启网络自适应功能 */
ETH_InitStructure.ETH_AutoNegotiation = ETH_AutoNegotiation_Enable;
/* 关闭反馈 */
ETH_InitStructure.ETH_LoopbackMode = ETH_LoopbackMode_Disable;
/* 关闭重传功能 */
ETH_InitStructure.ETH_RetryTransmission = ETH_RetryTransmission_Disable;
/* 关闭自动去除PDA/CRC功能  */
ETH_InitStructure.ETH_AutomaticPadCRCStrip = ETH_AutomaticPadCRCStrip_Disable;
/* 关闭接收所有的帧 */
ETH_InitStructure.ETH_ReceiveAll = ETH_ReceiveAll_Disable;
/* 允许接收所有广播帧 */
ETH_InitStructure.ETH_BroadcastFramesReception = ETH_BroadcastFramesReception_Enable;
/* 关闭混合模式的地址过滤  */
ETH_InitStructure.ETH_PromiscuousMode = ETH_PromiscuousMode_Disable;
/* 对于组播地址使用完美地址过滤    */
ETH_InitStructure.ETH_MulticastFramesFilter = ETH_MulticastFramesFilter_Perfect;
/* 对单播地址使用完美地址过滤  */
ETH_InitStructure.ETH_UnicastFramesFilter = ETH_UnicastFramesFilter_Perfect;
/* 开启ipv4和TCP/UDP/ICMP的帧校验和卸载   */
ETH_InitStructure.ETH_ChecksumOffload = ETH_ChecksumOffload_Enable;
/* 开启丢弃TCP/IP错误帧 */
ETH_InitStructure.ETH_DropTCPIPChecksumErrorFrame = ETH_DropTCPIPChecksumErrorFrame_Enable;
/* 开启接收数据的存储转发模式  */
ETH_InitStructure.ETH_ReceiveStoreForward = ETH_ReceiveStoreForward_Enable;
/* 开启发送数据的存储转发模式   */
ETH_InitStructure.ETH_TransmitStoreForward = ETH_TransmitStoreForward_Enable;
/* 禁止转发错误帧 */
ETH_InitStructure.ETH_ForwardErrorFrames = ETH_ForwardErrorFrames_Disable;
/* 不转发过小的好帧 */
ETH_InitStructure.ETH_ForwardUndersizedGoodFrames = ETH_ForwardUndersizedGoodFrames_Disable;
/* 打开处理第二帧功能 */
ETH_InitStructure.ETH_SecondFrameOperate = ETH_SecondFrameOperate_Enable;
/* 开启DMA传输的地址对齐功能 */
ETH_InitStructure.ETH_AddressAlignedBeats = ETH_AddressAlignedBeats_Enable;
/* 开启固定突发功能 */
ETH_InitStructure.ETH_FixedBurst = ETH_FixedBurst_Enable;
/* DMA发送的最大突发长度为32个节拍 */
ETH_InitStructure.ETH_RxDMABurstLength = ETH_RxDMABurstLength_32Beat;
/*DMA接收的最大突发长度为32个节拍 */
ETH_InitStructure.ETH_TxDMABurstLength = ETH_TxDMABurstLength_32Beat;
ETH_InitStructure.ETH_DMAArbitration = ETH_DMAArbitration_RoundRobin_RxTx_2_1;

最后调用ETH_Init函数初始化ETH即可：

EthStatus = ETH_Init(&ETH_InitStructure, ETHERNET_PHY_ADDRESS);

注意，参数2是PHY的地址，我们使用的PHY地址为0x00。
ETH_Init主要工作就是根据我们设置的ETH参数去配置相应的寄存器。

1.5 配置MAC地址

直接使用ETH_MACAddressConfig函数设置MAC地址即可：

uint8_t macAddr[6] = {0x00, 0x00, 0x00, 0x14, 0x99, 0x30};
ETH_MACAddressConfig(ETH_MAC_Address0, macAddr);

这里要注意，参数1的值为0，会操作如下寄存器：
在这里插入图片描述

1.6 配置DMA

1.6.1 DMA描述符介绍

在介绍DMA配置之前，需要了解一下STM32的ETH DMA结构：
在这里插入图片描述
一般来说我们都选择链接结构，操作起来更方便一些。提到了ETH DMA就绕不开DMA描述符，DMA描述符分为Tx DMA描述符和Rx DMA描述符，DMA描述符是纯软件的概念，STM32的ETH DMA通过DMA描述符来管理接收、发送的以太网数据。STM32默认使用的是增强型的DMA描述符。
增强型Tx DMA描述符如下：
在这里插入图片描述
可以看到描述符的大小为48bit，这和STM32定义的DMA结构体是一模一样的：

typedef struct  {
  __IO uint32_t   Status;                /*!< Status */
  uint32_t   ControlBufferSize;     /*!< Control and Buffer1, Buffer2 lengths */
  uint32_t   Buffer1Addr;           /*!< Buffer1 address pointer */
  uint32_t   Buffer2NextDescAddr;   /*!< Buffer2 or next descriptor address pointer */
/* Enhanced ETHERNET DMA PTP Descriptors */
#ifdef USE_ENHANCED_DMA_DESCRIPTORS
  uint32_t   ExtendedStatus;        /* Extended status for PTP receive descriptor */
  uint32_t   Reserved1;             /* Reserved */
  uint32_t   TimeStampLow;          /* Time Stamp Low value for transmit and receive */
  uint32_t   TimeStampHigh;         /* Time Stamp High value for transmit and receive */
#endif /* USE_ENHANCED_DMA_DESCRIPTORS */
} ETH_DMADESCTypeDef;

