FPGA W5500 Ping Routine

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    By 我是Trustintruth
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    在一周多的时间，从软件的协议到芯片接口最后到硬件描述，我觉得是时候试一试芯片了，看一看能不能ping通。两天时间终于完成第一次ping，也挺不容易的。
    首先想要ping通，要先知道ping是什么
    它所利用的原理是这样的：利用网络上机器IP地址的唯一性，给目标IP地址发送一个数据包，再要求对方返回一个同样大小的数据包来确定两台网络机器是否连接相通，时延是多少。
    而对于W5500能够ping通，官方博客的解释是这样：
    W5500 若想Ping通的话需要保证以下2点：
    1）物理信道通信正常：初步判定Link 灯及状态灯指示正常。
    2）配置了W5500的IP，网关，子网掩码，MAC地址这些特殊寄存器
    由于W5500内部硬件逻辑电路实现了ARP协议。所以，一旦收到ping包请求的话，会自动回复。以上的设置不过是为了保证基本信道及通讯能够建立的而已。
    反向而言，如果Ping不通，也可以先从这两方面着手。
    看上去并不是很难，如果想ping通的话只是需要配置好W5500的寄存器即可。
    下面我们开始动手
    器件选择basys2，开发环境ISE，以及野火的W5500网络扩展模块
    根据W5500的说明书，我们通过SPI协议来完成与W5500的通信，共有SCSn，SCLK，MOSI，MISO4路信号，且作为SPI从机工作。其工作方式有可变长度模式和固定数据长度
    SPI协议定义了四种工作模式，每种模式的区别就是根据SCLK的极性和相位不同。W5500支持SPI模式0及模式3，数据都是在SCLK的上升沿锁存，在下降沿输出，而且无论发送与接收，均遵从最高标志位（MSB）到最低标志位（LSB）的传输序列。
    W5500与外设主机的通信受SPI数据帧控制，W5500的帧分3段：地址段，控制端，数据段。
    地址段为W5500寄存器或TX/RX 内存指定了16位的偏移地址。控制段指定了地址段设定的偏移区域的归属，读写访问模式以及SPI工作模式。数据段可以设置为任意长度或固定长度；如果SPI工作模式设置为可变数据长度模式，SPI的SCSn信号由外部主机SPI帧控制。
    在可变数据长度模式，SCSn控制SPI帧的开始和停止：SCSn信号拉低，即代表W5500的SPI帧开始（地址段）SCSn信号拉高，即代表W5500的SPI帧结束（数据段的随机N字节数据结尾）
    SPI数据帧包括16位地址段的偏移地址，8位的控制段和N字节的数据段，8位的控制段可以通过修改区域选择位（BSB[4:0]）,读写访问模式位（RWB）以及SPI工作模式位（OM[1:0]）来重新定义。区域选择选择了属于偏移地址的区域。
    W5500支持数据的连续读写。其流程为数据从偏移地址的基位会自增寻址加1传输接下来的数据。
    在控制段中指定了地址段设定的偏移区域的归属，读写访问模式以及SPI工作模式
          
