嵌入式以太網(wǎng)接口電路的實(shí)現(xiàn)

嵌入式以太網(wǎng)不僅可用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)上網(wǎng)功能，而且還可以用于信息家電的以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，具有很好的發(fā)展前景。文章介紹基于TMS320LF2407型DSP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)控制的接口電路及軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。

1 引言

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。

2 LAN91C111

LAN91C111是SMSC公司為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)推出的第三代快速以太網(wǎng)控制器。LAN91C111的芯片上集成了遵循SMSC/CD協(xié)議的MAC(媒體層)和PHY(物理層)，符合IEEE802.3/802.U-100Base-Tx/10Base-T規(guī)范，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該以太網(wǎng)控制器的主要功能如下：

·自適應(yīng)地選傳輸速率，支持10Mb/s/100Mb/s;

·充分支持全雙工交換式以太網(wǎng);

·支持突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸;

·8k字節(jié)的內(nèi)部存儲(chǔ)器用作接收發(fā)送的FIFO緩存;

·增強(qiáng)式能量管理功能;

·支持總線8位、16位、32位的CPU訪問(wèn);

·提前發(fā)送和接收。

LAN91C111以太網(wǎng)控制器遵循IEEE頒布的802.3以太網(wǎng)傳輸協(xié)議。其8-32位數(shù)據(jù)總線接口單元通過(guò)控制總線、地址總線和數(shù)據(jù)總線與外部的CPU相連。外部數(shù)據(jù)可以8位、16位或32位的方式與LAN91C111進(jìn)行交換。該電路還集成了EEPROM接口，自舉時(shí)再通過(guò)EEOROM接口輸入到芯片中，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)初始化?？偩€仲裁器(Arbiter)用來(lái)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，仲裁器一方面通過(guò)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)存控制單元可控制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DMA與以太網(wǎng)協(xié)議處理器(EPH)之間的數(shù)據(jù)交換。以太網(wǎng)協(xié)議處理器(EPH)之間的數(shù)據(jù)交換。以太網(wǎng)協(xié)議處理器出來(lái)的數(shù)量最終經(jīng)過(guò)10Mb/s/100Mb/s的物理層(PHY)直接到達(dá)以太網(wǎng)總線。

3 硬件電路組成

出于性價(jià)比的考慮，選用DSP控制器作為主CPU。TMS320LF2407是TI公司發(fā)布的一款高性價(jià)比的，適用于工業(yè)控制領(lǐng)域的DSP。該系列具有強(qiáng)大的指令系統(tǒng)、較強(qiáng)的靈活性、高速的數(shù)學(xué)處理功能及全新的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可廣泛用于通信、計(jì)算機(jī)、商業(yè)、工業(yè)、軍事等領(lǐng)域。TMS320LF2407是240X系列控制器中功能最強(qiáng)的一款，采用低功耗CMOS技術(shù)，具有30MI/s的執(zhí)行速率，片上還集成了豐富的外圍部件(EVM、A/D模塊、CAN、SCI、SPI及JTAG)。TMS320LF2407的工作頻率較高(40MHz)，存貯空間較大(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，64k字I/O尋址空間)，非常適合處理復(fù)雜的TCP/IP協(xié)議。

由于LAN91C111是專(zhuān)為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，因此，其外圍電路相對(duì)比較簡(jiǎn)單。它和沒(méi)有DMA傳輸性能的16位DSP(TMS320LF2407)及TG110-S050N2型電磁耦合變壓器構(gòu)成的嵌入式以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中，地址總線A1-A15相連。A0沒(méi)有被LAN91C111使用，懸空;數(shù)據(jù)總線D0-D15相連，用于16位數(shù)據(jù)傳輸。LAN91C111端D16-D32懸空;LAN91C111的片選信號(hào)AEN由DSP的外部I/O接口選通信號(hào)IS提供。二個(gè)元件的讀電平RD、寫(xiě)電平WR分別相連。LAN91C111的中斷輸出信號(hào)INTRO送入DSP的外部中斷腳XINT1觸發(fā)中斷。嵌入式以太網(wǎng)通信模塊的電路原理如圖3所示。

嵌入式以太網(wǎng)不僅可用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)上網(wǎng)功能，而且還可以用于信息家電的以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，具有很好的發(fā)展前景。文章介紹基于TMS320LF2407型DSP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)控制的接口電路及軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。

TX INT：當(dāng)TX completion FIFO不為空時(shí)置1e;

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

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

(7)使用“每發(fā)送一個(gè)包產(chǎn)生一個(gè)中斷”方案時(shí)，AUTO RELEASE=0，該方案的流程如上文所述。使用“每發(fā)送一個(gè)序列的包產(chǎn)生一個(gè)中斷”方案時(shí)允許TX EMPTY INT和TX INT，AUTORELEASE=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。若出現(xiàn)嚴(yán)重的發(fā)送錯(cuò)誤，則產(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(guò)程停止了。這種方案可以減少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。

4.2.3 接收數(shù)據(jù)包流程

(1)DSP設(shè)置receive control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(qǐng)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(xiě)到memory中，如果超界，包被丟棄，存儲(chǔ)空間被釋放。當(dāng)檢測(cè)到包的結(jié)束，Status Word被寫(xiě)到接收包的最前面，byte count寫(xiě)到第二個(gè)字。如果CRC校驗(yàn)正確，packet number被寫(xiě)到RX FIFO，由于RX FIFO非空時(shí)，因此將產(chǎn)生RCV INT中斷;如果RCR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(kāi)始執(zhí)行中斷處理程序，首先讀入Interrupt Status寄存器，如果產(chǎn)生接收中斷(RCV INT位為1)，則可從FIFO ports寄存器得到接收包的packet number，而且可從data register將接收包傳送到DSP的內(nèi)存或外存中。當(dāng)處理結(jié)束，DSP向處理器發(fā)送REMOVE AND RELEASE FROM TOP OF RX命令(即設(shè)置寄存器MMUCOM為0x0060)以釋放使用的存儲(chǔ)空間和packet number。