国产100M以太网PHY:沁恒CH182H2性能测试应用看这篇就够了
旭日财富者一、前言
二、开发板CH32V307V-EVT-R3介绍
三、CH182H2介绍
四、性能测试
五、总结建议
六、基于MounRiver_Studio开发（保姆级操作）
一、前言
本文分享一款100M以太网PHY芯片，CH182H2。并分享基于官方的开发板CH32V307V-EVT-R3来评估下这款芯片的应用，以及性能测试。具体的性能，参数，特点等可以参考数据手册，这里主要描述一些个人觉得比较有意思的点。
本文会着重描述该芯片的基本应用，包括原理图分析，官方开发板Demo测试，RAW发送,TCP收发性能测试等，如果是初次使用该芯片的朋友，可以参考本文。
二、开发板CH32V307V-EVT-R3介绍
官方的CH32V307V-EVT-R3开发板，可以用于评估CH182H2芯片。
资料下载地址：
https://www.wch.cn/downloads/CH32V307EVT_ZIP.html
开发板的主要接口资源如下：
1.100M网口
2.MCU引出I/O
3.SWDIO调试口
4.CH32V307VCT6
5.USB全速接口
6.USB高速接口（内置PHY）
7.电源开关
8.复位按钮
9.下载按钮
个人觉得比较好的地方是P6把RMII接口引出来了，方便逻辑分析仪直接测量RMII接口，用于测试分析，甚至用于学习RMII接口都是不错的。
三、CH182H2介绍
开发板是用于评估的载体，本文的重点是CH182H2这颗PHY芯片，所以开发板大致了解，熟悉下原理图，知道有哪些接口，如何使用即可。重点来看CH182H2这颗芯片。该芯片IO口支持3.3/2.5/1.8V，适配多种电压的主控，还兼容RTL8102F。看手册描述，有一款CH182D内置唯一MAC地址，体积小巧，QFN封装才3*3mm。
可以从以下地址下载该芯片规格书
https://www.wch.cn/downloads/CH182DS1_PDF.html
这里顺带提一下，WCH的以太网产品还是挺全的。看他们官网介绍，除了以太网PHY，还提供控制器芯片CH390、协议栈芯片CH394/CH395和转接芯片CH9121等。CH390D尺寸3*3mm，算是目前市面上体积最小的百兆以太网MAC PHY芯片了，内置PHY，支持IPv4 TCP/UDP和IPv6 TCP/UDP校验和的生成和检查。带全球唯一MAC地址。
3.1原理图解析
根据开发板的原理图，重点看下CH182H2的应用部分。
MCU最小系统部分:
PHY部分:
RMII接口部分,引出IO可使用逻辑分析抓信号:
以太网接口部分:
PHY电源和复位部分:
从以上原理图可以看出PHY的外围电路是很简单的,可以降低BOM成本。
原理图分为以下部分来看:
1.电源
VDDIO: IO电源输入，对地接0.1uF电容。支持3.3V、2.5V或1.8V。
AVDD33: 3.3V主电源输入，对地接0.1uF并联10uF。
AVDDK:对地接1uF电容，供内置LDO用。实测应该为1.2V左右，最大1.5V。
DVDDK:对地接0.1uF电容，供内置LDO解耦用。实测应该为1.2V，最大1.5V。
2.MDIO
CH182系列MDIO、MDC均内置上拉电阻，可省外部上拉，简化电路。
3.复位
RSTB使用阻容复位即可，典型值4.7K，0.1uF。低电平有效。
4.LED
LED引脚的一个功能是配置PHY地址。
LED1 LED0组合决定PA1 PA0 PHY的地址，默认为01即LED0内部上拉，LED1内部下拉。
开发板中使用了默认配置，所以无需额外的4.7k的上下拉。
LED引脚本身还作为LED信号控制,用于表示10M还是100M速度，以及是否在通讯活动的状态，取决于寄存器配置LED_SEL不同，LED1和LED0的行为不一样，如下，默认LED_SEL为0b11
LED0还可以作为PMEB唤醒事件输出，低有效。
5.MDI
MDI_TX_P/N MDI_RX_P/N接网络变压器的TD+/- RD+/-即可，网络变压器中心抽头0.1uF对地即可，无需接电源。
6.中断
INTB引脚通过4.7k上拉到VDDIO。
需要在RMII模式下，作为中断输出，低有效。
7.晶振
XI，XO外接25M晶体，或者输入25M/50M时钟。PHY内部集成了负载电容为12pF的晶体所需的两个振荡电容，所以对于负载电容为12pF的晶体无需外接电容。
如果晶体负载电容大于12pF，则还需根据实际情况外接负载电容(在内部电容基础上再增加)。
8.RMII接口选择
RXDV引脚默认为内部下拉此时配置为MII接口，如果需要配置为RMII接口则RXDV需要外部接4.7k上拉到VDDIO。
9.TXC时钟模式
RMII模式下，RXD0引脚默认为下拉TXC输出50MHz时钟，
如果外部4.7KΩ上拉到VDDIO，则TXC输入50MHz时钟。
开发板中无外部上下拉，使用默认状态TXC输出时钟。
页7寄存器16也可配置RMII的TXC是输出还是输入时钟。
10.[R]MII接口
RXDV高有效表示有接收数据。同时用于配置RMII接口还是MII接口。
RXD0~3 MAC接收数据
RXC PHY输出时钟100M时25M，10M时2.5M
TXD0~3 MAC发送数据
