二、W5100S/W5500+RP2040树莓派Pico＜DHCP＞

1 前言

  随着云计算的推广和普及，越来越多的网络设备和服务需要连接到网络，这意味着需要更多的IP地址和其他网络配置信息。DHCP服务器可以动态地分配IP地址和其他配置信息，简化了网络配置管理，提高了网络设备的可用性和效率。

  W5100S/W5500是一款集成全硬件 TCP/IP 协议栈的嵌入式以太网控制器，同时也是一颗工业级以太网控制芯片。本教程将介绍W5100S/W5500以太网DHCP应用的基本原理、使用步骤、应用实例以及注意事项，帮助读者更好地掌握这一技术。

2 简介

2 .1 什么是DHCP？

  DHCP是指动态主机配置协议，是一种网络管理协议，用于将网际协议地址动态分配给网络上的任何设备或节点，以便它们可以使用IP进行通信。DHCP自动化并集中管理这些配置，而不是要求网络管理员手动为所有网络设备分配IP地址。DHCP可以在小型本地网络以及大型企业网络上实现。

2.2 为什么要使用DHCP？

  在IP网络中，每个连接Internet的设备都需要分配唯一的IP地址。DHCP使网络管理员能从中心结点监控和分配IP地址。当某台计算机移到网络中的其它位置时，能自动收到新的IP地址。DHCP实现的自动化分配IP地址不仅降低了配置和部署设备的时间，同时也降低了发生配置错误的可能性。另外DHCP服务器可以管理多个网段的配置信息，当某个网段的配置发生变化时，管理员只需要更新DHCP服务器上的相关配置即可，实现了集中化管理。

  总体来看，DHCP相比设置静态IP地址带来了如下优势：

• 准确的IP配置：IP地址配置参数必须准确，并且在处理“ 192.168.XXX.XXX”之类的输入时，很容易出错。另外印刷错误通常很难解决，使用DHCP服务器可以最大程度地降低这种风险。
• 减少IP地址冲突：每个连接的设备都必须有一个IP地址。但是，每个地址只能使用一次，重复的地址将导致无法连接一个或两个设备的冲突。当手动分配地址时，尤其是在存在大量仅定期连接的端点（例如移动设备）时，可能会发生这种情况。DHCP的使用可确保每个地址仅使用一次。
• IP地址管理的自动化：如果没有DHCP，网络管理员将需要手动分配和撤消地址。跟踪哪个设备具有什么地址可能是徒劳的，因为几乎无法理解设备何时需要访问网络以及何时需要离开网络。DHCP允许将其自动化和集中化，因此网络专业人员可以从一个位置管理所有位置。
• 高效的变更管理：DHCP的使用使更改地址，范围或端点变得非常简单。例如，组织可能希望将其IP寻址方案从一个范围更改为另一个范围。DHCP服务器配置有新信息，该信息将传播到新端点。同样，如果升级并更换了网络设备，则不需要网络配置。

2.3 DHCP工作原理

一般步骤：

1. DHCP Client以广播的方式发出DHCP Discover报文，请求IP地址。
2. DHCP Server向DHCP Client发送一个DHCP Offer报文，提供IP地址和其它网络设置。
3. DHCP Client会向DHCP Server发出一个广播的DHCP Request报文，其中包含选中的 DHCP Server的IP地址和需要的IP地址。
4. DHCP Server向DHCP Client响应一个DHCP ACK报文，正式下发IP地址及其它网络设置。此时，DHCP Client就可以使用这个IP地址了。

2.4 DHCP应用场景

  DHCP的应用场景通常集中在需要动态分配IP地址的局域网环境中。例如，在大型的办公环境或者学校中，由于有大量的网络设备需要连接到网络，手动为每个设备分配和管理IP地址会非常麻烦，而且容易出错。使用DHCP可以集中管理IP地址的分配，提高网络管理员的工作效率，减少错误的发生。

3 WIZnet以太网芯片

WIZnet 主流硬件协议栈以太网芯片参数对比

1. W5100S/W6100 支持 8bit数据总线接口，网络传输速度会优于W5500。
2. W6100 支持IPV6，与W5100S 硬件兼容，若已使用W5100S的用户需要支持IPv6，可以Pin to Pin兼容。
3. W5500 拥有比 W5100S更多的 Socket数量以及发送与接收缓存。

4 DHCP网络设置示例概述以及使用

4.1 流程图

  程序的运行框图如下所示：

4.2 准备工作核心

软件

• Visual Studio Code
• WIZnet UartTool

硬件

• W5100SIO模块 + RP2040 树莓派Pico开发板 或者 WIZnet W5100S-EVB-Pico开发板
• Micro USB 接口的数据线
• TTL 转 USB
• 网线

4.3 连接方式

• 通过数据线连接PC的USB口（主要用于烧录程序，也可以虚拟出串口使用）

• 通过TTL串口转USB，连接UART0 的默认引脚：

  • RP2040 GPIO0（UART0 TX） <----> USB_TTL_RX
  • RP2040 GPIO1（UART0 RX） <----> USB_TTL_TX

• 使用模块连接RP2040 进行接线时

  • RP2040 GPIO16 <----> W5100S MISO
  • RP2040 GPIO17 <----> W5100S CS
  • RP2040 GPIO18 <----> W5100S SCK
  • RP2040 GPIO19 <----> W5100S MOSI
  • RP2040 GPIO20 <----> W5100S RST

