基于TMS320F2812的快速以太網(wǎng)通信系統(tǒng)平臺(tái)

引言

　　隨著Internet應(yīng)用的日益普及，信息共享程度的不斷提高。嵌入式設(shè)備的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化已經(jīng)成為必然趨勢(shì)，目前市場(chǎng)上的主流嵌入式操作系統(tǒng)都包含了TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。這些商品化的TCP/IP協(xié)議棧運(yùn)行可靠、性能也非常好，但是價(jià)格較高，降低了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。因此，開發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TCP/IP協(xié)議棧的要求變的日益迫切而有意義。

　　本文的研究目標(biāo)是建立一個(gè)DSP系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)DSP系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)中其他通信設(shè)備的高速數(shù)據(jù)傳輸。雖然選擇了TI公司的TMS320F2812 DSP，但是本文提出的方案，具有很大程度的通用性，對(duì)其他系列的DSP或CPU系統(tǒng)也有一定的參考價(jià)值。

TCP/IP協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)

　　以太網(wǎng)最典型的應(yīng)用形式是Ethernet＋TCP/IP，即在由以太網(wǎng)構(gòu)建的底層傳輸網(wǎng)絡(luò)上采用已成為通用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議TCP/IP進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，這是當(dāng)今最流行，應(yīng)用最廣泛的以太網(wǎng)通信方式。

　　國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）制定了開放式系統(tǒng)互連（OSI）參考模型，將通信會(huì)話需要的各個(gè)過程劃分為7個(gè)相對(duì)獨(dú)立的功能層次，與OSI參考模型不同，TCP/IP模型側(cè)重于互連設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，而不是嚴(yán)格的層次劃分。

　　通常，OSI參考模型在從理論上解釋互聯(lián)網(wǎng)通信機(jī)制時(shí)比較適合，而TCP/IP模型則在具體的軟件實(shí)現(xiàn)中更為適合。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

　　本文的以太網(wǎng)通信系統(tǒng)大致分為5個(gè)層次，由下向上分別為：硬件層、設(shè)備驅(qū)動(dòng)層、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)模塊和用戶代碼。系統(tǒng)硬件電路，包括DSP系統(tǒng)和以太網(wǎng)控制芯片Ax88796的接口電路，是系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)?？焖僖蕴W(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序處于硬件抽象層，本身雖為軟件，但與硬件結(jié)合緊密，為操作系統(tǒng)提供了訪問快速以太網(wǎng)控制芯片Ax88796或改變其工作行為的系統(tǒng)調(diào)用。μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)處于系統(tǒng)內(nèi)核，為用戶代碼統(tǒng)一管理系統(tǒng)軟硬件資源，提供用戶所需的底層服務(wù)。TCP/IP協(xié)議棧軟件為μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)通信能力。用戶代碼處理特定的應(yīng)用程序細(xì)節(jié)，可以直接使用TCP/IP協(xié)議模塊提供的API函數(shù)，開發(fā)基于以太網(wǎng)的通信項(xiàng)目。

　　2 系統(tǒng)硬件框圖

　　系統(tǒng)硬件包括TMS320F2812與IS61LV51216存儲(chǔ)器芯片的接口電路、TMS320F2812與快速以太網(wǎng)控制芯片Ax88796的接口電路。系統(tǒng)的軟件代碼在調(diào)試階段存放在擴(kuò)展的RAM中，脫機(jī)運(yùn)行后，用于存儲(chǔ)傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)，故擴(kuò)展了512KB。使用了ISSI公司生成的IS61LV51216存儲(chǔ)器芯片。以太網(wǎng)控制芯片Ax88796通過ISA接口與DSP相連，通過網(wǎng)絡(luò)隔離器16ST8515后，接入以太網(wǎng)絡(luò)中。電源監(jiān)控電路在系統(tǒng)電源電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，給DSP系統(tǒng)提供復(fù)位信號(hào)，使系統(tǒng)程序重新初始化并運(yùn)行，避免出現(xiàn)不可預(yù)知的錯(cuò)誤。

圖1 硬件框圖

　　3 DSP系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　?、傧到y(tǒng)電源設(shè)計(jì)
　　為了降低芯片功耗，TMS320F2812采用1.8V（1.9V@150MHz）內(nèi)核電壓，但GPIO、FLASH等模塊采用3.3V供電。本課題選用TI公司的TPS767D301電源芯片。該芯片輸出兩路電壓，一路3.3V，另一路1.5～5.5V可調(diào)，支持1A電流輸出。系統(tǒng)中DSP芯片正常工作下消耗電流230mA，以太網(wǎng)接口芯片最大消耗電流120mA，RAM最大消耗電流180mA，系統(tǒng)總功耗為530mA，故TPS767D301能滿足系統(tǒng)要求。

