1. 引言
在物联网、嵌入式系统等领域，STM32系列单片机的应用越来越广泛。许多应用场景都需要将STM32与网络连接，尤其是以太网接口。然而，许多STM32单片机并不自带以太网功能，或者仅提供以太网MAC层功能，这时候外接网络接口芯片就显得尤为重要。本文将介绍STM32与以太网接口的设计方案，涵盖不同网络接口芯片的选型、硬件设计和开发考量。
2. STM32与以太网接口
STM32系列单片机在网络应用中通常面临两个问题：
- 不带以太网接口： 很多STM32芯片仅内置了以太网MAC（媒体访问控制）功能，而缺少物理层（PHY）接口，无法直接连接到物理网络。
- 带以太网接口： 部分STM32系列芯片如STM32F107、STM32F407等自带MAC接口，但仍需要外接PHY芯片来实现完整的以太网通信。
因此，在实际的应用中，根据STM32的具体型号和网络需求，设计师需要选择合适的网络接口芯片和外设模块来完成以太网功能。
3. 外部以太网芯片选型
根据以太网接口的不同需求，外部以太网芯片可分为以下几类：
3.1 物理层与数据链路层一体的芯片（如DM9000、ENC28J60、W5100）
ENC28J60：
- 接口类型：SPI
- 特点：此芯片集成了物理层（PHY）和数据链路层（MAC），支持10Mbps的以太网速度。由于使用SPI接口，适合需要低速通信且资源有限的应用。需要单片机来处理TCP/IP协议栈，开发难度较高，但对简单应用足够。
DM9000：
- 接口类型：并行总线接口（8/16/32位）
- 特点：DM9000同样集成了PHY和MAC层，支持10/100Mbps速率。相对于ENC28J60，DM9000在数据传输速率上有所提升，但接口较为复杂，需要额外的硬件资源。此方案适合需要高速网络通信的应用。
W5100：
- 接口类型：并行总线接口（8位）
- 特点：W5100是一款集成了TCP/IP协议栈的芯片，支持10/100Mbps的以太网通信。由于其内置硬件协议栈，可以大幅减轻STM32的处理负担，适合对网络性能和开发效率有较高要求的应用。
3.2 独立MAC与PHY芯片（如DP83848、DM9161）
DP83848：
- 接口类型：RMII（Reduced Media Independent Interface）
- 特点：DP83848是一款仅提供PHY层功能的芯片，支持10/100Mbps的以太网通信。它需要与外部MAC芯片配合使用，常见的搭配是带有MAC功能的STM32。开发者需要自己移植和实现TCP/IP协议栈，但该方案的灵活性较高，适合需求较为复杂的应用。
DM9161：
- 接口类型：RMII
- 特点：DM9161同样是一款提供PHY功能的芯片，适用于带有MAC功能的STM32。与DP83848相比，DM9161具有更多的功能和更高的性能，但在硬件设计和开发上要求更高。
3.3 完整硬件TCP/IP协议栈芯片（如W5500、CH9121、CH395）
W5500：
- 接口类型：SPI
- 特点：W5500是一款集成了硬件TCP/IP协议栈、MAC和PHY功能的芯片，支持10/100Mbps的以太网通信。它通过SPI接口与STM32通信，使用非常简单，适合资源有限且开发周期紧张的项目。由于硬件协议栈的支持，开发者无需处理复杂的网络协议栈，可以直接在应用层进行开发。
CH9121：
- 接口类型：SPI
- 特点：CH9121是另一款集成了硬件TCP/IP协议栈和以太网MAC/PHY功能的芯片。它支持10/100Mbps的以太网通信，类似于W5500，提供更为简单的开发环境，适合需要快速实现以太网功能的项目。
CH395：
- 接口类型：SPI
- 特点：CH395是一款集成了MAC、PHY和TCP/IP协议栈的以太网控制器，适用于需要低功耗、简易开发的应用。它提供了类似W5500的功能，但具有更低的功耗和更高的性价比。
4. 设计方案比较与选择
根据具体的应用需求，设计者可以根据以下几个因素选择合适的方案：
开发复杂度与开发周期：
如果希望减少开发工作量并加快开发周期，可以选择W5500、CH9121、CH395等集成了硬件TCP/IP协议栈的芯片。这些芯片大大简化了开发过程，适合对开发周期有较高要求的项目。通信速率与带宽要求：
如果应用对数据传输速率要求较高，可以选择DM9000、W5100等支持100Mbps的芯片。这些方案适用于需要较大带宽和高速网络通信的应用。硬件资源限制：
如果系统的硬件资源有限（如I/O口数目、CPU处理能力等），可以选择SPI接口的ENC28J60、W5500等芯片，它们通过SPI接口与STM32连接，硬件资源消耗较少，适合简单的嵌入式应用。开发灵活性与定制化需求：
如果项目需要更高的定制化或使用带MAC的STM32，可以选择单独的PHY芯片（如DP83848、DM9161）。这种方案提供了更多的灵活性，但开发难度较大，需要自己实现和移植TCP/IP协议栈。
5. 总结
选择合适的以太网芯片与STM32搭配，关键取决于应用需求、开发周期、通信速率和系统资源限制。对于简单应用，集成硬件协议栈的芯片如W5500、CH395可以提供快速的开发体验；而对于对网络性能有较高要求的应用，DM9000、W5100等高速芯片则更为适合。同时，带MAC的STM32可通过添加PHY芯片实现灵活的网络设计。
综合考虑各方面因素，设计师可以根据项目的具体要求选择最优的硬件解决方案。