• 通过PC和设备都通过网线连接路由器LAN口

4.4 主要代码概述

  我们使用的是WIZnet官方的ioLibrary_Driver库。该库支持的协议丰富，操作简单，芯片在硬件上集成了TCP/IP协议栈，该库又封装好了TCP/IP层之上的协议，我们只需简单调用相应函数即可完成协议的应用。

第一步：dhcp_client.c文件中加入对应的.h文件。

第二步：定义DHCP配置需要的宏。

第三步：网络信息的配置,开启DHCP模式。

第四步：编写定时器回调处理函数，用于 DHCP 1s滴答定时器处理函数。

第五步：主函数先是对串口和SPI的初始化，然后写入W5100S的网络配置参数，初始化DHCP后主循环开始DHCP获取IP，获取到就打印获取到的IP，获取次数超过最大获取次数时就使用静态IP。

#include 
#include "pico/stdlib.h"
#include "pico/binary_info.h"
#include "hardware/spi.h"

#include "wizchip_conf.h"
#include "bsp_spi.h"
#include "dhcp.h"

#define ETHERNET_BUF_MAX_SIZE (1024 * 2)
#define SOCKET_DHCP 0
#define DHCP_RETRY_COUNT 5

wiz_NetInfo net_info = {
    .mac = {0x00, 0x08, 0xdc, 0x16, 0xed, 0x2e}, // Define MAC variables
    .ip = {192, 168, 1, 10},                     // Define IP variables
    .sn = {255, 255, 255, 0},                    // Define subnet variables
    .gw = {192, 168, 1, 1},                      // Define gateway variables
    .dns = {8, 8, 8, 8},                         // Define DNS  variables
    .dhcp = NETINFO_DHCP};                       // Define the DNCP mode
static uint8_t dhcp_get_ip_flag = 0;             // Define the DHCP acquisition flag
static uint8_t ethernet_buf[ETHERNET_BUF_MAX_SIZE] = {
    0,
};

/*
    @brief Callback processing after triggering the timer.
    @param Timer struct.
    @return True.
 */
bool repeating_timer_callback(struct repeating_timer *t);

int main()
{
    wiz_NetInfo get_info;
    int dhcp_state = 0;
    int count = 0;
    struct repeating_timer timer; // Define the timer structure

    /*mcu init*/
    stdio_init_all();     // Initialize the main control peripheral
    wizchip_initialize(); // spi initialization

    /*wiznet chip init*/
    wizchip_setnetinfo(&net_info); // Write configuration information

    /*dhcp init*/
    add_repeating_timer_ms(1000, repeating_timer_callback, NULL, &timer); // Add  DHCP 1s Tick Timer handler
    DHCP_init(SOCKET_DHCP, ethernet_buf); // DHCP initialization
    printf("wiznet chip dhcp example start.\r\n");

    while (true)
    {
        dhcp_state = DHCP_run(); // Do the DHCP client

        switch (dhcp_state)
        {
        case DHCP_IP_LEASED: // DHCP resolves the domain name successfully
            if (dhcp_get_ip_flag == 0)
            {
                dhcp_get_ip_flag = 1;

                getSHAR(get_info.mac);
                getIPfromDHCP(get_info.ip);
                getGWfromDHCP(get_info.gw);
                getSNfromDHCP(get_info.sn);
                getDNSfromDHCP(get_info.dns);
                get_info.dhcp = NETINFO_DHCP;

                /* Network initialize */
                network_initialize(get_info); // apply from DHCP

                print_network_information(&get_info); // Read back the configuration information and print it
                printf(" DHCP leased time : %ld seconds\n", getDHCPLeasetime());
            }
            break;
        case DHCP_FAILED:
            count++;
            if (count <= DHCP_RETRY_COUNT) // If the number of times is less than or equal to the maximum number of times, try again
            {
                printf(" DHCP timeout occurred and retry %d \r\n", count);
            }
            else if (count > DHCP_RETRY_COUNT) // If the number of times is greater than DHCP fails
            {
                printf(" DHCP failed \r\n");

                DHCP_stop(); // Stop processing DHCP protocol

                net_info.dhcp = NETINFO_STATIC;
                wizchip_setnetinfo(&net_info); // Write configuration information

                print_network_information(&get_info); // Read back the configuration information and print it
            }
        }
    }
}

bool repeating_timer_callback(struct repeating_timer *t)
{
    DHCP_time_handler(); // DHCP 1s Tick Timer handler
    return true;
}

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4.5 结果演示

1.打开WIZ UartTool，填入参数：选择串口对应的COM Port，波特率115200，8位数据位，1位停止位，无校验位，无流控，填完参数后点击open打开。

2.打开串口后，按下复位键可以看到串口打印DHCP获取到的信息，其中IP为192.168.1.138。

3.通过PC终端PING获取到的IP，发现可以PING通，所以DHCP成功。

5 注意事项

• 要获取到动态IP，必需将网络结构体配置中dhcp的值改为 NETINFO_DHCP，这样才能跑DHCP模式。
• 如果想用WIZnet的W5500来实现本章的示例，我们只需修改两个地方即可：

​ (1)在library/ioLibrary_Driver/Ethernet/下找到wizchip_conf.h这个头文件，将_WIZCHIP_ 宏定义修改为W5500。

​ (2)在library下找到CMakeLists.txt文件，将COMPILE_SEL设置为ON即可，OFF为W5100S，ON为W5500。

6 相关链接

WIZnet官网

WIZnet官方库链接

本章例程链接

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