Ethernet 示例说明

中文 | English

简介

本示例展示了如何在 Titan Board 上使用 以太网接口，结合 RT-Thread Ethernet 驱动框架 实现网络通信功能。

主要功能包括：

  • 初始化 RA8 系列以太网硬件

  • 配置 IP 地址、子网掩码和网关

  • 发送和接收以太网帧

  • 集成 RT-Thread netdev 框架，实现统一网络设备管理

  • 支持 DMA 和中断，实现高速数据传输

以太网（Ethernet）简介

1. 概述

以太网（Ethernet） 是最广泛使用的局域网（LAN）技术，由 Xerox PARC 在 1970 年代提出，后由 IEEE 802.3 标准化。以太网具有以下特点：

  • 数据传输方式：基于 帧（Frame） 的分组交换，物理上可通过双绞线、光纤或无线介质传输。

  • 拓扑结构：传统以太网为总线或星型拓扑，现代以太网主要采用星型和树型。

  • 协议层次：属于 OSI 模型的数据链路层（第 2 层）及物理层（第 1 层）技术。

2. 以太网帧结构

以太网使用 帧（Frame） 作为数据传输单位。以太网帧由以下字段组成：

字段

长度

描述

前导码（Preamble）

7 字节

用于帧同步

帧开始定界符（SFD）

1 字节

帧起始标志，值为 10101011

目的 MAC 地址

6 字节

接收方硬件地址

源 MAC 地址

6 字节

发送方硬件地址

类型/长度

2 字节

上层协议类型或帧长度

数据载荷

46~1500 字节

上层数据（如 IP 包）

CRC 校验

4 字节

循环冗余校验，保证帧完整性

最小帧长度：64 字节 最大帧长度：1518 字节（不含 VLAN 标记时）

3. 以太网物理层与速率

以太网有多种速率和物理介质标准，主要分为以下几类：

标准

速率

介质

特点

10BASE-T

10 Mbps

双绞线

最初以太网标准

100BASE-TX

100 Mbps

双绞线

快速以太网

1000BASE-T

1 Gbps

双绞线

千兆以太网

10GBASE-T

10 Gbps

双绞线

10G 以太网

10GBASE-SR

10 Gbps

光纤

短距离光纤传输

40GBASE / 100GBASE

40/100 Gbps

光纤

数据中心高速以太网

  • BASE-T：基于双绞线传输

  • BASE-SX / LX / SR：基于光纤传输

4. 以太网访问控制机制

以太网使用 CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection） 机制：

  1. Carrier Sense（载波监听）：发送前监听信道是否空闲

  2. Multiple Access（多路访问）：所有节点共享同一信道

  3. Collision Detection（碰撞检测）：若同时发送发生冲突，节点停止发送并在随机延迟后重传

注意：现代交换机以太网大多为全双工（Full Duplex），不再使用 CSMA/CD。

5. VLAN 与以太网扩展

  • VLAN（Virtual LAN）：通过 IEEE 802.1Q 标准，实现逻辑网络划分，提高网络安全和管理性。

  • VLAN 标签帧结构：

字段

长度

描述

TPID

2 字节

以太网类型标识 0x8100

TCI

2 字节

VLAN ID 与优先级

数据载荷

46~1500 字节

上层数据

CRC

4 字节

校验

  • QoS 支持：VLAN 标签中的 PCP 字段可用于优先级标记。

6. 以太网帧类型

  1. 单播（Unicast）：目标 MAC 地址唯一

  2. 广播（Broadcast）：目标 MAC 地址为 FF:FF:FF:FF:FF:FF

  3. 组播（Multicast）：目标 MAC 地址对应一组节点

7. 以太网发展趋势

  1. 高速化：从 10 Mbps → 100 Mbps → 1 Gbps → 10/40/100 Gbps

  2. 工业以太网：支持实时控制协议（EtherCAT、Profinet、TSN）

  3. 以太网供电（PoE）：通过网线同时传输数据和电力

  4. 全双工交换机网络：消除碰撞，提高带宽利用率

  5. 时间敏感网络（TSN）：为工业自动化和汽车网络提供确定性时延

RA8 系列以太网特性

RA8 系列 MCU（如 RA8P1）集成高性能 以太网 MAC，支持 RGMII、RMII 和 MII 接口，具备稳定可靠的高速网络通信能力。MAC 可配合外部 PHY 使用，并兼容 LwIP TCP/IP 协议栈。

