4、设备端网络接口：以太网接口、Wi-Fi接口、蜂窝模块接口的硬件与驱动抽象

在嵌入式设备中，网络接口是TCP/IP通信的物理基础。不同接口的硬件特性、驱动模型和抽象方式直接影响上层协议栈的移植与调试。本章从硬件接口、驱动抽象层、数据收发路径三个维度，系统梳理以太网、Wi-Fi、蜂窝模块三种典型网络接口的实现要点。

4.1 三种网络接口的硬件特性对比

4.2 驱动抽象层设计：统一NIC接口

驱动抽象层（DAL）的核心是定义一个通用的网络接口控制块（NIC），将不同物理接口的操作封装为统一的函数指针集合。以下是一个典型的NIC结构体定义：

/* 统一网络接口控制块 */
typedef struct netif {
    struct netif *next;                     /* 链表指针 */
    ip_addr_t ip_addr;                      /* IP地址 */
    ip_addr_t netmask;                      /* 子网掩码 */
    ip_addr_t gw;                           /* 默认网关 */
    netif_input_fn input;                   /* 数据接收回调 */
    netif_output_fn output;                 /* 数据发送函数 */
    netif_linkoutput_fn linkoutput;         /* 链路层发送函数 */
    netif_status_callback_fn link_callback; /* 链路状态变化回调 */
    void *state;                            /* 驱动私有数据指针 */
    u16_t mtu;                              /* 最大传输单元 */
    u8_t hwaddr_len;                        /* MAC地址长度 */
    u8_t hwaddr[NETIF_MAX_HWADDR_LEN];      /* MAC地址 */
    u8_t flags;                             /* 状态标志位 */
} netif_t;

4.3 以太网接口驱动实现要点

以太网驱动通常分为MAC层和PHY层两部分。MAC层负责帧封装、CRC校验、DMA传输；PHY层负责物理信号编码、链路检测、自动协商。驱动初始化流程如下：

1. GPIO与时钟配置：初始化RMII/MII接口引脚，使能MAC时钟。
2. PHY复位与识别：通过MDIO总线读取PHY ID寄存器，确认PHY型号。
3. 自动协商配置：设置PHY工作模式（10/100M、全双工/半双工）。
4. MAC初始化：设置MAC地址、接收过滤器、DMA描述符环。
5. 中断注册：注册接收完成中断、链路状态变化中断。
6. 链路状态轮询：周期性读取PHY状态寄存器，更新链路标志。

4.4 Wi-Fi接口驱动与抽象

Wi-Fi驱动的复杂度远高于以太网，因为驱动层需要处理802.11协议栈的扫描、关联、认证、密钥协商等操作。常见的驱动抽象方式有两种：

在嵌入式RTOS场景下，FullMAC方案更常见。驱动抽象层需要额外提供以下接口：

/* Wi-Fi 管理接口（驱动抽象层扩展） */
typedef struct wifi_ops {
    int (*init)(void);                              /* 初始化Wi-Fi模块 */
    int (*scan)(wifi_scan_result_t *results, int n); /* 扫描可用AP */
    int (*connect)(const char *ssid, const char *pwd); /* 连接AP */
    int (*disconnect)(void);                         /* 断开连接 */
    int (*get_rssi)(int *rssi);                      /* 获取信号强度 */
    void (*set_power_save)(int enable);              /* 设置省电模式 */
} wifi_ops_t;

4.5 蜂窝模块接口驱动与抽象

蜂窝模块的驱动抽象最为特殊，因为大多数模块通过UART接口使用AT指令进行控制，数据通道则通过PPP拨号或RNDIS虚拟网卡实现。驱动抽象层需要处理两个层面的抽象：

• 控制面：AT指令的封装与解析，包括网络注册、信号质量查询、PDP上下文激活。
• 数据面：PPP协议栈或RNDIS驱动，将串口数据流转换为IP数据包。

蜂窝模块驱动初始化的关键步骤：

1. 模块上电与复位：通过GPIO控制模块电源和复位引脚，等待模块启动（通常需要2~5秒）。
2. AT指令握手：发送 AT\r\n 等待 OK 响应，确认模块通信正常。
3. SIM卡检测：发送 AT+CPIN? 检查SIM卡状态。
4. 网络注册：发送 AT+CREG? 或 AT+CGREG? 等待网络注册成功。
5. PDP上下文激活：发送 AT+CGDCONT=1,"IP","apn" 和 ATD*99# 建立数据连接。
6. 数据通道建立：启动PPP拨号或等待RNDIS枚举完成。

/* 蜂窝模块驱动初始化示例（伪代码） */
int cellular_init(cellular_dev_t *dev) {
    /* 1. 硬件复位 */
    gpio_set(dev->reset_pin, 1);
    delay_ms(100);
    gpio_set(dev->reset_pin, 0);
    delay_ms(3000);
    
    /* 2. AT握手 */
    if (at_send_cmd(dev, "AT", "OK", 5000) != 0) {
        return -1;  /* 模块无响应 */
    }
    
    /* 3. 检查SIM卡 */
    if (at_send_cmd(dev, "AT+CPIN?", "READY", 10000) != 0) {
        return -2;  /* SIM卡异常 */
    }
    
    /* 4. 等待网络注册 */
    while (1) {
        if (at_send_cmd(dev, "AT+CREG?", "+CREG: 0,1", 5000) == 0) break;
        if (at_send_cmd(dev, "AT+CREG?", "+CREG: 0,5", 5000) == 0) break;
        delay_ms(1000);
    }
    
    /* 5. 激活PDP上下文 */
    at_send_cmd(dev, "AT+CGDCONT=1,\"IP\",\"cmnet\"", "OK", 5000);
    at_send_cmd(dev, "ATD*99#", "CONNECT", 15000);
    
    /* 6. 启动PPP */
    ppp_init(dev->uart_handle);
    return 0;
}

4.6 多接口共存与优先级管理

实际设备可能同时具备多个网络接口（例如以太网+Wi-Fi+蜂窝备份）。驱动抽象层需要支持多NIC实例，并提供接口优先级和路由策略：

驱动抽象层的最终目标是：上层协议栈不关心底层是哪种物理接口，所有接口通过统一的 netif_t 结构体进行数据收发和状态管理。这种抽象方式使得TCP/IP协议栈的移植工作与具体硬件解耦，大幅提高代码复用性和可维护性。