STM32F7与LAN8720以太网协同设计

嵌入式以太网实战：STM32F7与LAN8720的深度协同设计

在工业自动化和智能设备日益依赖网络连接的今天，一个稳定、高效且成本可控的以太网接口方案，往往决定了整机系统的成败。许多开发者都曾面临这样的问题：明明硬件连接无误，代码也照例初始化了外设，可就是迟迟无法建立网络链路——数据发不出去，也收不到回应。这类“看似简单却难以调试”的问题，根源常常不在于MCU本身，而在于MAC与PHY之间的微妙配合。

以STM32F7系列为代表的高性能Cortex-M7芯片，虽然内置了功能完整的以太网MAC控制器，但它仍需外部PHY芯片才能真正接入物理网络。Microchip的LAN8720正是这一环节中极具性价比的选择。它体积小、功耗低、支持RMII接口，在百兆速率下表现稳健，成为众多嵌入式项目中的首选PHY。然而，要让STM32F7顺利驱动LAN8720，并非只是调用几个HAL库函数那么简单。从时钟配置到寄存器协商，从DMA缓冲管理到链路状态监控，每一个细节都可能成为系统稳定的隐患点。

我们不妨从一次典型的失败启动说起。某款边缘网关上电后，LwIP始终报告“Link Down”，即使反复复位PHY也无效。排查发现，问题出在REF_CLK信号源的选择上：原本设计由MCU提供时钟给LAN8720，但由于PCB走线过长且未做阻抗匹配，导致时钟信号畸变，PHY无法锁定。最终改为外部25MHz晶振直接驱动LAN8720，并将其输出的REF_CLK反馈给STM32F7作为时钟源，问题迎刃而解。这个案例说明，成功的以太网驱动不仅仅是软件逻辑正确，更是软硬协同的结果。

回到技术本质，STM32F7的ETH外设本质上是一个高度集成的数据搬运引擎。它包含MAC层控制逻辑、DMA控制器以及与外部PHY通信的接口逻辑。其中，MAC负责帧格式封装、CRC校验、地址过滤等任务；DMA则独立于CPU运行，通过环形描述符队列自动完成数据包在内存与MAC之间的传输，极大减轻主核负担。而真正决定能否连通网络的关键，则落在外部PHY芯片LAN8720身上。

LAN8720作为物理层收发器，承担着数字信号与模拟线路之间的转换职责。它通过RMII（Reduced Media Independent Interface）与STM32F7相连，仅需两根数据线（RXD[1:0]、TXD[1:0]）、使能信号（TX_EN、RX_DV）及时钟线（REF_CLK），即可实现10/100Mbps自适应通信。相比MII需要8位数据线的设计，RMII大幅节省了MCU引脚资源，特别适合引脚紧张的应用场景。同时，其内部支持IEEE 802.3标准的MDIO/MDC管理接口，允许MCU通过串行方式读写PHY寄存器，完成模式设置、状态查询和故障诊断。

实际开发中最容易忽视的是MDIO时序约束。根据规范，MDIO操作频率不得超过2.5MHz。对于运行在216MHz的STM32F7来说，这意味着必须对HCLK进行足够分频。若忽略这一点，可能导致PHY寄存器访问失败或误写。例如，在 HAL_ETH_Init() 之前，应确保RCC配置中ETH时钟分频系数合理：

RCC_PeriphCLKInitTypeDef PeriphClkInitStruct = {0};
PeriphClkInitStruct.PeriphClockSelection = RCC_PERIPHCLK_ETH;
PeriphClkInitStruct.EthClockSelection = RCC_ETHCLKSOURCE_PLLP; // 或其他合适源
HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&PeriphClkInitStruct);

此外，GPIO初始化也不容马虎。RMII相关引脚必须配置为复用推挽模式，并启用正确的AF11功能。以下是一段经过验证的初始化代码片段：

void MX_ETH_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    __HAL_RCC_ETH_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_GPIOG_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

    // PG11, PG12, PG13: ETH_RMII_TXD0, TXD1, TX_EN
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_11 | GPIO_PIN_12 | GPIO_PIN_13;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;
    GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF11_ETH;
    HAL_GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStruct);

    // PC1, PC2, PC3, PC7: ETH_MDC, MDIO, MII_RXD0, RXD1
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_1 | GPIO_PIN_2 | GPIO_PIN_3 | GPIO_PIN_7;
    HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);

    // PA1, PA2, PA7: ETH_REF_CLK, CRS_DV, RX_DV
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_1 | GPIO_PIN_2 | GPIO_PIN_7;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    heth.Instance = ETH;
    heth.Init.AutoNegotiation = ETH_AUTONEGOTIATION_ENABLE;
    heth.Init.PhyAddress = 0x01;  // LAN8720默认地址
    heth.Init.MACAddr = (uint8_t *)&mac_addr;
    heth.Init.RxMode = ETH_RXPOLLING_MODE;
    heth.Init.ChecksumMode = ETH_CHECKSUM_BY_HARDWARE;
    heth.Init.MediaInterface = ETH_MEDIA_INTERFACE_RMII;

    if (HAL_ETH_Init(&heth) != HAL_OK) {
        Error_Handler();
    }
}

这段代码看似简洁，但背后隐藏着多个关键决策。比如 RxMode 选择轮询还是中断？对于轻量级应用，轮询更易调试且避免中断优先级冲突；而对于高吞吐场景，则建议切换至中断模式并合理设置DMA描述符数量。又如 ChecksumMode 启用硬件校验，可在接收时由MAC自动验证IP/TCP/UDP校验和，显著提升协议栈处理效率。

