嵌入式Internet以太網(wǎng)接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要： 基于DSP和較新的自適應(yīng)10M/100M嵌入式以太網(wǎng)控制器芯片LAN91C111，介紹了嵌入式系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。

在電子設(shè)備日趨網(wǎng)絡(luò)的背景下，目前廣泛使用的以太網(wǎng)及TCP/IP協(xié)議已經(jīng)成為事實(shí)上最常用的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)之一，它的高速、可靠、分層及可擴(kuò)充性使得它在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越靈活，很多情況下運(yùn)用以太網(wǎng)和TCP/IP能夠簡化結(jié)構(gòu)和降低成本。目前關(guān)于嵌入式以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案不是很多，其中大多是基于單片機(jī)的，缺點(diǎn)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(xié)處理器和用于快速數(shù)據(jù)處理的并行數(shù)據(jù)通道，在嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中引入DSP技術(shù)可以使嵌入式以太網(wǎng)變得更快、更便宜、更容易進(jìn)行功能擴(kuò)充。本文介紹了基于TMS320LF2407型的嵌入式系統(tǒng)與LAN91C111型自適應(yīng)10Mb/s/100Mb/s嵌入式以太網(wǎng)控制芯片的接口電路和實(shí)現(xiàn)方法。

1 LAN91C111嵌入式以太網(wǎng)控制器芯片

LAN91C111是SMSC公司推出的為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第三代快速以太網(wǎng)控制器。在LAN91C111芯片上集成了CSMA/CD協(xié)議的媒體層（MAC）和物理層（PHY），其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該以太網(wǎng)控制器的主要功能特性如下。

（1）自適應(yīng)地選擇傳輸速率，支持10M/100Mbps。

（2） 8KB的內(nèi)部存儲(chǔ)器用于接收和發(fā)送的緩存。

（3） 支持突發(fā)數(shù)據(jù)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(wǎng)控制器遵循的標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議為IEEE頒布的802.3以太網(wǎng)傳輸協(xié)議。8～32位數(shù)據(jù)總線接口單元由控制總線、地址總線和數(shù)據(jù)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(nèi)部寄存器的初始值可先放在E2PROM中，自舉時(shí)通過E2PROM接口輸入到芯片中，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)初始化。總線仲裁器（Arbiter）監(jiān)視以太網(wǎng)總線的數(shù)據(jù)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(lián)系，另一方面控制內(nèi)存控制單元（MMU），實(shí)現(xiàn)總線數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)。內(nèi)存控制單元控制8KB動(dòng)態(tài)SRAM的存儲(chǔ)情況，實(shí)現(xiàn)與DMA控制器之間的數(shù)據(jù)聯(lián)絡(luò)。DMA控制器與總線控制器一起控制數(shù)據(jù)在DMA與以太網(wǎng)協(xié)議處理器（EPH）之間的交換。由以太網(wǎng)協(xié)議處理器輸出的數(shù)據(jù)最終經(jīng)過10M/100M的物理層直接到達(dá)以太網(wǎng)總線。

2 硬件電路組成

出于性價(jià)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(qiáng)的一種控制器，有很大的存儲(chǔ)空間（高達(dá)32K字的Flash程序存儲(chǔ)器，可擴(kuò)展外部64K字存儲(chǔ)器和64K字I/O尋址空間），非常適合于處理復(fù)雜的TCP/IP協(xié)議。

由于LAN91C111是為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(nèi)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(shù)據(jù)總線D0~D15與DSP的D0~D15相連，可以傳輸16位數(shù)據(jù)。D16~D32懸空（因?yàn)長F2407是16位數(shù)據(jù)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(wǎng)的變壓濾波器。LAN91C111模塊的Protel原理圖。

3 軟件設(shè)計(jì)

編寫控制以太網(wǎng)接口程序的步驟如下。

3.1 μC/OSⅡ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)的移植

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

移植工作包括以下幾個(gè)內(nèi)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(dāng)處理OSMapTbl[ ]和OSUnMapTbl[ ]。

①OS_ CPU_ A.ASM文件包括4個(gè)子程序：OSStart-HighRdy、OSCtxsw、OSIntCtxSw和OSTickISR。

1）OSStartHighRdy（）函數(shù)

