基于PC104總線(xiàn)的嵌入式以太網(wǎng)卡設(shè)計(jì)

引言

    近幾年來(lái)，PC機(jī)技術(shù)向嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域滲透的步伐逐漸加大，嵌入式PC機(jī)以其超小的體積、極低的功耗散熱，無(wú)需機(jī)箱和底板就可直接疊裝組合成各種系統(tǒng)而受到用戶(hù)的歡迎，因而具有巨大的應(yīng)用潛力。早期的嵌入式PC機(jī)產(chǎn)品是基于8位和16位的ISA總線(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)化母板的PC機(jī)，后來(lái)又開(kāi)發(fā)出多種小型化嵌入式PC產(chǎn)品。當(dāng)前，國(guó)際上小型化嵌入式PC產(chǎn)品中，較有代表性的當(dāng)數(shù)PC104，其尺寸僅為9.14cm×9.65cm，不用插板和總線(xiàn)母板，模塊之間采用層疊式封裝。PC104與ISA規(guī)范完全兼容。因此，用戶(hù)能夠充分利用目前被廣泛認(rèn)可的PC結(jié)構(gòu)體系、現(xiàn)有的軟硬件資源，提供自己的需求組合成更多的功能，開(kāi)發(fā)出新型的PC104產(chǎn)品，以大大縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期及成本。

    隨著信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中往往存在大量的設(shè)備上網(wǎng)的需求。目前，為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)，工業(yè)設(shè)備都必須以網(wǎng)絡(luò)終端的形式出現(xiàn)在系統(tǒng)中。由于工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)備的多樣性和分布性，智能模塊方式的嵌入式終端已成為主流設(shè)備控制方式，而這種網(wǎng)絡(luò)終端大多用單片機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)。在功能單一及性能要求不高的情況下，采用8位或16位的MCU往往滿(mǎn)足了現(xiàn)場(chǎng)要求。隨著硬件成本的降低及市場(chǎng)上需要更大功率、復(fù)雜而功能豐富的嵌入應(yīng)用的增加，在嵌入式處理器的高端產(chǎn)品市場(chǎng)上，32位機(jī)器得到了很大的成長(zhǎng)空間。典型的有Advanced RISC Machines公司的ARM系列、IBM及Motorola公司的PowerPC、Silicon Graphics公司的MIPS芯片等。Intel公司也在它原有的X86系列中專(zhuān)門(mén)增加了一種產(chǎn)品系列386EX，其軟件與其它X86微處理器保持完全一致?；诖耍疚奶岢隽艘环N利用Intel 386EX嵌入式微處理器設(shè)計(jì)智能以太網(wǎng)擴(kuò)展模塊NP104的方法。利用此模塊，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中基于PC104或工業(yè)PC的智能電子設(shè)備快速上網(wǎng)的需求。

1 基本組成及功能概述

    NP104是一款支持PC104總線(xiàn)的智能以太網(wǎng)擴(kuò)展模塊。NP104占用PC104總線(xiàn)（或ISA總線(xiàn)）上的一段存儲(chǔ)器空間（約4KB），通過(guò)高速雙口RAM與主系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。NP104智能網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展模塊的主要功能包括以下兩方面：實(shí)時(shí)接收系統(tǒng)CPU提交的數(shù)據(jù)，按照TCP/IP協(xié)議進(jìn)行封裝，通過(guò)板的以太網(wǎng)控制接口發(fā)往目的地；自動(dòng)接收網(wǎng)絡(luò)上發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行解包得到應(yīng)用數(shù)據(jù)，放入雙口RAM供系統(tǒng)CPU讀取。

    NP104主要針對(duì)基于PC104或工業(yè)PC的智能電子設(shè)備，需要快速實(shí)現(xiàn)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化的應(yīng)用領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的。由于是通過(guò)雙口RAM與系統(tǒng)CPU交換數(shù)據(jù)，客戶(hù)只需在現(xiàn)有設(shè)備中加插1張NP104板卡，在程序中增加簡(jiǎn)單的幾行代碼，即可實(shí)現(xiàn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)的目的，最大限度地縮短新產(chǎn)品的入市時(shí)間。另外，NP104支持DOC2000大容量電子盤(pán)，可實(shí)現(xiàn)嵌入式Web服務(wù)器等高級(jí)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

    圖1是NP104的硬件功能框圖。從圖1可知，NP104是一個(gè)基于Intel 386EX的完整嵌入式系統(tǒng)，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：

*僅使用PC104的XT總線(xiàn)部分，可與所有PC104主板或帶PC104接口的工控PC主板配合使用；

*系統(tǒng)CPU對(duì)NP104上的雙口RAM讀寫(xiě)速度不低于500 KB/s，保證PC104讀寫(xiě)速度不影響網(wǎng)絡(luò)傳輸速度；