1. 网络接口特性

  1. 接口类型

    • RMII（Reduced Media Independent Interface）：节省引脚，支持 10/100 Mbps

    • MII（Media Independent Interface）：标准接口，支持 10/100 Mbps

    • RGMII（Reduced Gigabit MII）：支持 10/100/1000 Mbps，高速接口，适用于千兆以太网

  2. PHY 连接

    • 外部 PHY 通过 MDC/MDIO 接口连接

    • 支持自动协商速率和双工模式

    • 可读取和写入 PHY 寄存器，用于配置和状态监控

2. MAC 特性

  1. 双工与速率支持

    • 全/半双工

    • 支持 10/100/1000 Mbps（RGMII）

    • 支持自动协商或强制配置

  2. 帧处理

    • VLAN 标签支持（IEEE 802.1Q，可选）

    • 支持多播和广播帧过滤

    • 硬件 CRC 生成和校验

  3. MAC 地址管理

    • 支持单个或多个 MAC 地址

    • 可通过 FSP 或软件动态配置

3. DMA 与缓冲特性

  1. 独立 TX/RX DMA 引擎

    • 支持同时发送和接收数据

    • 减少 CPU 占用，提高吞吐量

  2. 描述符队列

    • TX/RX 缓冲区数量可配置

    • 支持链式 DMA，提高大数据传输效率

  3. 多缓冲区管理

    • 支持环形缓冲区，实现连续传输

    • 减少丢包

  4. 硬件加速

    • 帧过滤、长度检测和 CRC 校验

4. 中断机制

  1. 中断类型

    • 接收完成（RX）

    • 发送完成（TX）

    • 错误中断（CRC 错误、缓冲溢出）

  2. 中断配置

    • 优先级可通过 FSP 配置

    • 支持 RT-Thread ISR 集成

  3. 优化

    • RX/TX 中断可与 DMA 联动

    • 可选择性启用中断，提高性能

5. PHY 管理

  1. MDIO 接口

    • 可读写 PHY 寄存器，实现配置、复位和状态监控

  2. 自动协商

    • 支持速率（10/100/1000 Mbps）和双工模式自动协商

  3. 链路监控

    • 检测链路状态（Up/Down）

    • CRC 错误和冲突检测

6. 协议与栈支持

  1. TCP/IP 协议栈集成

    • 兼容 LwIP

    • 支持 TCP/UDP/ICMP、DHCP 客户端/服务器、ARP

  2. 应用层支持

    • 支持 Telnet、HTTP、MQTT 等应用

    • 多线程安全，支持并发访问

7. 性能与可靠性

  1. 吞吐量优化

    • DMA + 中断减少 CPU 占用

    • TX/RX 缓冲区大小可调

  2. 可靠性特性

    • 硬件 CRC 校验

    • VLAN 和多播过滤减少干扰

    • 链路检测与自动重连

硬件说明

ETH0：

image-20251015150029747

ETH1：

image-20251015150100313

FSP 配置

注意: 本工程所使用的 FSP 版本为 6.2.0，在使用 FSP 配置功能时请使用 FSP 6.2.0。

  • 新建 r_rmac stack：

image-20250814131414903

  • 配置 r_mac stack：

image-20251031163125761

  • 配置 r_layer3_switch：

image-20251031163345186

  • 配置 r_rmac_phy：

image-20250814152410946

  • 配置 g_rmac_phy_lsi0：

image-20250814152603736

  • ETH0 引脚配置：

image-20250814152720113

  • 注意：ETH 相关的所有引脚需要将驱动能力改为 H。

image-20250814152759063

RT-Thread Settings 配置

  • 在 RT-Thread Settings 中使能 Ethernet。

image-20250814133033609

软件说明

以太网的 phy 芯片初始化函数在 ./board/ports/drv_rtl8211.c 中：

void rmac_phy_target_rtl8211_initialize (rmac_phy_instance_ctrl_t * phydev)
{
#define RTL_8211F_PAGE_SELECT 0x1F
#define RTL_8211F_EEELCR_ADDR 0x11
#define RTL_8211F_LED_PAGE 0xD04
#define RTL_8211F_LCR_ADDR 0x10

    uint32_t val1, val2 = 0;

    /* switch to led page */
    R_RMAC_PHY_Write(phydev, RTL_8211F_PAGE_SELECT, RTL_8211F_LED_PAGE);

    /* set led1(green) Link 10/100/1000M, and set led2(yellow) Link 10/100/1000M+Active */
    R_RMAC_PHY_Read(phydev, RTL_8211F_LCR_ADDR, &val1);
    val1 |= (1 << 5);
    val1 |= (1 << 8);
    val1 &= (~(1 << 9));
    val1 |= (1 << 10);
    val1 |= (1 << 11);
    R_RMAC_PHY_Write(phydev, RTL_8211F_LCR_ADDR, val1);

    /* set led1(green) EEE LED function disabled so it can keep on when linked */
    R_RMAC_PHY_Read(phydev, RTL_8211F_EEELCR_ADDR, &val2);
    val2 &= (~(1 << 2));
    R_RMAC_PHY_Write(phydev, RTL_8211F_EEELCR_ADDR, val2);

    /* switch back to page0 */
    R_RMAC_PHY_Write(phydev, RTL_8211F_PAGE_SELECT, 0xa42);
}

bool rmac_phy_target_rtl8211_is_support_link_partner_ability (rmac_phy_instance_ctrl_t * p_instance_ctrl,
                                                             uint32_t                   line_speed_duplex)
{
    FSP_PARAMETER_NOT_USED(p_instance_ctrl);
    FSP_PARAMETER_NOT_USED(line_speed_duplex);

    /* This PHY-LSI supports half and full duplex mode. */
    return true;
}

编译&下载

  • RT-Thread Studio：在RT-Thread Studio 的包管理器中下载 Titan Board 资源包，然后创建新工程，执行编译。

编译完成后，将开发板的 USB-DBG 接口与 PC 机连接，然后将固件下载至开发板。

运行效果

将网线插入 ETH0 网口，按下复位按键重启开发板，等待 PHY0 link up 之后输入 ifconfig 可以查看开发板获取到的 IP 地址，然后输入 ping baidu.com 命令进行连通性测试。

image-20250814153134610

iperf 测试

打开 RT-Thread Settings 添加 netutils 软件包并使能 iperf 工具。

image-20251110114623672

编译下载后在串口终端输入 iperf -c 主机IP -p 5001 进行 iperf 测试。

image-20251110115000947