當(dāng)程序執(zhí)行內(nèi)核的OSStart函數(shù)時(shí)，表示多任務(wù)系統(tǒng)開始啟動(dòng)， OSStart函數(shù)將調(diào)用OSStartHighRdy函數(shù)從最高優(yōu)先級任務(wù)的TCB塊中獲得該任務(wù)的堆棧指針，通過該指針，依次從該任務(wù)的任務(wù)堆棧中恢復(fù)CPU的現(xiàn)場。由于任務(wù)在堆棧初始化時(shí)，已經(jīng)設(shè)定了彈出到程序指針寄存器PC的是該任務(wù)函數(shù)的入口地址，因此，OSStartHighRdy函數(shù)只需依次彈出任務(wù)棧內(nèi)容到處理起寄存器，該任務(wù)便將得以運(yùn)行。

2）OSCtxSw（）函數(shù)

該函數(shù)是任務(wù)級的上下文切換函數(shù)，當(dāng)任務(wù)被阻塞而主動(dòng)請求CPU開始任務(wù)調(diào)度時(shí)執(zhí)行，其過程是將當(dāng)前任務(wù)的的CPU現(xiàn)場保存到該任務(wù)堆棧中去，然后從 OSTCBHighRdy中獲得更高優(yōu)先級任務(wù)的堆棧指針，再從該指針指向的堆棧中恢復(fù)此任務(wù)的CPU現(xiàn)場，使之繼續(xù)執(zhí)行，從而完成一次任務(wù)級別的切換。表2為OSCtxSw函數(shù)的偽代碼。

　　void OSCtxSw（void） {

　　保存處理器寄存器；/*將欲掛起的任務(wù)的CPU寄存器壓入當(dāng)前堆棧*/

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

　　將該任務(wù)的棧頂指針保存到其OSTCBStkPtr中去，便于下次恢復(fù)時(shí)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(wù)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(wù)的棧頂指針*/

　　恢復(fù)該任務(wù)的現(xiàn)場（）； /*于是便可通過剛?cè)〉玫臈ｍ斨羔樆謴?fù)該任務(wù) */

　　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2 OSCtxSw函數(shù)的偽代碼

3） OSIntCtxSw（） 函數(shù)

該函數(shù)用于中斷級的上下文切換。由于CPU響應(yīng)時(shí)鐘節(jié)拍中斷后，處理器從svc進(jìn)入了irq模式，并進(jìn)入時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)函數(shù)OSTickISR， OSTickISR函數(shù)發(fā)現(xiàn)若有高優(yōu)先級任務(wù)需要運(yùn)行，則系統(tǒng)不返回中斷前的任務(wù)，而直接調(diào)度就緒的高優(yōu)先級任務(wù)使之盡快得到執(zhí)行，以保證實(shí)時(shí)性能。但是由于OSTickISR函數(shù)一開始已經(jīng)保存過任務(wù)中斷前的CPU現(xiàn)場，因此OSIntCtxSW（）不需要再進(jìn)行類似的操作。當(dāng)OSTickISR調(diào)用 OSIntExit函數(shù)找出需要運(yùn)行的更高優(yōu)先級任務(wù)后，OSIntExit會(huì)將該任務(wù)的TCB指針放在OSTCBHighRdy中，然后 OSIntExit在最后調(diào)用OSIntCtxSW函數(shù)來從OSTCBHighRdy中獲取堆棧指針然后恢復(fù)該高優(yōu)先級任務(wù)的現(xiàn)場，使得其繼續(xù)執(zhí)行，并不再返回時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)程序。顯然，OSIntCtxSW函數(shù)的過程和OSCtxSW函數(shù)的后半部分操作相同，因此，OSCtxSW可以借用 OSIntCtxSW的代碼。

4） OSTickISR（）函數(shù)

在CPU響應(yīng)時(shí)鐘節(jié)拍中斷后，程序指針PC發(fā)生跳轉(zhuǎn)后進(jìn)入該函數(shù)，由于OSTickISR調(diào)用OSTimeTick函數(shù)使得所有的延時(shí)節(jié)拍不為0的任務(wù)延時(shí)節(jié)拍數(shù)減1，并調(diào)用OSIntExit函數(shù)來找出就緒的高優(yōu)先級任務(wù)，若需要切換，則最后由OSIntCtxSw來完成新任務(wù)的調(diào)度，否則仍然返回到被時(shí)鐘節(jié)拍中斷的任務(wù)。

