10BASE-T1S Arduino 开源库架构分析（一）：架构概览与开源评估

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系列导读

本系列三篇文章对 Arduino 官方 10BASE-T1S 库进行完整的软件架构分析，目标是为后续移植到竞品 T1S 芯片提供技术基线：

  1. 架构概览与开源评估（本篇）— 分层设计、编译平台、许可证分析
  2. 协议栈深度分析 — OA TC6 SPI 协议帧结构、数据流、PLCA
  3. 移植实战指南 — 抽象边界、可复用模块、移植 checklist

10BASE-T1S 技术背景

10BASE-T1S 是 IEEE 802.3cg-2019 定义的单对线以太网标准，核心特性：

特性 10BASE-T1S 传统 100BASE-TX
线对数 1 对 2 对
速率 10 Mbps 100 Mbps
拓扑 多点总线（multi-drop） 点对点
最大节点数 8（PLCA 模式） 2
线缆长度 25m（mixing segment） 100m
碰撞处理 PLCA 确定性轮询 N/A（全双工）

关键 trade-off：牺牲速率换取布线简化和多点接入能力，适合汽车/工业传感器网络场景，一根双绞线串联多个节点。

PLCA（Physical Layer Collision Avoidance）是 10BASE-T1S 的核心机制：Node ID 0 作为协调器，按固定顺序给每个节点分配发送时隙，避免 CSMA/CD 的随机退避延迟。

项目概览

属性 值
名称 Arduino_10BASE_T1S
版本 0.1.1
维护者 Arduino (Alexander Entinger)
许可证 MPL-2.0（顶层）
仓库 https://github.com/arduino-libraries/Arduino_10BASE_T1S
目标芯片 Microchip LAN8650 / LAN8651 MAC-PHY
分类 Communication

这是 Arduino 官方维护的库，通过 Arduino Library Manager 分发，提供从 SPI 驱动到 UDP socket 的完整协议栈。

软件架构分层

graph TB
    subgraph "Application Layer"
        A1["Arduino Sketch (UDP_Client / UDP_Server)"]
        A2["Arduino_10BASE_T1S_UDP"]
    end

    subgraph "Network Layer"
        B1["lwIP TCP/IP Stack"]
        B2["UDP PCB / ARP / ICMP / IPv4"]
    end

    subgraph "Protocol Layer"
        C1["libtc6 v3.1.3"]
        C2["OA TC6 SPI Protocol"]
        C3["Credit Mgmt / Chunk Framing"]
    end

    subgraph "HAL Layer"
        D1["TC6_Io"]
        D2["SPI + GPIO (CS/RESET/IRQ)"]
    end

    subgraph "Hardware"
        E1["LAN8650/8651 MAC-PHY"]
        E2["10BASE-T1S PHY Twisted Pair"]
    end

    A1 --> A2
    A2 --> B1
    B1 --> B2
    B2 --> C1
    C1 --> C2
    C2 --> C3
    C3 --> D1
    D1 --> D2
    D2 --> E1
    E1 --> E2

各层职责

Application Layer — 用户代码接口，继承 Arduino 标准 UDP 基类，提供 beginPacket() / write() / endPacket() / parsePacket() 标准 API。

Network Layer — 完整的 lwIP 嵌入式 TCP/IP 协议栈，处理 ARP、ICMP、IPv4 路由、UDP 多路复用。MTU 设为 1536 字节。

Protocol Layer — Microchip 提供的 libtc6 库，实现 Open Alliance TC6 SPI 协议：将以太网帧拆分为 64 字节 chunk，附加 4 字节 header/footer，通过 SPI 全双工传输，管理 TX/RX credit 流控。

HAL Layer — TC6_Io 类封装 Arduino SPI 接口，配置 24MHz 时钟、Mode 0、MSB-first，控制 CS/RESET/IRQ 三根 GPIO。

类关系

classDiagram
    class Arduino_10BASE_T1S_PHY_Interface {
        <<abstract>>
        +begin()
        +service()
        +getPlcaStatus()
        +enablePlca()
    }

    class TC6_Arduino_10BASE_T1S {
        -TC6_Io& io
        -netif lwip_netif
        +begin(ip, mask, gw, mac, plca, mac_settings)
        +service()
        +digitalWrite(dio, val)
    }

    class TC6_Io {
        -HardwareSPI& spi
        -int cs_pin, reset_pin, irq_pin
        +begin()
        +spiTransaction(pTx, pRx, len)
        +onInterrupt()
    }

    class Arduino_10BASE_T1S_UDP {
        -udp_pcb* pcb
        -list~UdpRxPacket~ rx_pkt_list
        +begin(port)
        +beginPacket(ip, port)
        +write(buf, len)
        +endPacket()
        +parsePacket()
        +read(buf, len)
    }

    Arduino_10BASE_T1S_PHY_Interface <|-- TC6_Arduino_10BASE_T1S
    TC6_Arduino_10BASE_T1S --> TC6_Io
    Arduino_10BASE_T1S_UDP --> TC6_Arduino_10BASE_T1S