     
    所以我们在开启第一件事就是配置寄存器，而我们处理发送的顺序为PHY_MODE，MAC address，IP address，gateway_address（网关地址），Set the subnet mask，Set socket 0’s mode，Set the size of socket 0’s TX buffer，Set the source port for socket 0，Send the command to open the socket， Set the destination IP address for socket 0，Send the command to read the socket state。
    好了，我们现在配置的协议了解了，顺序也已经了解了，而按顺序发送即使用SPI在每一个上升沿发送，在下降沿读取。发送的内容以及SPI_clk我们选择使用有限状态机来实现。那我们下一步就来理顺一下状态转移。
    首先我们设置出几个状态，按其功能进行命名
    1.状态初始在STATE_INITIALIZING状态，该状态内将spi_clk拉低，下一状态转入STATE_SENDING_COMMAND，同时将initialization_progress加一，case他来选择initialization_progress（mosi的数组集合）的赋值，首先是PHY_MODE，spi_chip_select_n赋值给零，spi_clock_count赋值给零，忙信号给1；此状态结束
    2.状态转入STATE_SENDING_COMMAND，spi_clk信号取反，即拉高，状态没有变化。
    3.状态依然是STATE_SENDING_COMMAND，spi_clk信号取反，即拉低，此时满足下边的条件，执行将spi_clk_count加1，
    反复执行这两个状态，到spi_clk_count 加到32时，各项状态仍和3是一样，经过了32×2个系统时钟
    4.状态依然在STATE_AEND_COMMAND，只是将spi_chip_select_n拉高为1；此时is_initialized信号为初始值0，，此时将状态转换为STATE_INITIALIZING
    状态再次到达1，此种状态一直重复直到将29个数据全部发送完毕。依次发送的是PHY_MODE，MAC address，IP address，gateway_address（网关地址），Set the subnet mask，Set socket 0’s mode，Set the size of socket 0’s TX buffer，Set the source port for socket 0，Send the command to open the socket， Set the destination IP address for socket 0，Send the command to read the socket state。
    根据spi协议spi_clk 为低，状态处在STATE_SENDING_COMMAND且spi_clk_count 在24到31之间的时候，由于相对于clk，spi_clk实质上是clk的二分频，所以对clk的上升沿的检测就是对spi_clk的所有沿的检测，在上升沿 处读取数据，由高位到低位进行读取。在下降沿处发送数据，每次发送一位一位，同样从高位到低位进行发送。将最后一组数据发送结束之后，waiting _for_socket赋值给1， 初始化的data_read为7个0，之后一直在等待套接字的状态
    这就是状态转移的基本思路
    我们基础设置IP为222.24.16.3（由于我的主机IP为222.24.16.163，所以设置了这个IP），子网掩码为255.0.0.0（最小）
    根据我们的思路，下边就是代码的书写了
    完成之后进行仿真，
    订对后发现和我们想要的都一样，仿真即通过。
    （P.S.由于 spi是系统时钟的二分频，是发送接受的时钟线。spi_clock_count是发送的计数器，他的数值即为当前发送到所给数据的位数。通过仿真可以发现状态在010和011之间变换，即为位数的变化和发送内容的更新。）
    完成仿真之后就可以在开发板上实现一下，即下好之后将电脑和模块之间用网线连接好，（我同时将无线，网络等都关闭了，以保证此网络之中只有模块和主机两个设备），打开cmd，ping一下我的模块
    这就证明ping通。
    寄存器配置成功。
    ping通只是开始，但仅仅一个ping通就已经….这段时间的学习确实走了不少的弯路，博客，说明书，论坛，甚至到淘宝去找资料。就连C51，STM32的例程也学了一些。踉踉跄跄的完成了配置。
    而要为了实现我们希望的功能咨询了一下软件大佬，首先是web服务器，web服务器是留在因特网上的程序，可以向浏览器等web用户提供文档，也可以放置文件，让全世界浏览。就是网络环境下的为客户提供某种服务的专用计算机。所以我们向web服务器上发送HTTP包装的协议，他解析分析之后再完成其他你想让他完成的任务，或者是操作。但是W5500只是整合到传输层，所以感到还是前路慢慢啊。

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    在一周多的时间，从软件的协议到芯片接口最后到硬件描述，我觉得是时候试一试芯片了，看一看能不能ping通。两天时间终于完成第一次ping，也挺不容易的。
    首先想要ping通，要先知道ping是什么
    它所利用的原理是这样的：利用网络上机器IP地址的唯一性，给目标IP地址发送一个数据包，再要求对方返回一个同样大小的数据包来确定两台网络机器是否连接相通，时延是多少。
    而对于W5500能够ping通，官方博客的解释是这样：
    W5500 若想Ping通的话需要保证以下2点：
    1）物理信道通信正常：初步判定Link 灯及状态灯指示正常。
    2）配置了W5500的IP，网关，子网掩码，MAC地址这些特殊寄存器
    由于W5500内部硬件逻辑电路实现了ARP协议。所以，一旦收到ping包请求的话，会自动回复。以上的设置不过是为了保证基本信道及通讯能够建立的而已。
    反向而言，如果Ping不通，也可以先从这两方面着手。
    看上去并不是很难，如果想ping通的话只是需要配置好W5500的寄存器即可。
    下面我们开始动手
    器件选择basys2，开发环境ISE，以及野火的W5500网络扩展模块
    根据W5500的说明书，我们通过SPI协议来完成与W5500的通信，共有SCSn，SCLK，MOSI，MISO4路信号，且作为SPI从机工作。其工作方式有可变长度模式和固定数据长度
    SPI协议定义了四种工作模式，每种模式的区别就是根据SCLK的极性和相位不同。W5500支持SPI模式0及模式3，数据都是在SCLK的上升沿锁存，在下降沿输出，而且无论发送与接收，均遵从最高标志位（MSB）到最低标志位（LSB）的传输序列。
    W5500与外设主机的通信受SPI数据帧控制，W5500的帧分3段：地址段，控制端，数据段。
    地址段为W5500寄存器或TX/RX 内存指定了16位的偏移地址。控制段指定了地址段设定的偏移区域的归属，读写访问模式以及SPI工作模式。数据段可以设置为任意长度或固定长度；如果SPI工作模式设置为可变数据长度模式，SPI的SCSn信号由外部主机SPI帧控制。
    在可变数据长度模式，SCSn控制SPI帧的开始和停止：SCSn信号拉低，即代表W5500的SPI帧开始（地址段）SCSn信号拉高，即代表W5500的SPI帧结束（数据段的随机N字节数据结尾）
    SPI数据帧包括16位地址段的偏移地址，8位的控制段和N字节的数据段，8位的控制段可以通过修改区域选择位（BSB[4:0]）,读写访问模式位（RWB）以及SPI工作模式位（OM[1:0]）来重新定义。区域选择选择了属于偏移地址的区域。
    W5500支持数据的连续读写。其流程为数据从偏移地址的基位会自增寻址加1传输接下来的数据。
    在控制段中指定了地址段设定的偏移区域的归属，读写访问模式以及SPI工作模式
          