TXCMII PHY输出时钟，RMII下PHY输出或者输入时钟(RXD0决定)
TXEN发送使能，高有效。
CRS_DV高有效，载波或者接收数据不为空闲时高。
COL 高有效，检测到碰撞为高
RXER 高有效，检测到错误为高
3.2寄存器
0号寄存器的速度和自动协商，双工模式是需要关注的，对于不能通过引脚配置这些参数的型号需要配置该寄存器，对于能通过引脚配置这些参数的型号则可以不配置该寄存器，CH182H2需要配置该寄存器。默认配置是100M，自动协商使能，全双工，所以默认配置即可满足一般使用。
寄存器都是标准的。寄存器31用于页切换，基础寄存器是标准的，扩展寄存器由厂家自定义功能，详细内容需要咨询厂家。
3.3特点
详细参数，特点等可以参考数据手册，个人觉得以下特点值得特别提出
1.25M晶体(如果负载电容是12pF)无需外部电容，内置了负载电容为12pF的晶体对应的电容。
2.IO可配不同电压，支持3.3V、2.5V或1.8V。
3.P6引出了RMII接口，方便使用逻辑分析仪测试。
4.CH182D还内置唯一MAC地址。
5.内置以太网50Ω阻抗匹配电阻，外部不要再接49.9Ω或50Ω电阻，等效于电压驱动。
6.外围器件简单，BOM成本低。
3.4建议
开发板中建议CH182H2的VDDIO不要直连VCC182，而是通过跳线可外部供指定的电压或者使用板载默认的3.3V，方便评估VDDIO使用不同电压(最好是板载就可以选择不同电压，作为评估版要能通过配置就能评估所有功能)。
四、性能测试
这里来基于iperf进行TCP的收发性能测试，先来测试RAW发送可以验证PHY的速率，然后再测试TCP的收发性能。 实测结果先睹为快如下，详见后面的测试介绍。
1.Raw TX:93Mbps
2.TCP TX: 80Mbps
3. TCP RX: 70Mbps
4.1 Raw发送速度测试
基于CH32V307V-EVT-R3CH32V307EVTEVTEXAMETHMAC_RAW这个工程进行测试
注释掉接收处理与打印，只关注发送
void WCHNET_MainTask(void)
{
//RecDataPolling();
WCHNET_QueryPhySta(); /* Query external PHY status */
WCHNET_LinkProcessing(); /* process Link stage task */
}
发送代码
static uint32_t sndlen = 0;
static uint32_t tick1=0;
static uint32_t tick2=0;
extern uint32_t volatile LocalTime;
while(1)
{
WCHNET_MainTask();
if(LinkSta)
{
if(ETH_SUCCESS == MACRAW_Tx(ARPPackage, sizeof(ARPPackage))){
///if(++PktCnt % 100 == 0)
/// printf("PktCnt:%drn",PktCnt);
///Delay_Ms(100);
sndlen += sizeof(ARPPackage);
if(tick1 == 0){
tick1 = LocalTime;
tick2 = LocalTime;
}else{
tick2 = LocalTime;
}
if (tick2 - tick1 >= 5000){
uint32_t speed;
speed=((uint64_t)sndlen/125)/(tick2-tick1);
printf("%d Mbps!rn", speed);
tick1 = tick2;
sndlen = 0;
}
}
}
}
}
可以看到几乎可以跑满100Mbps。
4.2接收测试
作为servert接收
所以使用TCPServer的Demo
接收数据流如下:
WCHNET_HandleGlobalInt->WCHNET_HandleSockInt->WCHNET_DataLoopback
我们在WCHNET_DataLoopback记录接收指定长度数据后的时间，用于接收速度测试，
实测，接收速度最大可达70Mbps左右。
关键代码如下
extern uint32_t volatile LocalTime;
void WCHNET_DataLoopback(u8 id)
{
u32 len;
u32 endAddr = SocketInf[id].RecvStartPoint + SocketInf[id].RecvBufLen; //Receive buffer end address
if ((SocketInf[id].RecvReadPoint + SocketInf[id].RecvRemLen) > endAddr) { //Calculate the length of the received data
len = endAddr - SocketInf[id].RecvReadPoint;
}
else {
len = SocketInf[id].RecvRemLen;
}
static uint32_t recvlen = 0;
static uint32_t tick1=0;
static uint32_t tick2=0;