增强型Rx DMA描述符如下：
在这里插入图片描述
增强型Rx DMA描述符和增强型Tx DMA描述符在组成上是一致的，唯一的区别是bit的含义不同。
有人会好奇，既然DMA描述符是纯软件的概念，那么硬件DMA又是如何找到DMA描述符并使用它完成数据接收、发送操作的呢？这里就要提到DMATDLAR、DMARDLAR这两个寄存器，这两个寄存器会保存DMA描述符首地址到寄存器，这便是联系硬件DMA和软件DMA描述符的桥梁：
在这里插入图片描述

1.6.2 DMA配置过程

（1）定义发送、接收DMA描述符及buffer等变量

__align(4) 
ETH_DMADESCTypeDef  DMARxDscrTab[ETH_RXBUFNB];/* Ethernet Rx DMA Descriptor 以太网接收DMA描述符 */
__align(4) 
ETH_DMADESCTypeDef  DMATxDscrTab[ETH_TXBUFNB];/* Ethernet Tx DMA Descriptor  以太网发送DMA描述符 */
__align(4) 
uint8_t Rx_Buff[ETH_RXBUFNB][ETH_RX_BUF_SIZE]; /* Ethernet Receive Buffer 以太网接收Buffer */
__align(4) 
uint8_t Tx_Buff[ETH_TXBUFNB][ETH_TX_BUF_SIZE]; /* Ethernet Transmit Buffer 以太网发送Buffer */

以上是STM32默认配置的DMA描述符和buffer，DMA描述符的数量为4，buffer的大小为1524Byte。需要4字节对齐，方便DMA的搬运。
之所以定义buffer大小为1524Byte，是因为以太网报文最大帧大小为1524Byte，计算方法如下：

ETH_HEADER + ETH_EXTRA + VLAN_TAG + MAX_ETH_PAYLOAD + ETH_CRC

其中，
ETH_HEADER表示以太网帧头，大小为14字节，包括6字节目的地址、6字节源地址、2字节帧类型
ETH_EXTRA表示某些情况下的额外字节，大小为2字节
VLAN_TAG表示VLAN字段，大小为4字节
MAX_ETH_PAYLOA表示以太网帧有效载荷，大小为1500字节（范围为46-1500字节）
ETH_CRC表示CRC校验，大小为4字节
我们还需要定义2个DMA描述符指针，这个DMA描述符指针主要是给CPU使用的，用来指示当前操作到了哪个DMA描述符，有点类似于环形buffer的头指针，而ETH DMA则是尾指针。定义内容如下：

__IO ETH_DMADESCTypeDef  *DMATxDescToSet;
__IO ETH_DMADESCTypeDef  *DMARxDescToGet;

（2）初始化Tx DMA和Rx DMA描述符

/* Initialize Tx Descriptors list: Chain Mode */
  ETH_DMATxDescChainInit(DMATxDscrTab, &Tx_Buff[0][0], ETH_TXBUFNB);
  /* Initialize Rx Descriptors list: Chain Mode  */
  ETH_DMARxDescChainInit(DMARxDscrTab, &Rx_Buff[0][0], ETH_RXBUFNB);

ETH_DMATxDescChainInit和ETH_DMARxDescChainInit这两个函数实际上就是初始化Tx和RxDMA描述符，具体工作如下：
①设置每个DMA描述符的状态
②设置每个DMA描述符的buffer地址
③设置每个DMA描述符的下一个DMA描述符地址（构成链形）
④设置DMA描述符列表地址寄存器的值为首个DMA描述符地址
这里我们开启硬件发送报文校验和功能，当我们发送TCP/UDP/ICMP报文时无需使用CPU计算校验和，直接让DMA完成即可。语句如下：

  for(i = 0; i < ETH_TXBUFNB; i++)
    {
      ETH_DMATxDescChecksumInsertionConfig(&DMATxDscrTab[i], ETH_DMATxDesc_ChecksumTCPUDPICMPFull);
    }

（3）使能ETH
到此为止，MAC和DMA的配置基本完成，接下来只需要使能所有相关的外设即可。直接调用ETH_Start函数即可：

ETH_Start();

这个函数的主要工作就是将相关的寄存器位使能：

void ETH_Start(void)
{
  /* Enable transmit state machine of the MAC for transmission on the MII */
  ETH_MACTransmissionCmd(ENABLE);

  /* Enable receive state machine of the MAC for reception from the MII */
  ETH_MACReceptionCmd(ENABLE);

  /* Flush Transmit FIFO */
  ETH_FlushTransmitFIFO();

  /* Start DMA transmission */
  ETH_DMATransmissionCmd(ENABLE);

  /* Start DMA reception */
  ETH_DMAReceptionCmd(ENABLE);
}

这里有个非常有用的函数ETH_FlushTransmitFIFO，可以用来清空FIFO。当我们的网口之前残余了一些无用的报文，在我们初始化之前将FIFO清空可以避免这些无用报文的干扰。

2 总结

（1）DMA描述符是个纯软件的概念，通过设置DMA描述符地址寄存器来建立DMA和DMA描述符的联系。DMA描述符使用起来和环形buffer类似，且一个报文可能存在多个DMA描述符内，但一个DMA描述符最多只有一个报文。
（2）最好将接收、发送buffer大小设置到1524字节，这样可以避免拆包，便于我们对数据的处理。
（3）可以使能ETH_InitStructure.ETH_ReceiveAll开启混杂模式，这在开发Ethernet层的协议时非常有用。