     
    所以我们在开启第一件事就是配置寄存器，而我们处理发送的顺序为PHY_MODE，MAC address，IP address，gateway_address（网关地址），Set the subnet mask，Set socket 0’s mode，Set the size of socket 0’s TX buffer，Set the source port for socket 0，Send the command to open the socket， Set the destination IP address for socket 0，Send the command to read the socket state。
    好了，我们现在配置的协议了解了，顺序也已经了解了，而按顺序发送即使用SPI在每一个上升沿发送，在下降沿读取。发送的内容以及SPI_clk我们选择使用有限状态机来实现。那我们下一步就来理顺一下状态转移。
    首先我们设置出几个状态，按其功能进行命名
    1.状态初始在STATE_INITIALIZING状态，该状态内将spi_clk拉低，下一状态转入STATE_SENDING_COMMAND，同时将initialization_progress加一，case他来选择initialization_progress（mosi的数组集合）的赋值，首先是PHY_MODE，spi_chip_select_n赋值给零，spi_clock_count赋值给零，忙信号给1；此状态结束
    2.状态转入STATE_SENDING_COMMAND，spi_clk信号取反，即拉高，状态没有变化。
    3.状态依然是STATE_SENDING_COMMAND，spi_clk信号取反，即拉低，此时满足下边的条件，执行将spi_clk_count加1，
    反复执行这两个状态，到spi_clk_count 加到32时，各项状态仍和3是一样，经过了32×2个系统时钟
    4.状态依然在STATE_AEND_COMMAND，只是将spi_chip_select_n拉高为1；此时is_initialized信号为初始值0，，此时将状态转换为STATE_INITIALIZING
    状态再次到达1，此种状态一直重复直到将29个数据全部发送完毕。依次发送的是PHY_MODE，MAC address，IP address，gateway_address（网关地址），Set the subnet mask，Set socket 0’s mode，Set the size of socket 0’s TX buffer，Set the source port for socket 0，Send the command to open the socket， Set the destination IP address for socket 0，Send the command to read the socket state。
    根据spi协议spi_clk 为低，状态处在STATE_SENDING_COMMAND且spi_clk_count 在24到31之间的时候，由于相对于clk，spi_clk实质上是clk的二分频，所以对clk的上升沿的检测就是对spi_clk的所有沿的检测，在上升沿 处读取数据，由高位到低位进行读取。在下降沿处发送数据，每次发送一位一位，同样从高位到低位进行发送。将最后一组数据发送结束之后，waiting _for_socket赋值给1， 初始化的data_read为7个0，之后一直在等待套接字的状态
    这就是状态转移的基本思路
    我们基础设置IP为222.24.16.3（由于我的主机IP为222.24.16.163，所以设置了这个IP），子网掩码为255.0.0.0（最小）
    根据我们的思路，下边就是代码的书写了
    完成之后进行仿真，
    订对后发现和我们想要的都一样，仿真即通过。
    （P.S.由于 spi是系统时钟的二分频，是发送接受的时钟线。spi_clock_count是发送的计数器，他的数值即为当前发送到所给数据的位数。通过仿真可以发现状态在010和011之间变换，即为位数的变化和发送内容的更新。）
    完成仿真之后就可以在开发板上实现一下，即下好之后将电脑和模块之间用网线连接好，（我同时将无线，网络等都关闭了，以保证此网络之中只有模块和主机两个设备），打开cmd，ping一下我的模块
    这就证明ping通。
    寄存器配置成功。
    ping通只是开始，但仅仅一个ping通就已经….这段时间的学习确实走了不少的弯路，博客，说明书，论坛，甚至到淘宝去找资料。就连C51，STM32的例程也学了一些。踉踉跄跄的完成了配置。
    而要为了实现我们希望的功能咨询了一下软件大佬，首先是web服务器，web服务器是留在因特网上的程序，可以向浏览器等web用户提供文档，也可以放置文件，让全世界浏览。就是网络环境下的为客户提供某种服务的专用计算机。所以我们向web服务器上发送HTTP包装的协议，他解析分析之后再完成其他你想让他完成的任务，或者是操作。但是W5500只是整合到传输层，所以感到还是前路慢慢啊。

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    tonywang_