recvlen += len;
if(tick1 == 0){
tick1 = LocalTime;
tick2 = LocalTime;
}else{
tick2 = LocalTime;
}
if (tick2 - tick1 >= 5000){
uint32_t speed;
speed=((uint64_t)recvlen/125)/(tick2-tick1);
printf("%d Mbps!rn", speed);
tick1 = tick2;
recvlen = 0;
}
WCHNET_SocketRecv(id, NULL, &len);
}
4.3发送测试
作为client发送
所以使用TCPClient的Demo
u8DESIP[4] = {192,168,1,100}; //destination IP address
改为电脑IP
u8DESIP[4] = {192,168,1,9};
端口对应
u16desport=1000; //destination portu16srcport=1000; //source port
增加变量，检测到链接或者断开时，设置对应标志，标志是链接状态时才发送
//if (intstat & SINT_STAT_RECV) //receive data
{
WCHNET_DataLoopback(socketid); //Data loopback
}
volatileintconnect_flag=0;
if (intstat&SINT_STAT_CONNECT) //connect successfully
{
connect_flag=1;
if (intstat&SINT_STAT_DISCONNECT) //disconnect
{
connect_flag=0;
if (intstat&SINT_STAT_TIM_OUT) //timeout disconnect
{
connect_flag=0;
接收处理这里不再发送避免干扰，单独添加发送测试函数
void WCHNET_DataLoopback(u8 id)
{
u8 i;
u32 len;
u32 endAddr=SocketInf[id].RecvStartPoint+SocketInf[id].RecvBufLen; //Receive buffer end address
if ((SocketInf[id].RecvReadPoint+SocketInf[id].RecvRemLen) >endAddr) { //Calculate the length of the received data
len=endAddr-SocketInf[id].RecvReadPoint;
}
else {
len=SocketInf[id].RecvRemLen;
}
//i = WCHNET_SocketSend(id, (u8 *) SocketInf[id].RecvReadPoint, &len); //send data
//if (i == WCHNET_ERR_SUCCESS) {
WCHNET_SocketRecv(id, NULL, &len); //Clear sent data
//}
初始发送数据
for (i=0; i< RECE_BUF_LEN; i++){
SocketRecvBuf[0][i] =i&0xff;
}
发送处理
extern uint32_t volatile LocalTime;
static voidsend_test(void){
if(connect_flag){
static uint32_t sndlen=0;
static uint32_t tick1=0;
static uint32_t tick2=0;
u8 id=0;
uint32_t len=RECE_BUF_LEN;
u8 res=WCHNET_SocketSend(id, (u8*) SocketRecvBuf[id], &len);
if (res!=WCHNET_ERR_SUCCESS) {
//printf("snd err:%drn",res);
sndlen+=0;
}else{
sndlen+=len;
}
if(tick1==0){
tick1=LocalTime;
tick2=LocalTime;
}else{
tick2=LocalTime;
}
if (tick2-tick1>=5000){
uint32_tspeed;
speed=((uint64_t)sndlen/125)/(tick2-tick1);
printf("%d Mbps!rn", speed);
tick1=tick2;
sndlen=0;
}
}
}
while(1)
{
/*Ethernet library main task function,
* which needs to be called cyclically*/
WCHNET_MainTask();
/*Query the Ethernet global interrupt,
* if there is an interrupt, call the global interrupt handler*/
if(WCHNET_QueryGlobalInt())
