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W5500从零开始：手把手教你构建嵌入式以太网通信系统

你有没有遇到过这样的场景？项目已经快收尾了，主控MCU却因为跑LwIP协议栈而频繁死机；或者为了实现一个简单的TCP连接，不得不啃完上千行的FreeRTOS+LwIP移植代码。如果你正在寻找一种更稳定、更高效、开发更简单的联网方案——那么W5500很可能就是你要找的答案。

作为一款“全硬件实现TCP/IP”的以太网控制器，W5500在工业控制和物联网设备中早已成为经典之选。它不是Wi-Fi模块那种“黑盒”方案，也不是需要复杂移植的软件协议栈，而是让你用几条SPI指令就能建立起可靠网络连接的“协处理器级”解决方案。

今天，我们就抛开那些浮于表面的宣传语，真正从底层讲清楚：W5500到底是怎么工作的？我们该如何一步步把它用起来？

为什么是W5500？当别人还在处理中断时，你已经在发数据了

先说个现实问题：很多工程师选择ENC28J60或STM32自带MAC+LwIP方案，结果发现CPU占用率动辄超过40%，稍微来点并发就卡顿。原因很简单——这些方案把本该由硬件完成的任务丢给了MCU去“模拟”。

而W5500不一样。它的核心价值在于：所有网络协议（TCP/UDP/ICMP/ARP）全部固化在芯片内部，MCU只负责通过SPI下发命令和读写数据。

这意味着什么？

• 不需要移植LwIP、不需要管理pbuf、不用操心内存池分配
• 没有复杂的TCP状态机要维护
• 哪怕你的MCU只有8KB RAM，也能轻松建立多个TCP连接

你可以把它想象成一个“会自己上网的外设”。你告诉它：“去连这个IP的某个端口”，然后它自己完成三次握手；你往缓冲区一塞数据，它自动分包发送并处理重传。整个过程你几乎不用干预。

这正是W5500在PLC、远程IO模块、智能电表等对稳定性要求极高的场合广受欢迎的原因。

SPI通信：别被“特殊帧格式”吓到，其实很简单

W5500通过标准四线SPI（SCLK、MOSI、MISO、CS）与MCU通信，支持最高80MHz速率（供电≥2.5V），工作模式为Mode 0（CPOL=0, CPHA=0）。但它的SPI协议有个关键特点：地址+命令+数据三段式结构。

那个让人困惑的“第三字节bit0”

官方文档里常说：

第三个字节包含低8位地址 + R/W位（bit0）

其实这句话可以换个说法：

你在SPI发送的第一个字节是高8位地址，第二个字节是“低8位地址 | (读写标志 << 0)”

举个例子：向寄存器0x0003写入0x1A

SPI_Write(0x00); // 高地址：0x00 SPI_Write(0x03); // 低地址：0x03，注意此时 bit0=0 表示写操作 SPI_Write(0x1A); // 数据

如果是读操作，则第二个字节的最低位设为1：

SPI_Write(0x00); SPI_Write(0x03 | 0x01); // 0x03 | 1 → 0x04? 不！是逻辑或，结果是 0bxxxxxx1 SPI_Read(); // 接收返回数据

所以记住一句话：写操作第二字节 bit0 = 0，读操作 bit0 = 1

实际代码怎么写？别依赖HAL库的阻塞调用！

很多人直接用HAL_SPI_Transmit()三字节发送，看似没问题，但在高速SPI下容易出错。推荐使用DMA或至少确保CS片选严格包裹事务。

这里是一个经过验证的基础函数模板（基于STM32 HAL）：

uint8_t wiz_write(uint16_t addr, uint8_t data) { uint8_t buf[3]; buf[0] = (uint8_t)(addr >> 8); buf[1] = (uint8_t)(addr & 0xFF); buf[2] = data; HAL_GPIO_WritePin(W5500_CS_Port, W5500_CS_Pin, GPIO_PIN_RESET); HAL_SPI_Transmit(&hspi1, buf, 3, 10); HAL_GPIO_WritePin(W5500_CS_Port, W5500_CS_Pin, GPIO_PIN_SET); return 0; } uint8_t wiz_read(uint16_t addr) { uint8_t tx[3] = {0}, rx[3] = {0}; tx[0] = (uint8_t)(addr >> 8); tx[1] = (uint8_t)((addr & 0xFF) | 0x01); // 设置读标志 tx[2] = 0xFF; // 占位，用于接收数据 HAL_GPIO_WritePin(W5500_CS_Port, W5500_CS_Pin, GPIO_PIN_RESET); HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, tx, rx, 3, 10); HAL_GPIO_WritePin(W5500_CS_Port, W5500_CS_Pin, GPIO_PIN_SET); return rx[2]; // 真正的数据在第三个字节返回 }