典型使用代码

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// 实例化 PHY（宏展开为 TC6_Io + TC6_Arduino_10BASE_T1S 对象）
Arduino_10BASE_T1S_PHY_TC6(SPI, CS_PIN, RESET_PIN, IRQ_PIN);
Arduino_10BASE_T1S_UDP udp_client;

void setup() {
  pinMode(IRQ_PIN, INPUT_PULLUP);
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(IRQ_PIN),
                  []() { t1s_io.onInterrupt(); }, FALLING);

  t1s_io.begin();
  t1s_phy.begin(ip_addr, network_mask, gateway,
                mac_addr, t1s_plca_settings, t1s_default_mac_settings);
  udp_client.begin(UDP_CLIENT_PORT);
}

void loop() {
  t1s_phy.service();  // 必须高频调用，驱动 SPI 收发和 lwIP 定时器
  // ... UDP 收发逻辑
}

编译平台与 CI 矩阵

支持的架构

库声明支持 5 种 Arduino 架构：samd, renesas_uno, renesas_portenta, mbed_giga, mbed_portenta

CI 构建矩阵（7 块板卡）

FQBN 架构 MCU
arduino:samd:arduino_zero_native SAMD ATSAMD21G18 (Cortex-M0+)
arduino:samd:arduino_zero_edbg SAMD ATSAMD21G18 (Cortex-M0+)
arduino:renesas_uno:minima Renesas UNO RA4M1 (Cortex-M4)
arduino:renesas_uno:unor4wifi Renesas UNO RA4M1 (Cortex-M4)
arduino:renesas_portenta:portenta_c33 Renesas Portenta RA6M5 (Cortex-M33)
arduino:mbed_giga:giga Mbed GIGA STM32H747 (Cortex-M7)
arduino:mbed_portenta:envie_m7 Mbed Portenta STM32H747 (Cortex-M7)

板卡引脚映射

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// Arduino Zero / UNO R4 系列（Uno form factor）
static int const CS_PIN    =  9;
static int const RESET_PIN =  6;
static int const IRQ_PIN   =  2;

// Portenta C33（Pro Demo kit on MID carrier）
static int const CS_PIN    =  25;
static int const RESET_PIN =  6;
static int const IRQ_PIN   =  2;

// GIGA / Portenta C33 使用 SPI1 而非默认 SPI
Arduino_10BASE_T1S_PHY_TC6(SPI1, CS_PIN, RESET_PIN, IRQ_PIN);

编译命令

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arduino-cli compile -b arduino:renesas_uno:unor4wifi -v examples/UDP_Client -u -p /dev/ttyACM0

开源状态分析

这个库并非完全开源，由三个不同许可证的组件构成：

组件 许可证 是否开源 移植影响
Arduino 封装层 MPL-2.0 ✅ 完全开源，可修改分发 可自由修改复用
Microchip libtc6 Microchip 专有许可 ⚠️ 源码可见，专利受限 需评估专利风险
lwIP 协议栈 BSD (3-clause) ✅ 完全开源 可自由复用
Linux 内核驱动 GPL-2.0+ ✅ 完全开源 仅限 Linux 环境

Microchip libtc6 的许可证关键条款：

“No license or other rights, whether express or implied, are granted under any patent or other intellectual property rights of Microchip or any third party.”

这意味着：源码可以阅读和学习，但如果竞品芯片也需要实现 OA TC6 协议，直接复用 Microchip 的 libtc6 二进制可能存在专利风险。如果竞品芯片自身提供 TC6 协议实现，或者根据 Open Alliance 规范独立实现，则不受此限制。

测试方法分析

现有测试手段

测试类型 是否具备 说明
单元测试 ❌ 无任何 test 目录或测试框架
集成测试 ❌ 无自动化集成测试
HIL（硬件在环） ❌ 无自动化硬件测试
CI 编译验证 ✅ 7 块板卡 × 全部 example 编译通过
Arduino Lint ✅ 库结构和代码规范检查
Spell Check ✅ codespell 拼写检查

实际验证方案

项目依赖手动硬件测试，典型测试拓扑：

graph LR
    A["Arduino UNO R4 WiFi\n(UDP Client, Node 1)"] -->|"单对双绞线\n10BASE-T1S"| B["Multi-drop Bus"]
    C["Arduino UNO R4 WiFi\n(UDP Server, Node 0)"] -->|"单对双绞线"| B
    D["EVB-LAN8670-USB\n(Linux Host, Node 0)"] -->|"单对双绞线"| B
  • Arduino 侧：运行 UDP_Client / UDP_Server example，通过 Serial 观察收发日志
  • Linux 侧：EVB-LAN8670-USB 加载内核模块，配置 IP，用 tcpdump 抓包验证
  • PLCA 状态监控：代码中每秒读取 PLCA status 寄存器，检测是否回退到 CSMA/CD

测试覆盖的局限性

  1. 无回归测试保障 — 修改代码后只能确认编译通过，无法确认功能正确
  2. 无性能基线 — 无吞吐量/延迟的自动化测量
  3. PLCA 多节点场景 — CI 无法验证实际多节点竞争行为
  4. 错误恢复路径 — 未自动验证 SPI 错误、线缆断开等异常场景

这对移植工作意味着：移植后的验证完全依赖手动硬件测试，需要自建 UDP echo 测试环境。

小结

Arduino 10BASE-T1S 库是一个架构清晰的四层设计，核心依赖 Microchip libtc6 实现 OA TC6 SPI 协议。对于移植到竞品芯片：

  • lwIP 和 Arduino UDP 封装层可直接复用
  • HAL 层（TC6_Io）需要适配新的 SPI 接口
  • 协议层是否可复用取决于竞品是否兼容 OA TC6
  • 测试需要自建，因为原项目无自动化测试基础设施

下一篇将深入 OA TC6 SPI 协议的帧结构和数据流实现细节。