嵌入式Internet以太網接口的設計與實現

在電子設備日趨網絡的背景下，目前廣泛使用的以太網及TCP/IP協議已經成為事實上最常用的網絡標準之一，它的高速、可靠、分層及可擴充性使得它在各個領域的應用越來越靈活，很多情況下運用以太網和TCP/IP能夠簡化結構和降低成本。目前關于嵌入式以太網的設計方案不是很多，其中大多是基于單片機的，缺點是速度慢、成本太高。DSP作為一種特殊的嵌入式微處理器系統(tǒng)，具有嵌入的協處理器和用于快速數據處理的并行數據通道，在嵌入式網絡設備中引入DSP技術可以使嵌入式以太網變得更快、更便宜、更容易進行功能擴充。本文介紹了基于TMS320LF2407型的嵌入式系統(tǒng)與LAN91C111型自適應10Mb/s/100Mb/s嵌入式以太網控制芯片的接口電路和實現方法。

1 LAN91C111嵌入式以太網控制器芯片

LAN91C111是SMSC公司推出的為嵌入式應用系統(tǒng)設計的第三代快速以太網控制器。在LAN91C111芯片上集成了CSMA/CD協議的媒體層（MAC）和物理層（PHY），其系統(tǒng)結構圖如圖1所示。該以太網控制器的主要功能特性如下。

（1）自適應地選擇傳輸速率，支持10M/100Mbps。

（2）8KB的內部存儲器用于接收和發(fā)送的緩存。

（3）支持突發(fā)數據傳輸。

（4）提前發(fā)送和接收功能。

（5）支持總線8位、16位和32位的CPU訪問。

該以太網控制器遵循的標準與協議為IEEE頒布的802.3以太網傳輸協議。8～32位數據總線接口單元由控制總線、地址總線和數據總線與外部的CPU控制芯片相連。該單元還集成了E2PROM接口，所有內部寄存器的初始值可先放在E2PROM中，自舉時通過E2PROM接口輸入到芯片中，實現自動初始化。總線仲裁器（Arbiter）監(jiān)視以太網總線的數據交流情況，一旦發(fā)生阻塞，一方面通過總線接口單元與外部CPU聯系，另一方面控制內存控制單元（MMU），實現總線數據協調。內存控制單元控制8KB動態(tài)SRAM的存儲情況，實現與DMA控制器之間的數據聯絡。DMA控制器與總線控制器一起控制數據在DMA與以太網協議處理器（EPH）之間的交換。由以太網協議處理器輸出的數據最終經過10M/100M的物理層直接到達以太網總線。

2 硬件電路組成

出于性價比的考慮，采用了DSP控制器作為主CPU。TMS320LF2407是TI公司發(fā)布的240X系列中功能最強的一種控制器，有很大的存儲空間（高達32K字的Flash程序存儲器，可擴展外部64K字存儲器和64K字I/O尋址空間），非常適合于處理復雜的TCP/IP協議。

由于LAN91C111是為嵌入式系統(tǒng)設計，其外圍電路相對比較簡單，其硬件接口框圖如圖2所示。LANC91C111內部寄存器可通過地址線A0~A15來訪問。地址總線A1~A15與DSP的A1~A15相連，A0沒有被懸空；數據總線D0~D15與DSP的D0~D15相連，可以傳輸16位數據。D16~D32懸空（因為LF2407是16位數據總線）；LAN91C111的片選信號AEN由DSP的外部I/O接口選通信號IS提供。二元件的讀電平RD和寫電平WR分別相連。LAN91C111端的中斷輸出信號INTR0送入DSP的外部中斷腳XINT1觸發(fā)中斷。TG110-S050N2是針對10M/100M以太網的變壓濾波器。LAN91C111模塊的Protel原理圖。

3 軟件設計

編寫控制以太網接口程序的步驟如下

3.1μC/OSⅡ實時操作系統(tǒng)的移植

μC/OSⅡ是一種開放源碼的實時嵌入式操作系統(tǒng)，具有很好的實時性。它是可移植、可裁減、可固化的占先式多任務操作系統(tǒng)，其大部分源碼由ANSIC語言編寫。