{
WCHNET_HandleGlobalInt();
}
/* 发送测试 */
send_test();
}
实测如下
发送速度为80Mbps左右，会有一些抖动，最大可达90Mbps，可以看到效率是非常不错的，支持硬件校验是一个很大的优势。
4.4速度优化建议
1.提高MCU主频
Usersystem_ch32v30x.c中改为144M
#defineSYSCLK_FREQ_144MHz_HSE 144000000
2.增加DMA描述符数/缓存区个数
根据应用场景看是大量收还是大量发，调大对应的方向的描述符数
比如发送多的场景可以加大ETH_TXBUFNB
Usernet_config.h中
#define ETH_TXBUFNB 16 /* The number of descriptors sent by the MAC */
#define ETH_RXBUFNB 2 /* Number of MAC received descriptors */
3.增加协议栈缓存区大小
Usernet_config.h中
根据应用场景看是大量收还是大量发，调大对应的方向的缓存大小。
比如发送多的场景可以加大WCHNET_NUM_TCP_SEG
#define RECE_BUF_LEN (WCHNET_TCP_MSS*2) /* socket receive buffer size */
#define WCHNET_NUM_PBUF WCHNET_NUM_POOL_BUF /* Number of PBUF structures */
#define WCHNET_NUM_TCP_SEG (WCHNET_NUM_TCP*8) /* The number of TCP segments used to send */
4.打开硬件校验
这个是最能明显提升效率的，因为校验计算很占CPU带宽。
Usernet_config.h中
#defineHARDWARE_CHECKSUM_CONFIG 1 /* Hardware checksum checking and insertion configuration, 1: enable, 0: disable */
5.数据量尽量按最大包长填充，即应用上层协议的设计尽量不要使用短包。
五、总结建议
总的来说CH182H2的优点是很明显的，正如3.3的介绍，最主要的就是外围电路可以很简单，降低BOM成本，另外也有不同小封装可选，适应于尺寸限制等场景，同时也可以降低成本，所以选择100M以太网PHY芯片的话可以考虑下CH182系列。
选用CH32V30x等主控，基于MountRiverStudio开发，也是很方便的，测试跑RAW数据发送几乎能跑满硬件带宽，跑TCP效率也非常不错，发送可达80Mbps多。MountRiverStudio使用起来个人感觉还是非常丝滑方便的，界面也美观。
另外官方Demo提供了协议栈库可以直接使用减少开发工作量，而对于想自己移植第三方协议栈库或者直接面向底层编程的，可以参考下MAC Raw例程，可以基于此在上面移植以太网协议栈。RMII驱动层也是可以直接使用的。
注意ISP下载开发板BOOT0不要短接(默认是短接的)。
注意使用仿真器需要先切换到RV模式。
六、基于MounRiver_Studio开发（保姆级操作）
前面介绍了CH182H2这颗芯片和其对应的评估版，并进行了性能测试，对于只是想了解该芯片的可以参考，如果进一步想进行应用开发，则可参考本章内容。本章按照保姆级别操作记录，介绍基于官方的Demo开发实践。
6.1安装MounRiverStudio
从以下地址下载MounRiverStudio：
https://www.mounriver.com/download
6.2导入工程
下载开发板资料包CH32V307EVT.ZIP，解压
https://www.wch.cn/downloads/CH32V307EVT_ZIP.html
双击CH32V307EVTEVTEXAMETHTCPServerTCPServer.wvproj打开tcpserver的例程。
6.2.1配置Netlib
我们这里要使用RMII，100M接口，所以要修改使用的驱动文件
右键eth_driver_RMII.c，Include/Exclude From Build添加到编译
同样的方法将eth_driver_10M.c排除编译
即编译以下几个文件
6.2.2配置浮点库
右键点击TCPServer->Properties
配置使能硬件单精度浮点
再配置链接对应的库文件(可省略)
配置完点击Apply
两个a文件只保留一个即可，这里使用float.a
也可以使用上述方法，将这个库排除编译。
按delete按键选择remove
6.2.3确认芯片型号
右键点击TCPServer->Properties，选择对应的MCU型号
配置完点击Apply
6.3编译
菜单栏点击Project->build Project
编译完成
6.3.1编译注意事项
如果开启了微软电脑管家服务，MRS2检测到该服务可能导致编译变慢会弹窗提示如下。用户可以按弹窗提示，关闭该服务，编译速度就会恢复正常。
按照如下处理
右键点击左下角WIN图标->计算机管理->服务和应用程序->服务