接下来是PHY本身的初始化流程。很多开发者习惯性地调用 HAL_ETH_WritePHYRegister 进行复位和开启自协商，但却忽略了等待链接建立的超时机制。没有超时保护的while循环可能造成系统挂死。更稳妥的做法如下：

uint32_t LAN8720_Init(ETH_HandleTypeDef *heth)
{
    uint32_t reg;
    uint32_t timeout = 0;

    // 软件复位PHY
    HAL_ETH_WritePHYRegister(heth, PHY_ADDRESS, PHY_BCR, PHY_RESET);
    HAL_Delay(100);

    // 启动自协商
    HAL_ETH_WritePHYRegister(heth, PHY_ADDRESS, PHY_BCR, PHY_AUTONEGOTIATION);

    // 等待链路就绪，带超时（5秒）
    do {
        HAL_ETH_ReadPHYRegister(heth, PHY_ADDRESS, PHY_BSR, &reg);
        HAL_Delay(10);
        timeout += 10;
        if (timeout > 5000) {
            return 1; // 初始化失败
        }
    } while ((reg & PHY_LINKED_STATUS) == 0);

    // 读取厂商特定寄存器获取协商结果
    HAL_ETH_ReadPHYRegister(heth, PHY_ADDRESS, 0x1F, &reg);

    printf("Link: %s, Speed: %dMbps, Duplex: %s\n",
           "UP",
           (reg & (1 << 13)) ? 100 : 10,
           (reg & (1 << 14)) ? "Full" : "Half");

    return 0;
}

这里使用了5秒超时机制，并通过读取LAN8720的特殊模式寄存器（0x1F）来判断实际协商结果。值得注意的是，不同PHY芯片的状态寄存器布局各异，不能一概而论。因此，在项目初期务必查阅对应Datasheet确认关键位定义。

当物理链路建立后，下一步便是接入TCP/IP协议栈。LwIP因其轻量、模块化和良好的可移植性，成为嵌入式领域的首选。在初始化LwIP前，需先分配PBUF池和TCP PCB结构体空间。推荐将网络缓冲区放置在SRAM或SDRAM中，避免堆碎片化影响长期运行稳定性。示例代码如下：

// LwIP初始化
void lwip_init_task(void *pvParameters)
{
    ip4_addr_t ipaddr, netmask, gw;

    // 静态IP配置
    IP4_ADDR(&ipaddr, 192, 168, 1, 100);
    IP4_ADDR(&netmask, 255, 255, 255, 0);
    IP4_ADDR(&gw, 192, 168, 1, 1);

    tcpip_init(NULL, NULL);
    netif_add(&g_netif, &ipaddr, &netmask, &gw, NULL, etharp_if_init, tcpip_input);
    netif_set_default(&g_netif);
    netif_set_up(&g_netif);

    // 启动DHCP客户端（可选）
    dhcp_start(&g_netif);

    while (1) {
        ethernetif_input(&g_netif);  // 处理接收到的数据包
        sys_check_timeouts();        // 执行LwIP定时任务
        vTaskDelay(1);
    }
}

在整个系统架构中，还有一个常被低估的因素——PCB布局。RMII信号虽为低速并行总线（50MHz），但仍需注意等长布线（±50mil以内），尤其是REF_CLK与其他数据线之间的时间偏移。建议对REF_CLK走线进行包地处理，并远离高频信号路径。电源方面，若使用核心电压为1.8V的LAN8720版本（如LAN8720I），需额外添加电平转换电路或选用兼容3.3V I/O的型号（如LAN8720A）。

至于中断与轮询的选择，则取决于应用场景。实时控制系统通常采用中断触发DMA传输，以便快速响应网络事件；而在资源受限或任务调度简单的系统中，轮询反而更具确定性。无论哪种方式，都应定期检查PHY状态寄存器，以应对网线拔插或交换机重启等情况。

最后值得一提的是扩展潜力。基于此平台，可轻松实现Modbus TCP服务器、HTTP服务端、MQTT客户端甚至TLS加密通信。配合FreeRTOS等RTOS系统，还能支持多线程并发处理，满足复杂工业协议需求。更重要的是，该方案具备良好的可维护性——通过TFTP或HTTP实现远程固件升级，大大降低了现场维护成本。

可以说，STM32F7与LAN8720的组合，不仅解决了“能不能联网”的基础问题，更为后续的功能演进提供了坚实基础。它的价值不仅体现在技术可行性上，更在于工程实践中的稳定性与可复制性。掌握这套软硬件协同的设计思路，开发者便拥有了构建可靠嵌入式网络系统的“通用钥匙”。