移植工作包括以下幾個內容：

（1）用匯編語言改寫OS_CPU_A.ASM。

（2）用Ｃ語言改寫OS_CPU_Ｃ。C。

（3）編寫OS_CPU.H。

（4）適當處理OSMapTbl[]和OSUnMapTbl[]。

①OS_CPU_A.ASM文件包括4個子程序：OSStart-HighRdy、OSCtxsw、OSIntCtxSw和OSTickISR。

1）OSStartHighRdy（）函數

當程序執(zhí)行內核的OSStart函數時，表示多任務系統(tǒng)開始啟動，OSStart函數將調用OSStartHighRdy函數從最高優(yōu)先級任務的TCB塊中獲得該任務的堆棧指針，通過該指針，依次從該任務的任務堆棧中恢復CPU的現場。由于任務在堆棧初始化時，已經設定了彈出到程序指針寄存器PC的是該任務函數的入口地址，因此，OSStartHighRdy函數只需依次彈出任務棧內容到處理起寄存器，該任務便將得以運行。

2）OSCtxSw（）函數

該函數是任務級的上下文切換函數，當任務被阻塞而主動請求CPU開始任務調度時執(zhí)行，其過程是將當前任務的的CPU現場保存到該任務堆棧中去，然后從OSTCBHighRdy中獲得更高優(yōu)先級任務的堆棧指針，再從該指針指向的堆棧中恢復此任務的CPU現場，使之繼續(xù)執(zhí)行，從而完成一次任務級別的切換。表2為OSCtxSw函數的偽代碼。

voidOSCtxSw（void）{

保存處理器寄存器；/*將欲掛起的任務的CPU寄存器壓入當前堆棧*/

OSTCBCur->OSTCBStkPtr=sp;/*OSTCBCur目前指向的是被打斷的任務TCB，此操作

將該任務的棧頂指針保存到其OSTCBStkPtr中去，便于下次恢復時從這里獲取棧頂指針*/

OSTCBCur=OSTCBHighRdy;/*OSTCBHighRdy指向的是就緒的高優(yōu)先級任務的TCB，

將其裝載到OSTCBCur中來*/

SP=OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr;/*取得就緒的高優(yōu)先級任務的棧頂指針*/

恢復該任務的現場（）；/*于是便可通過剛取得的棧頂指針恢復該任務*/

執(zhí)行中斷返回指令；/*若OSCtxSw含有軟中斷指令則需中斷返回，本移植不使用軟中斷*/

}

表2OSCtxSw函數的偽代碼

3）OSIntCtxSw（）函數

該函數用于中斷級的上下文切換。由于CPU響應時鐘節(jié)拍中斷后，處理器從svc進入了irq模式，并進入時鐘節(jié)拍中斷服務函數OSTickISR，OSTickISR函數發(fā)現若有高優(yōu)先級任務需要運行，則系統(tǒng)不返回中斷前的任務，而直接調度就緒的高優(yōu)先級任務使之盡快得到執(zhí)行，以保證實時性能。但是由于OSTickISR函數一開始已經保存過任務中斷前的CPU現場，因此OSIntCtxSW（）不需要再進行類似的操作。當OSTickISR調用OSIntExit函數找出需要運行的更高優(yōu)先級任務后，OSIntExit會將該任務的TCB指針放在OSTCBHighRdy中，然后OSIntExit在最后調用OSIntCtxSW函數來從OSTCBHighRdy中獲取堆棧指針然后恢復該高優(yōu)先級任務的現場，使得其繼續(xù)執(zhí)行，并不再返回時鐘節(jié)拍中斷服務程序。顯然，OSIntCtxSW函數的過程和OSCtxSW函數的后半部分操作相同，因此，OSCtxSW可以借用OSIntCtxSW的代碼。

4）OSTickISR（）函數

在CPU響應時鐘節(jié)拍中斷后，程序指針PC發(fā)生跳轉后進入該函數，由于OSTickISR調用OSTimeTick函數使得所有的延時節(jié)拍不為0的任務延時節(jié)拍數減1，并調用OSIntExit函數來找出就緒的高優(yōu)先級任務，若需要切換，則最后由OSIntCtxSw來完成新任務的調度，否則仍然返回到被時鐘節(jié)拍中斷的任務。