找到Microsoft PC Manager Service，右键点击->属性
启动类型选择禁用，然后点击停止
6.4配置仿真器
参考WCH-LinkUserManual
https://www.wch.cn/downloads/WCH-LinkUserManual_PDF.html
接入仿真器后设备管理器下外部接口目录下会看到对应的设备。
MounRiver Studio菜单栏Tools->WCH-LinkUtility
获取当前模式
设置为WCH-LinkRV
右键点击TCPServer->Properties
设置仿真器和参数如下，一般默认即可
其中SVD下是指定寄存器描述文件，这样就可以查看各个外设寄存器
然后点击甲壳虫图标进入仿真环境并下载程序
可以查看外设寄存器。
其他仿真操作，不同IDE都大同小异不再赘述。
新版本MounRiver基于VSCODE框架深度定制，明显比之前基于eclipse的更丝滑，轻量，美观。同时兼容了之前版本的操作习惯，方便熟悉MRS1的用户快速上手，另外对于熟悉VSCODE的用户也会觉得很熟悉可以直接上手。
6.5 ISP下载程序
手里没有WCH-LInk可以使用ISP下载
注意开发板上BOOT0默认跳线到了GND要断开。
BOOT0接VCC，BOOT1接GND是进下载模式，
BOOT0通过下载按键按下接VCC
以下地址下载WCHISPTool_Setup.exe
https://www.wch.cn/downloads/WCHISPTool_Setup_exe.html
双击WCHISPTool_Setup.exe安装
选择MCU
为了方便可以先不使能读保护，否则使能了之后下次下载前需要先解除读保护
USB接P5，按下下载按键，按下复位按键
识别到USB设备
选择HEX文件
CH32V307EVTEVTEXAMETHTCPServerobjTCPServer.hex
点击下载
6.6运行
接上串口线，参数为115200-8-n-1
按键RST重启
串口打印如下
Usermain.c中看到
开发板IP为
u8 IPAddr[4] = {192, 168, 1, 10}; //IP address
所以将电脑IP设置为192, 168, 1,9
打开网络调试助手
作为客户端，连接开发板的服务端192.168.1.10，端口1000
u16 srcport = 1000; //source port
客户端发送数据，开发板原样返回
开发板打印
Intstat这个打印在如下位置添加的
void WCHNET_HandleGlobalInt(void){
u8 intstat;
u16 i;
u8 socketint;
intstat=WCHNET_GetGlobalInt(); //get global interrupt flag
printf("intstat:%xrn",intstat);
相关的处理逻辑位于
WCHNET_HandleSockInt
收到数据后原样返回
void WCHNET_HandleSockInt(u8 socketid, u8 intstat)
{
u8i;
if (intstat&SINT_STAT_RECV) //receive data
{
WCHNET_DataLoopback(socketid); //Data loopback
}
连接时打印信息
if (intstat&SINT_STAT_CONNECT) //connect successfully
{
#if KEEPALIVE_ENABLE
WCHNET_SocketSetKeepLive(socketid, ENABLE);
#endif
WCHNET_ModifyRecvBuf(socketid, (u32) SocketRecvBuf[socketid],
RECE_BUF_LEN);
for (i=0; i< WCHNET_MAX_SOCKET_NUM; i++) {
if (socket[i] ==0xff) { //save connected socket id
socket[i] =socketid;
break;
}
}
printf("TCP Connect Successrn");
printf("socket id: %drn",socket[i]);
}
其他逻辑，断开，超时等处理
if (intstat&SINT_STAT_DISCONNECT) //disconnect
{
for (i=0; i< WCHNET_MAX_SOCKET_NUM; i++) { //delete disconnected socket id
if (socket[i] ==socketid) {
socket[i] =0xff;
break;
}
}
printf("TCP Disconnectrn");
}
if (intstat&SINT_STAT_TIM_OUT) //timeout disconnect
{
for (i=0; i< WCHNET_MAX_SOCKET_NUM; i++) { //delete disconnected socket id
if (socket[i] ==socketid) {
socket[i] =0xff;
break;
}
}
printf("TCP Timeoutrn");
}