　　②系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)的時(shí)鐘電路有兩種方案可選擇，一種是使用外部時(shí)鐘源，即有源晶振。另一種是使用DSP內(nèi)部的振蕩驅(qū)動(dòng)電路，外接一個(gè)晶體和兩個(gè)電容。有源晶振的特點(diǎn)是不需要芯片內(nèi)部振蕩器，加上額定的電壓就能輸出規(guī)則的方波，缺點(diǎn)是輸出波形只能是固定的兩個(gè)電壓值：低電平(0V)和高電平(輸入供電電壓)，另外器件成本高。外接晶體的特點(diǎn)是使用芯片內(nèi)部振蕩電路，輸出的波形為正弦波，波形幅度由控制器決定，不存在電壓匹配的問題。

　　TMS320F2812的I/O引腳一般為3.3V，但時(shí)鐘輸入腳卻是個(gè)例外，只能承受1.8V/1.9V的輸入電壓，而1.8V/1.9V的有源晶振市場(chǎng)上罕有出售，故采用無(wú)源晶振。

　　③復(fù)位電路設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)中有兩個(gè)芯片需要復(fù)位信號(hào)：DSP芯片和以太網(wǎng)控制芯片Ax88796。但二者對(duì)復(fù)位信號(hào)的要求各不相同，DSP是低電平復(fù)位，而Ax88796是高電平復(fù)位，故采用TI公司的專用復(fù)位芯片TPS3307。該芯片具有上電復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位和電源監(jiān)控三項(xiàng)功能。電路如圖2所示。

　　進(jìn)入正常的程序入口，Ax88796初始化內(nèi)部寄存器。手動(dòng)復(fù)位的功能是當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)程序跑飛或需要系統(tǒng)重新初始化并運(yùn)行時(shí)，按下復(fù)位按鍵產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，使DSP進(jìn)入正常的程序入口。

　?、芟到y(tǒng)RAM擴(kuò)展
　　TMS320F2812內(nèi)部已經(jīng)集成了18KB的RAM，對(duì)于一般的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，已經(jīng)無(wú)須再擴(kuò)展外部RAM。但是片內(nèi)RAM能以150MIPS的速度進(jìn)行訪問，在對(duì)運(yùn)算速度要求很高的處理程序中，通常將經(jīng)常訪問的程序段放到內(nèi)部RAM中運(yùn)行，這樣能大大提高運(yùn)行速度，因此片內(nèi)RAM顯得格外寶貴。而且本系統(tǒng)是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，將來(lái)會(huì)用于進(jìn)行大量圖像的網(wǎng)絡(luò)傳輸，因而也要求外括RAM用于存放圖像文件。

圖2 復(fù)位電路

　　RAM選用ISSI公司的IS61LV51216，存儲(chǔ)容量為512K×16位，3.3V的供電電壓，訪問速度有8ns、10ns、12ns、15ns可選擇。當(dāng)CPU運(yùn)行在150MHz的時(shí)候，地址和數(shù)據(jù)的最小有效時(shí)間為3個(gè)時(shí)鐘周期，即20ns，所以該存儲(chǔ)器接口不用考慮時(shí)序設(shè)計(jì)的問題。

　　4 快速以太網(wǎng)硬件接口設(shè)計(jì)

　　Ax88796內(nèi)部集成有10/100Mb/s自適應(yīng)的物理層收發(fā)器和8K×16位的SRAM，支持MCS-51系列、80186系列、ISA以及MC68K系列等多種CPU總線類型。Ax88796提供基于IEEE802.3/IEEE 802.3u局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的10Mb/s和100Mb/s以太網(wǎng)控制功能，并采用IEEE 802.3u兼容的媒質(zhì)無(wú)關(guān)接口MII（Media Independent Interface）。此外，Ax88796還提供可選的標(biāo)準(zhǔn)打印接口，用于連接打印設(shè)備或作通用I/O端口。

　　①Ax88796的ISA接口設(shè)計(jì)
　　Ax88796有兩個(gè)輸入引腳CPU[1:0]設(shè)置不同的工作模式，用于和不同的CPU總線相連。在與TMS320F2812連接時(shí)，將CPU[1:0]都拉低，設(shè)置為ISA總線接口。Ax88796的地址總線SA與數(shù)據(jù)總線SD分別與TMS320F2812的地址/數(shù)據(jù)總線相連，TMS320F2812通過I/O讀寫Ax88796的寄存器來(lái)控制其狀態(tài)，通過遠(yuǎn)程DMA FIFOs與Ax88796的內(nèi)部SRAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。Ax88796的基地址默認(rèn)值200H，所以基地址范圍為200H～21FH。Ax88796的ISA接口有10根地址線，SA[9:0]。

　　②Ax88796電源設(shè)計(jì)
　　Ax88796具有多種電壓類型：VDD、VDDA、VDDPD和VDDO，分別為芯片內(nèi)部的數(shù)字電路、模擬電路、相位偵測(cè)模塊、收發(fā)器驅(qū)動(dòng)模塊提供電源。雖然同為3.3V電壓，但為了防止各個(gè)模塊通過電源線發(fā)生串繞，要求各電源獨(dú)立供電，于是設(shè)計(jì)了電源隔離、濾波電路，將系統(tǒng)的3.3V供電電壓，通過LC濾波分為Ax88796所需的四路電壓。