ESP-IDFを使ってみる

Ethernet通信(SPI)

ESP32ユーザがENC28J60のドライバーを公開し、2020年2月11日にESP-IDF本体にマージされました。
こちらにサンプルと結線が公開されています。
ENC28J60は非常に電力を消費するデバイスなので、供給電源についての注意が色々と書かれています。
ESP32開発ボードの3.3VからENC28J60に電源を供給するよりも、
5Vからレギュレータ経由でENC28J60に電力を供給した方がいいみたいです。
ENC28J60は非推奨となっていて、ESP-IDF V5.4からは公式のサンプルから削除されました。

モジュールとの結線はmenuconfigで変更することができます。

最初、20cmのジャンパーケーブルを使ったらエラーとなりました。
そこで、10cmのジャンパーケーブルに変えたら正常に動きました。

ENC28J60にはMACアドレスが書き込まれていません。
2台以上のENC28J60を同時に使う場合は、こちらを変更する必要が有ります。

ENC28J60のモジュールには5V仕様の物と、3.3V仕様の物が有ります。
ESP32では3.3V仕様の物しか使えません。
左／中：3.3V仕様右：5V仕様

ENC28J60チップ自体は3.3V仕様です。
５Vモジュールには裏面に5V→3.3Vのレギュレータが実装されています。

Linuxマシンからpingを打ち続けてみましたが、途中でUnreachableになってしまいました。
やはりESP32開発ボードからの3.3V給電では、無理が有るのかもしれません。

ESP-IDFのV4.3からESP32-S2のサポートが追加されました。
このチップにはEMAC(Ethernet Media Access Controller)が搭載されていないので、
MII または RMII インターフェイスの有線 LAN モジュールが使えません。
そこで、W5500のSPI Ethernetモジュールが正式にサポートされました。
W5500はハードウェアレベルでTCP/IPスタックをサポートしています。
Arduinoなどで使うには便利はチップです。
ESP-IDFはソフトウェアコンポーネントとしてTCP/IPスタック（lwip）を組み込んでいるので、W5500のMACRAWモード機能を使用しています。

こちらのサンプルを使って、ESP32で試してみました。
W5500を使う場合、menuconfigで以下の設定を行います。
ESP-IDF Version4.4から、Ethernet関連のメニュー項目が大幅に変わっています。

SPIのGPIOは好きなGPIOを使うことができます。
PHYのResetピンはPullUpしておく必要が有ります。
ESP32側にENピン/RSTピンが有るときは、ここに接続しても動きます。

ちゃんとルーターからアドレスが取れました。

但し、SPIクロックを大きくしすぎると、このようなエラーになります。
これはPHY側の問題だと思います。

このモジュールは固有のMACアドレスを持っていません。
MACアドレスは外部から与える仕様ですが、ESP-IDFで使う場合、以下の様に、
WiFi-STAのMACアドレスの最初のオクテットだけ+2してモジュールに与えるので、
１つのNetwork上で複数のW5500を使うときも、MACアドレスについては何も考える必要ありません。
[WiFi-STA] mac=c8-c9-a3-cf-10-c4
[W5500] mac=ca-c9-a3-cf-10-c4

W5500モジュールには2つのタイプが有りますが、どちらも問題なく動きます。
どちらも$3程度で入手することができます。

SPIのPHYとして、DM9051/KSZ8851も使うことができますが、モジュールとして入手できるのはW5500だけです。
DM9051もKSZ8851もチップ単体は入手できますが、BreakOutモジュールは見たことが有りません。
->DM9051のBreakOutを見つけましたが、$20とバカ高いです。

W5500のPHYとESP32S3を使ってWiFiとSPI EthernetのTCP Socket通信のベンチマークを計ってみました。
1024バイトを1パケットとして、10MByteになるまで連続して送信しました。
こちらがWiFiのベンチマークです。

I (24744) TCP-CLIENT: All done.
              transed_bytes=10485760

              I (24744) TCP-CLIENT: elapsed time[ms]:13480

              I (24744) TCP-CLIENT: transferRate=0.769231[MB/Sec]

こちらがW5500を10MHzのClockSpeedで使った時のベンチマークです。

I (21876) TCP-CLIENT: All done.
              transed_bytes=10485760

              I (21876) TCP-CLIENT: elapsed time[ms]:18410

              I (21876) TCP-CLIENT: transferRate=0.555556[MB/Sec]

こちらがW5500を20MHzのClockSpeedで使った時のベンチマークです。

I (17566) TCP-CLIENT: All done.
              transed_bytes=10485760

              I (17566) TCP-CLIENT: elapsed time[ms]:14100

              I (17566) TCP-CLIENT: transferRate=0.714286[MB/Sec]

こちらがW5500を30MHzのClockSpeedで使った時のベンチマークです。

I (15866) TCP-CLIENT: All done.
              transed_bytes=10485760

              I (15866) TCP-CLIENT: elapsed time[ms]:12410

              I (15866) TCP-CLIENT: transferRate=0.833333[MB/Sec]

こちらがW5500を40MHzのClockSpeedで使った時のベンチマークです。

I (14566) TCP-CLIENT: All done.
              transed_bytes=10485760

              I (14566) TCP-CLIENT: elapsed time[ms]:11090

              I (14566) TCP-CLIENT: transferRate=0.909091[MB/Sec]

こちらがW5500を50MHzのClockSpeedで使った時のベンチマークです。

I (14566) TCP-CLIENT: All done.
              transed_bytes=10485760

              I (14566) TCP-CLIENT: elapsed time[ms]:11090

              I (14566) TCP-CLIENT: transferRate=0.909091[MB/Sec]

こちらがW5500を60MHzのClockSpeedで使った時のベンチマークです。

I (14536) TCP-CLIENT: All done.
              transed_bytes=10485760

              I (14536) TCP-CLIENT: elapsed time[ms]:11070

              I (14536) TCP-CLIENT: transferRate=0.909091[MB/Sec]

SPI ClockSpeedを70MHzにするとエラーになります。
SPI ClockSpeedを40MHz以上に変えても、パフォーマンスに変化は有りませんでした。
WiFiに比べて20%程度のスピードアップになります。
ちなみにこちらがESP32+EMACインタフェースのベンチマークで、圧倒的に速いです。

I (7938) TCP-CLIENT: All done.
              transed_bytes=10485760

              I (7938) TCP-CLIENT: elapsed time[ms]:4470

              I (7938) TCP-CLIENT: transferRate=2.500000[MB/Sec]

続く．．．