OS_CPU_C.C文件：本文件僅包括一個OSTaskStkInit（）子程序。該函數模仿TI公司的I$SAVE庫函數對任務堆棧進行初始化，被函數OSTaskCreate（）和OSTaskCreateExt（）所調用并返回任務堆棧初始化后的指針值。注意：2407A的堆棧與一般MCU不同，芯片本身的堆棧（以下簡稱US）只有8級，無法作為系統(tǒng)堆棧使用，所以C編譯器將它內部的2個寄存器AR0和AR1保留。AR1作為堆棧指針SP，AR0用做堆棧中臨時變量指針FP（在匯編程序中不要使用這2個寄存器，如果必須使用，要關中斷，并注意保存和恢復）。編譯器將函數和中斷壓進US，并將其返回地址彈出放在SP（AR1）指向的堆棧中，保留當前環(huán)境，不同的是函數只保留程序要使用的寄存器，中斷要調用I$SAVE保存所有寄存器，返回時要跳轉到（不是調用）I$REST（這2個函數可以在RTS.SRC中看到源代碼）恢復寄存器。這2個函數就像8086中的中斷進入和指令IRET，是移植的基礎。

OS_CPU.H文件：內容可根據μC/OS-Ⅱ中80x86的內容進行修改。

適當處理OSMapTbl[]和OSUnMapTbl[]：移植時還需要對μC/OSⅡ的OSMapTbl[]和OSUnMapTbl[]2個表進行適當處理，否則會出現尋址錯誤而使μC/OSⅡ無法正常運行，這是移植能否成功的重要因素之一。由于TMS320LF2407的存儲器采用的是哈佛結構，Flash存儲器（或外擴的ROM）位于程序區(qū)，因此可按如下方法處理：將μC/OSⅡ中OSMapTbl[]和OSUnMapTbl[]的數據類型從“INT8Uconst”改為“INT8U”，并在鏈接器命令文件（.CMD）中將“.cinit”塊分配到Flash存儲器（或外擴的ROM）中，鏈接選項用“.C”（ROM初始化）。這樣，在程序運行時自動對數據區(qū)的RAM進行初始化，即運行時自動將“.cinit”塊中的數據復制到數據區(qū)的RAM中。

按需要配置OS_FG.H，修改CPU中斷向量表和外設向量表后，根據實際需要對其他文檔中的內容進行相應設置即可。至此，μC/OSⅡ在TMS320LF2407上的移植就完成了。

3.2LAN91C111的編程

對LAN91C111主要包括初始化、發(fā)送數據包和接收數據包三部分。

3.2.1初始化

上電后，LAN91C111內部的寄存器的值設置為缺省值，CPU根據需要設置它里面的Configuration、Base和IndividualAddress寄存器，以保證它正常工作。

3.2.2發(fā)送數據包流程

（1）DSP向控制器發(fā)送ALLOCATEMEMORY命令（設置MMUCOM寄存器，通常設置為0x0020）。MMU負責在控制器內部的packetbuffer中為待發(fā)送的包分配存儲空間。

（2）DSP查詢中斷狀態(tài)寄存器中的ALLOCINT位，直到該位被置為1，也可以設置中斷掩碼中的ALLOCINT位，然后等待硬件中斷，這時MMU已經分配好存儲空間。而且TXpacketnumber放在AllocationResult寄存器中。

（3）將AllocationResult寄存器中的packetNumber拷貝到PacketNUMBER寄存器中，設置Pointer寄存器（設置為TX、WR、AUTOINC，即0x4000）。然后將包的數據從upperlayer發(fā)送隊列傳送到控制器的數據寄存器。要求依次寫人StatusWord、ByteCount、destinationaddress、sourceaddress、packetsize、packetdata和controlword。

（4）DSP向控制器發(fā)送“ENQUEUEPACKETNUMBERTOTXFIFO”命令（設置MMUCOM寄存器，通常設置為Ox00C0），該命令將PacketNumber寄存器中的packetnumber拷貝到TXFIFO，說明發(fā)送的包已經放入隊列中。同時設置傳輸控制寄存器中的TXENA位，啟動transmitter。到目前為止，DSP的設置工作已完成，它可以空閑，直到接收到一個控制器產生的發(fā)送中斷。