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

③OS_CPU.H文件：內(nèi)容可根據(jù)μC/OS-Ⅱ中80x86的內(nèi)容進(jìn)行修改。

④適當(dāng)處理OSMapTbl[ ]和OSUnMapTbl[ ]：移植時(shí)還需要對μC/OSⅡ的OSMapTbl[ ]和OSUnMapTbl[ ]2個(gè)表進(jìn)行適當(dāng)處理，否則會(huì)出現(xiàn)尋址錯(cuò)誤而使μC/OSⅡ無法正常運(yùn)行，這是移植能否成功的重要因素之一。由于TMS320LF2407的存儲(chǔ)器采用的是哈佛結(jié)構(gòu)，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器（或外擴(kuò)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(shù)據(jù)類型從“INT8U const”改為“INT8U”，并在鏈接器命令文件（。CMD）中將“。cinit”塊分配到Flash存儲(chǔ)器（或外擴(kuò)的ROM）中，鏈接選項(xiàng)用“。C”（ROM初始化）。這樣，在程序運(yùn)行時(shí)自動(dòng)對數(shù)據(jù)區(qū)的RAM進(jìn)行初始化，即運(yùn)行時(shí)自動(dòng)將“。cinit”塊中的數(shù)據(jù)復(fù)制到數(shù)據(jù)區(qū)的RAM中。

按需要配置OS_FG.H，修改CPU中斷向量表和外設(shè)向量表后，根據(jù)實(shí)際需要對其他文檔中的內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置即可。至此，μC/OSⅡ在TMS320LF2407上的移植就完成了。

3.2 LAN91C111的編程

　　對LAN91C111主要包括初始化、發(fā)送數(shù)據(jù)包和接收數(shù)據(jù)包三部分。

3.2.1 初始化

上電后，LAN91C111內(nèi)部的寄存器的值設(shè)置為缺省值，CPU根據(jù)需要設(shè)置它里面的Configuration、Base和Individual Address寄存器，以保證它正常工作。

3.2.2 發(fā)送數(shù)據(jù)包流程

（1）DSP向控制器發(fā)送ALLOCATE MEMORY命令（設(shè)置MMUCOM寄存器，通常設(shè)置為0x0020）。MMU負(fù)責(zé)在控制器內(nèi)部的packet buffer中為待發(fā)送的包分配存儲(chǔ)空間。

（2）DSP查詢中斷狀態(tài)寄存器中的ALLOC INT位，直到該位被置為1，也可以設(shè)置中斷掩碼中的ALLOC INT位，然后等待硬件中斷，這時(shí)MMU已經(jīng)分配好存儲(chǔ)空間。而且TX packet number放在Allocation Result寄存器中。

（3）將Allocation Result寄存器中的packet Number拷貝到Packet NUMBER寄存器中，設(shè)置Pointer寄存器（設(shè)置為TX、WR、AUTOINC，即0x4000）。然后將包的數(shù)據(jù)從upper layer發(fā)送隊(duì)列傳送到控制器的數(shù)據(jù)寄存器。要求依次寫人Status Word、Byte Count、destination address、source address、packet size、packet data和control word。

（4）DSP向控制器發(fā)送“ENQUEUE PACKET NUMBER TO TX FIFO”命令（設(shè)置MMUCOM寄存器，通常設(shè)置為Ox00C0），該命令將Packet Number寄存器中的packet number拷貝到TX FIFO，說明發(fā)送的包已經(jīng)放入隊(duì)列中。同時(shí)設(shè)置傳輸控制寄存器中的TXENA位，啟動(dòng)transmitter。到目前為止，DSP的設(shè)置工作已完成，它可以空閑，直到接收到一個(gè)控制器產(chǎn)生的發(fā)送中斷。