⚠️ 注意：某些SPI主机在只发不收时不会产生时钟，因此读操作必须使用 TransmitReceive 模式！

寄存器配置：别盲目照搬地址，先理解逻辑结构

W5500的寄存器分为两类：

最关键的几个公共寄存器

初始化流程不能跳步！

常见错误：有人直接写IP地址就开始建Socket，结果连接失败还不知道为什么。

正确顺序应该是：

1. 硬件复位：拉低nRESET引脚 ≥ 2μs
2. 设置MAC地址（必须唯一）
3. 配置IP、子网、网关
4. 设置RTR/RCR（否则断线后无法自动重连）
5. 检查PHY链路状态（PHYCFGR @ 0x002E）

下面是完整初始化函数示例：

void w5500_init_network(void) { // Step 1: Reset chip wiz_write(0x0000, 0x80); // Set MR.RESET = 1 HAL_Delay(10); // Wait for reset complete // Step 2: Set MAC Address (example) uint8_t mac[6] = {0x00, 0x08, 0xDC, 0x1A, 0x2B, 0x3C}; for (int i = 0; i < 6; i++) { wiz_write(0x0009 + i, mac[i]); } // Step 3: Set IP Configuration uint8_t ip[4] = {192, 168, 1, 100}; uint8_t gw[4] = {192, 168, 1, 1}; uint8_t sub[4] = {255, 255, 255, 0}; for (int i = 0; i < 4; i++) { wiz_write(0x000F + i, ip[i]); // SIPR wiz_write(0x0001 + i, gw[i]); // GAR wiz_write(0x0005 + i, sub[i]); // SUBR } // Step 4: Retry settings (200ms timeout, max 3 retries) wiz_write(0x0017, 2); // RTR[7:0] wiz_write(0x0018, 0xC8); // RTR[15:8], total = 0xC802 * 100us ≈ 200ms wiz_write(0x0019, 3); // RCR // Step 5: Check PHY link status if ((wiz_read(0x002E) & 0x01) == 0) { // Link down! Handle error. Error_Handler(); } }

🔍 小贴士：PHYCFGR @ 0x002E的 bit0 表示链路状态，1=已连接，0=未连接。务必轮询直到变为1。

Socket编程：这才是真正的“即插即用”网络接口

W5500提供8个独立Socket（0~7），每个都可以独立配置为TCP客户端、服务器、UDP或RAW模式。它们就像是8个内置的“网络通道”，互不干扰。

Socket寄存器映射规则

每个Socket的寄存器基地址为：0x0400 + (sock_no << 8)

常用寄存器偏移如下：

宏定义建议这样写：

#define SOCK_BASE(s) (0x0400 + ((s) << 8)) #define SOCK_MR(s) (SOCK_BASE(s) + 0x00) #define SOCK_CR(s) (SOCK_BASE(s) + 0x01) #define SOCK_SR(s) (SOCK_BASE(s) + 0x03) #define SOCK_PORT(s) (SOCK_BASE(s) + 0x04) #define SOCK_DIPR(s) (SOCK_BASE(s) + 0x0C) #define SOCK_DPORT(s) (SOCK_BASE(s) + 0x0E) #define SOCK_TX_FSR(s) (SOCK_BASE(s) + 0x20) #define SOCK_RX_RSR(s) (SOCK_BASE(s) + 0x26)

TCP客户端连接全过程演示

假设我们要用Socket0连接远程服务器192.168.1.50:8080

void tcp_client_connect(uint8_t s, uint8_t *ip, uint16_t port) { // 1. 设置为TCP模式 wiz_write(SOCK_MR(s), 0x02); // 2. 设置目标IP for (int i = 0; i < 4; i++) { wiz_write(SOCK_DIPR(s) + i, ip[i]); } // 3. 设置目标端口（高位在前） wiz_write(SOCK_DPORT(s), (port >> 8) & 0xFF); wiz_write(SOCK_DPORT(s) + 1, port & 0xFF); // 4. 打开Socket wiz_write(SOCK_CR(s), 0x01); // OPEN while (wiz_read(SOCK_CR(s)) != 0); // 等待命令执行完毕 // 5. 发起连接 wiz_write(SOCK_CR(s), 0x04); // CONNECT }

之后就可以轮询状态寄存器判断是否连接成功：

uint8_t state = wiz_read(SOCK_SR(s)); if (state == 0x17) { // 0x17 = ESTABLISHED // 可以开始发送数据了！ } else if (state == 0x1C) { // CLOSED // 连接失败，可能目标不可达 }