（5）當控制器傳送完包以后，內存中的第1個字（16位）被CSMA/CD寫入相應的狀態(tài)字，然后將TXFIFO中的packetnumber移到TXcompletionFIFO，當TXcompletionFIFO不為空時產生中斷。

（6）DSP接收到中斷后，開始執(zhí)行中斷處理程序，它讀入中斷狀態(tài)寄存器，如果產生發(fā)送中斷，則從FIFO端口寄存器讀入發(fā)送包的PacketNumber，并將它寫入Packet Number寄存器。然后從內存中讀入狀態(tài)字（包括設置Pointer寄存器為TX、RD、AUTOINC，即0x6000，然后從數據寄存器中讀入包的狀態(tài)字），它是EPH寄存器的鏡像，根據狀態(tài)字判斷包發(fā)送是否成功。如果成功則DSP向控制器發(fā)布RELEASE命令（設置MMUCOM寄存器，設置為Ox00A0），控制器將釋放發(fā)送包所使用的存儲空間，同時設置TXINTAcknowledge寄存器，它將TXcompletionFIFO中的packetnumber清除。有二種產生發(fā)送中斷的方案：①每發(fā)送一個包產生一個中斷。②每發(fā)送一個序列的包產生一個中斷。通過控制寄存器的AutoRelease位來選擇這二種方案，而且這二種方案所使用的發(fā)送中斷位也有所不同。

TXINT：當TXcompletionFIFO不為空時置0；

TXEMPTYINT：當TXFIFO為空時置1；

AUTORELEASE：如果置為1，發(fā)送包成功后，packetnumber不寫到TXcompletionFIFO中，而且它所使用的存儲空間被自動釋放。

（7）選擇使用“每發(fā)送一個包產生一個中斷”方案：允許TXINT中斷，AUTORELEASE=0，這種方案的流程如上所示。

（8）選擇使用“每發(fā)送一個序列的包產生一個中斷”方案：允許TXEMPTYINT和TXINT，AUTORELEASE=1，當發(fā)送完FIFO中的最后一個包后，產生TXEMPTYINT中斷。當發(fā)生嚴重的發(fā)送錯誤時，產生TXINT中斷，同時將發(fā)送失敗的包的packetnumber保存到FIFOPorts寄存器，這樣DSP就可以知道發(fā)送過程停止了。該方案可以減少DSP的負擔，而且存儲空間的釋放也更迅速。當AUTORELEASE=1時，DSP不能得到成功發(fā)送包的packetnumber。

3.2.3接收數據包流程

（1）DSP設置接收控制寄存器中的RXEN位，允許接收包。

（2）含有正確地址的包被接收到，從MMU請求存儲空間，并分派一個packetnumber，內部的DMA邏輯產生連續(xù)的地址，并將接收到的字寫到內存中。如果超界，則包被丟棄，存儲空間被釋放。當檢測到包結束時，狀態(tài)字被寫到接收包的最前面，bytecount寫到第2個字。如果CRC校驗正確，則packetnumber被寫到RXFIFO。當RXFIFO非空時，產生RCVINT中斷；如果CRC校驗不正確，則存儲空間被釋放，而且不產生中斷。

（3）DSP接收到中斷后開始執(zhí)行中斷處理程序，它讀入中斷狀態(tài)寄存器，如果產生接收中斷（RCVINT位為1），則可以從FIFO端口寄存器得到接收的包的packetnumber，而且可以從數據寄存器將接收包傳送到DSP的內存或外存中。當處理結束時，DSP向處理器發(fā)布REMOVEANDRELEASEFROMTOPOFRX命令（即設置寄存器MMUCOM，設置為0x0060），釋放使用的存儲空間和packetnumber。

4結束語

對以太網和快速以太網的自動協商模式使LAN91C111具有很高的性價比，應用領域廣泛。本設計利用LAN91C111和DSP芯片組成嵌入式以太網通信系統(tǒng)，能夠正確地接入快速以太網，具備10M/100Mbps、全雙工/半雙工自適應等多種功能，符合IEEE802.3/802.3u-100Base-TX/lOBase-T規(guī)范，實現的嵌入式以太網接口支持RJ45和以太網的連接，可以通過以太網接入Internet，以實現從Internet上監(jiān)控嵌入式設備。

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