（5）當(dāng)控制器傳送完包以后，內(nèi)存中的第1個(gè)字（16位）被CSMA/CD寫入相應(yīng)的狀態(tài)字，然后將TX FIFO中的packet number移到TX completion FIFO，當(dāng)TX completion FIFO不為空時(shí)產(chǎn)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(chǎn)生發(fā)送中斷，則從FIFO端口寄存器讀入發(fā)送包的Packet Number，并將它寫入Packet Number寄存器。然后從內(nèi)存中讀入狀態(tài)字（包括設(shè)置Pointer寄存器為TX、RD、AUTOINC，即0x6000，然后從數(shù)據(jù)寄存器中讀入包的狀態(tài)字），它是EPH寄存器的鏡像，根據(jù)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(shè)置MMUCOM寄存器，設(shè)置為Ox00A0），控制器將釋放發(fā)送包所使用的存儲(chǔ)空間，同時(shí)設(shè)置TX INT Acknowledge寄存器，它將TX completion FIFO中的packet number清除。有二種產(chǎn)生發(fā)送中斷的方案：①每發(fā)送一個(gè)包產(chǎn)生一個(gè)中斷。②每發(fā)送一個(gè)序列的包產(chǎn)生一個(gè)中斷。通過控制寄存器的Auto Release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。

　　TX INT：當(dāng)TX completion FIFO不為空時(shí)置0；

　　TX EMPTY INT：當(dāng)TX FIFO為空時(shí)置1；

　　AUTO RELEASE：如果置為1，發(fā)送包成功后，packet number不寫到TX completion FIFO中，而且它所使用的存儲(chǔ)空間被自動(dòng)釋放。

（7）選擇使用“每發(fā)送一個(gè)包產(chǎn)生一個(gè)中斷”方案：允許TX INT中斷，AUTO RELEASE=0，這種方案的流程如上所示。

（8）選擇使用“每發(fā)送一個(gè)序列的包產(chǎn)生一個(gè)中斷”方案：允許TX EMPTY INT和TX INT，AUTO RELEASE=1，當(dāng)發(fā)送完FIFO中的最后一個(gè)包后，產(chǎn)生TX EMPTY INT中斷。當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重的發(fā)送錯(cuò)誤時(shí)，產(chǎn)生TX INT中斷，同時(shí)將發(fā)送失敗的包的packet number保存到FIFO Ports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(fù)擔(dān)，而且存儲(chǔ)空間的釋放也更迅速。當(dāng)AUTO RELEASE=1時(shí)，DSP不能得到成功發(fā)送包的packet number。

3.2.3 接收數(shù)據(jù)包流程

（1）DSP設(shè)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(chǔ)空間，并分派一個(gè)packet number，內(nèi)部的DMA邏輯產(chǎn)生連續(xù)的地址，并將接收到的字寫到內(nèi)存中。如果超界，則包被丟棄，存儲(chǔ)空間被釋放。當(dāng)檢測到包結(jié)束時(shí)，狀態(tài)字被寫到接收包的最前面，byte count寫到第2個(gè)字。如果CRC校驗(yàn)正確，則packet number被寫到RX FIFO。當(dāng)RX FIFO非空時(shí)，產(chǎn)生RCV INT中斷；如果CRC校驗(yàn)不正確，則存儲(chǔ)空間被釋放，而且不產(chǎn)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(chǎn)生接收中斷（RCV INT位為1），則可以從FIFO端口寄存器得到接收的包的packet number，而且可以從數(shù)據(jù)寄存器將接收包傳送到DSP的內(nèi)存或外存中。當(dāng)處理結(jié)束時(shí)，DSP向處理器發(fā)布REMOVE AND RELEASE FROM TOP OF RX命令（即設(shè)置寄存器MMUCOM，設(shè)置為0x0060），釋放使用的存儲(chǔ)空間和packet number。

4 結(jié)束語

對以太網(wǎng)和快速以太網(wǎng)的自動(dòng)協(xié)商模式使LAN 91C111具有很高的性價(jià)比，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。本設(shè)計(jì)利用LAN91C111和DSP芯片組成嵌入式以太網(wǎng)通信系統(tǒng)，能夠正確地接入快速以太網(wǎng)，具備10M/100Mbps、全雙工/半雙工自適應(yīng)等多種功能，符合IEEE802.3/802.3u-100Base-TX/lOBase-T規(guī)范，實(shí)現(xiàn)的嵌入式以太網(wǎng)接口支持RJ45和以太網(wǎng)的連接，可以通過以太網(wǎng)接入Internet，以實(shí)現(xiàn)從Internet上監(jiān)控嵌入式設(shè)備。