数据收发：别忘了缓冲区管理和指针递增

W5500内部有32KB内存：16KB用于Tx，16KB用于Rx，可按需分配给各个Socket。

数据传输不是直接操作RAM，而是通过两个指针寄存器：

• Sn_TX_WR：当前写入位置（发送用）
• Sn_RX_RD：当前读取位置（接收用）

如何安全地发送一段数据？

void socket_send(uint8_t s, uint8_t *data, uint16_t len) { uint16_t ptr = wiz_read(SOCK_BASE(s) + 0x24) << 8; // Sn_TX_WR[15:8] ptr |= wiz_read(SOCK_BASE(s) + 0x25); // Sn_TX_WR[7:0] uint16_t offset = ptr & 0x7FF; // 缓冲区大小为8KB per socket → mask 0x7FF // 将数据写入Tx缓冲区（通过SPI访问特定地址） for (int i = 0; i < len; i++) { wiz_write(SOCK_BASE(s) + 0x20 + (offset + i), data[i]); // 实际写入缓冲区 } // 更新写指针 ptr += len; wiz_write(SOCK_BASE(s) + 0x24, (ptr >> 8) & 0xFF); wiz_write(SOCK_BASE(s) + 0x25, ptr & 0xFF); // 触发SEND命令 wiz_write(SOCK_CR(s), 0x20); // SEND while (wiz_read(SOCK_CR(s)) != 0); // 等待命令生效 }

如何读取收到的数据？

uint16_t socket_recv(uint8_t s, uint8_t *buf, uint16_t len) { uint16_t size = (wiz_read(SOCK_RX_RSR(s)) << 8) | wiz_read(SOCK_RX_RSR(s)+1); if (size == 0) return 0; uint16_t ptr = (wiz_read(SOCK_BASE(s) + 0x26) << 8) | wiz_read(SOCK_BASE(s) + 0x27); uint16_t offset = ptr & 0x7FF; for (int i = 0; i < len && i < size; i++) { buf[i] = wiz_read(SOCK_BASE(s) + 0x28 + offset + i); // Rx buffer start at +0x28 } // 更新读指针 ptr += len; wiz_write(SOCK_BASE(s) + 0x26, (ptr >> 8) & 0xFF); wiz_write(SOCK_BASE(s) + 0x27, ptr & 0xFF); wiz_write(SOCK_CR(s), 0x40); // RECV command return len; }

⚠️ 重要提醒：每次读/写后必须更新对应指针，并发出RECV/SEND命令，否则W5500认为你还没处理完！

实战经验：新手最容易踩的5个坑

❌ 坑1：忘记等待命令执行完成

wiz_write(SOCK_CR(s), 0x01); wiz_write(SOCK_CR(s), 0x04); // 错！上一条命令还没执行完！

✅ 正确做法：

wiz_write(SOCK_CR(s), 0x01); while (wiz_read(SOCK_CR(s)) != 0); // 必须等待清零

❌ 坑2：SPI速度太快导致时序异常

• 若VDDIO < 2.5V，最大SPI频率限制为33MHz
• 使用逻辑分析仪抓波形，确认tCSS/tCSH满足10ns以上

❌ 坑3：没检查PHY链路状态就强行通信

• 上电后RJ45插上网线也需要几百毫秒才能Link Up
• 应持续轮询PHYCFGR @ 0x002E直至bit0=1

❌ 坑4：缓冲区溢出

• 默认每个Socket分配2KB Tx/Rx Buffer，大量数据传输时容易溢出
• 可通过修改IRAM_SIZE和ERAM_SIZE寄存器重新分配（总和≤16KB）

❌ 坑5：CS片选释放过早

• 整个SPI事务期间CS必须保持低电平
• 多字节操作中间不能抬高CS，否则命令中断

结语：掌握W5500，等于掌握了嵌入式联网的“元能力”

当你第一次只用几十行代码就让STM32连上云服务器时，你会意识到：原来网络通信可以这么简单。

W5500的价值不仅在于“省资源”，更在于它把复杂的网络协议封装成了清晰、可控、可预测的操作接口。你不再需要担心TCP粘包、内存泄漏、协议栈崩溃等问题，可以把精力集中在业务逻辑本身。

无论是做一个Modbus TCP从站、MQTT上传终端，还是远程固件升级模块，W5500都能给你带来远超预期的稳定性与开发效率。

如果你正打算入门嵌入式网络开发，不妨从一块W5500模块开始。你会发现，通往专业级联网设备的大门，其实并没有想象中那么难推开。

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