十五、W5100S/W5500+RP2040树莓派Pico＜TFTP Client＞

1 前言

  一般来说，使用互联网的首要目的就是实现信息共享，文件传输是信息共享非常重要的内容。相较于FTP等复杂的文件传输协议，TFTP协议简单、轻量级，适用于资源有限的嵌入式系统等场景。

  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TFTP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TFTP？

  TFTP是一个简单的锁定式文件传输协议，能够在本地网络的计算机系统之间传输文件。它是一个简单的协议，利用用户数据报协议（UDP）在互联网的计算机系统之间传输文件。

2.2 TFTP的优点

1. 简单：TFTP协议实现简单，易于理解和实现，适用于在资源有限的嵌入式系统等场景下进行文件传输。
2. 轻量级：TFTP协议相对于FTP来说更加轻量级，适合于在资源有限的系统下进行文件传输。
3. 纯文本传输：TFTP使用ASCII编码进行文件传输，适用于文本文件的传输，易于解析和处理。
4. 支持错误处理：TFTP支持错误处理机制，当出现错误时，可以向对方发送错误信息进行错误处理。
5. 适用于小文件传输：TFTP协议的设计目的是进行小文件传输，因此它不具备通常的FTP的许多功能，例如，它只能从文件服务器上获得或写入文件，不能列出目录，不进行认证。这使得TFTP在传输小文件时具有较高的效率。
6. 支持只读和读写操作：TFTP支持对文件的只读和读写操作，可以用于从服务器下载文件或上传文件到服务器。

2.3 TFTP和FTP对比

TFTP和FTP是两种不同的文件传输协议，它们之间存在一些明显的差异。

1. 功能：FTP是一种完整、面向会话、常规用途的文件传输协议，提供了比TFTP更多的功能，例如目录浏览、文件重命名和权限管理等。而TFTP是一种简单、基于请求的文件传输协议，只提供最基本的文件传输功能。
2. 端口：FTP使用TCP端口21和20，而TFTP使用UDP端口69。
3. 可靠性：FTP是可靠传输协议，支持断点续传和错误恢复，而TFTP是不可靠传输协议，没有错误恢复和重传机制。
4. 安全性：FTP支持加密的SSL / TLS协议来保护传输的数据，而TFTP没有提供任何加密功能。
5. 数据包大小：FTP可以传输大文件，因为它支持数据分割和重新组装。TFTP只能传输较小的文件，因为它限制了数据包的大小。
6. 应用场景：TFTP通常用于局域网中进行固件升级或配置文件的传输，而FTP更适合用于从远程服务器下载或上传文件。

2.4 TFTP应用场景

尽管TFTP协议相对比较简单，但它仍然可以再特定的场景下发挥重要的作用。

1. 固件升级：许多硬件设备都可以通过TFTP服务器进行固件升级，TFTP服务器可以将固件文件传输到设备中进行更新，以改进设备的性能或修复软件漏洞。
2. 网络安装：TFTP服务器可以用于网络安装，例如在无盘机上预置系统，以供其他机器进行 PXE 启动时自动下载。
3. 备份文件：在Linux系统中，TFTP服务器可以用于备份系统配置文件或运行时数据。这些备份文件可以在服务器和客户端之间传输，以进行故障排除或系统恢复。
4. 小型文件传输：由于TFTP协议简单且易于实现，它适用于传输小型的文本文件，尤其适用于嵌入式系统和网络设备等资源有限的场景。

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 ARP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
• Tftpd32

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。

接下来看到tftp_client.c文件。

第一步：添加所需要的库

第二步：宏定义所需要的库以及定义所用到的变量、结构体等。

第三步：编写定时器回调函数和网络初始化函数。

第四步：在主函数中，首先我们进行芯片初始化，包括串口、SPI及其相关引脚以及W5100S芯片的链路状态检测等。然后是进行DHCP获取网络地址信息。如果获取失败，则会适用预设的静态地址信息进行配置。最后是TFTP客户端的初始化操作以及TFTP请求读文件操作。

int main(void)
{
    int i;
    struct repeating_timer timer; // Define the timer structure
    wiz_NetInfo get_info;

    int tftp_state;
    uint8_t tftp_read_flag = 0;
    uint32_t tftp_server_ip = inet_addr(TFTP_SERVER_IP);
    uint8_t tftp_read_file_name[] = TFTP_SERVER_FILE_NAME;

    /* MCU init */
    stdio_init_all();     // Initialize the main control peripheral
    wizchip_initialize(); // Initialize the chip interface

    /*dhcp init*/
    DHCP_init(SOCKET_ID, ethernet_buf);                                   // DHCP initialization
    add_repeating_timer_ms(1000, repeating_timer_callback, NULL, &timer); // Add DHCP 1s Tick Timer handler

    printf("wiznet chip tftp client example.\r\n");
    network_init(&net_info);              // Configuring Network Information
    print_network_information(&get_info); // Read back the configuration information and print it

    TFTP_init(TFTP_SOCKET_ID, tftp_client_socket_buffer);

    while (true)
    {
        if (tftp_read_flag == 0)
        {
            printf("tftp server ip: %s, file name: %s\r\n", TFTP_SERVER_IP, TFTP_SERVER_FILE_NAME);
            printf("send request\r\n");
            TFTP_read_request(tftp_server_ip, TFTP_SERVER_FILE_NAME);
            tftp_read_flag = 1;
        }
        else
        {
            tftp_state = TFTP_run();
            if (tftp_state == TFTP_SUCCESS)
            {
                printf("tftp read success, file name: %s\r\n", tftp_read_file_name);

                while (1)
                {
                }
            }
            else if (tftp_state == TFTP_FAIL)
            {
                printf("tftp read fail, file name: %s\r\n", tftp_read_file_name);
                while (1)
                {
                }
            }
        }
    }
}
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4.5 结果演示

5 注意事项

• Tftpd32工具上必须设置目录，目录下必须有请求的文件，否则会请求失败。
• 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

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