二、W5100S/W5500+RP2040树莓派Pico＜DHCP＞

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已于 2023-10-25 21:19:36 修改 · 648 阅读

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#W5100S/W5500 #树莓派RP2040 #WIZnet #嵌入式设备接入以太网方案 #TCP/IP #DHCP

于 2023-10-25 21:05:50 首次发布

本文介绍了如何在W5100S/W5500嵌入式以太网芯片上使用DHCP协议进行网络设置，包括DHCP的工作原理、应用场景、WIZnet芯片参数对比以及详细的步骤示例，展示了如何利用DHCP实现IP地址的自动分配和管理。

文章目录

1 前言
2 简介
3 WIZnet以太网芯片
4 DHCP网络设置示例概述以及使用
5 注意事项
6 相关链接

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

在这里插入图片描述

一般步骤：

DHCP Client以广播的方式发出DHCP Discover报文，请求IP地址。
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。
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。
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

Model	Embedded Core	Host I/F	TX/RX Buffer	HW Socket	Network Performance
W5100S	TCP/IPv4， MAC & PHY	8bit BUS, SPI	16KB	4	Max.25Mbps
W6100	TCP/IPv4/IPv6, MAC & PHY	8bit BUS, Fast SPI	32KB	8	Max.25Mbps
W5500	TCP/IPv4, MAC & PHY	Fast SPI	32KB	8	Max 15Mbps

W5100S/W6100 支持 8bit数据总线接口，网络传输速度会优于W5500。
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。
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：

在这里插入图片描述

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