*NP104上386EX的工作時(shí)鐘為40MHz，一般指令周期100ns，滿(mǎn)足絕大部分應(yīng)用的需求；

*標(biāo)準(zhǔn)10Mbps以太網(wǎng)接口，10Base-T連接方式；

*雙口RAM占用的存儲(chǔ)器空間可配置；

*可使用PC104的IRQ5中斷資源，以便快速響應(yīng)通信請(qǐng)求；

*標(biāo)準(zhǔn)PC104板卡尺寸（96mm×90mm）。

NP104內(nèi)部主要技術(shù)指標(biāo)為：

*48MHz Intel386EX高性能、32位微處理器；

*512KB Flash存儲(chǔ)器，帶磁盤(pán)文件驅(qū)動(dòng)軟件接口；

*10Base-T以太網(wǎng)控制接口，NE2000兼容；

*1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)RS232C串口（9線(xiàn)）；

*可直接支持M-System公司的DiskOnChip2000系列大容量電子盤(pán)芯片；

*供電電壓：5（1±0.05）V，工作電流570mA；

*標(biāo)準(zhǔn)PC104尺寸：96mm×90mm，提供標(biāo)準(zhǔn)安裝孔；

*工作溫度-10～65℃，工作濕度為5%～95%，滿(mǎn)足國(guó)際GB7261第21章規(guī)定的電子產(chǎn)品濕熱試驗(yàn)要求；

*NP104可保證不影響其嵌入的整機(jī)對(duì)圖像GB6162規(guī)定的干擾試驗(yàn)以及國(guó)際GB/T14598.10規(guī)定的參級(jí)快速瞬變干擾試驗(yàn)的通過(guò)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明

    NP104內(nèi)部是一個(gè)以386EX為核心的嵌入式系統(tǒng)，通過(guò)雙口RAM與PC104主CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。以下把NP104擴(kuò)展板內(nèi)CPU稱(chēng)為386EX，PC104上的系統(tǒng)CPU稱(chēng)為主CPU。作為10 Mbps以太網(wǎng)接口，采用8位數(shù)據(jù)總線(xiàn)寬度即可滿(mǎn)足應(yīng)用需求。雙口RAM器件選用4K×8bit的IDT7134LA，器件封裝為PLCC52。

    雙口RAM數(shù)據(jù)區(qū)定義如表1所列。

    從表1可看出，雙口RAM被分成2個(gè)基本部分，分別對(duì)應(yīng)主CPU從NP104板中讀取來(lái)自于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用數(shù)據(jù)，以及主CPU把應(yīng)用數(shù)據(jù)寫(xiě)入NP104緩沖區(qū)，NP104按照命令作相應(yīng)的操作。以下詳細(xì)描述每一數(shù)據(jù)段的功能定義。

表1 

（1）初始化過(guò)程

    主CPU對(duì)輸入緩沖區(qū)進(jìn)行初始化，順序如下：①輸入數(shù)據(jù)包準(zhǔn)備好狀態(tài)字節(jié)清零；②信號(hào)燈字節(jié)清零，即空閑；③根據(jù)需要設(shè)備中斷使能位；④初始化狀態(tài)置為0x12345678。386EX對(duì)輸出緩沖區(qū)進(jìn)行初始化，順序如下：①輸出數(shù)據(jù)包準(zhǔn)備好狀態(tài)字節(jié)清零；②信號(hào)燈字節(jié)清零，即空閑狀態(tài)；③根據(jù)需要設(shè)備中斷使能位；④初始化狀態(tài)置為0x12345678。

（2）信號(hào)燈和狀態(tài)字節(jié)的定義及操作

    為了保證雙邊CPU都充分發(fā)揮其作用，發(fā)生在NP104板上雙口RAM的數(shù)據(jù)通信，不采用阻塞式的握手線(xiàn)方式，而是采用非阻塞式的信號(hào)燈的通信方式?；静僮髟瓌t為：當(dāng)CPU要對(duì)某一緩沖區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀或?qū)懖僮鲿r(shí)，需首先檢查相應(yīng)的信號(hào)燈字節(jié)，若信號(hào)燈處于空閑，則把信號(hào)燈設(shè)置為忙。之后，就可對(duì)相應(yīng)緩沖區(qū)進(jìn)行操作了，操作完成后，再把信號(hào)燈設(shè)置為空閑。如果僅僅是查詢(xún)狀態(tài)，不需要操作信號(hào)燈。對(duì)緩沖區(qū)進(jìn)行任何操作的前提是緩沖區(qū)的初始化狀態(tài)字（長(zhǎng)整型）已被設(shè)置為0x12345678。

（3）系統(tǒng)主CPU與386EX數(shù)據(jù)通信過(guò)程

    在PC104系統(tǒng)主CPU與NP104通信過(guò)程中，主CPU與386EX通過(guò)雙口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)工作。系統(tǒng)CPU向輸出緩沖寫(xiě)入數(shù)據(jù)，則386EX從輸出緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)。相應(yīng)地，386EX從網(wǎng)絡(luò)中接收數(shù)據(jù)并寫(xiě)放輸入緩沖區(qū)中，然后，系統(tǒng)CPU從輸入緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)。這里，輸入及輸出緩沖區(qū)都是相對(duì)于系統(tǒng)主CPU而言的。

（4）中斷使能字節(jié)及使用

    NP104卡支持主CPU采用中斷方式來(lái)讀取輸入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，之前主CPU需進(jìn)行設(shè)置相應(yīng)的中斷使能位為1的操作。當(dāng)386EX把RcvDatRdy置1時(shí)，NP104卡有專(zhuān)門(mén)的硬件邏輯檢測(cè)這一操作，從而設(shè)置對(duì)主CPU的中斷請(qǐng)求線(xiàn)IRQ#為1；當(dāng)主CPU把RcvDatRdy清0時(shí)，NP104卡將使中斷請(qǐng)求線(xiàn)IRQ#復(fù)0。相應(yīng)地，386EX也可以采用中斷方式來(lái)讀取輸出緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，之間386EX需進(jìn)行設(shè)置相應(yīng)的中斷使能位1的操作。當(dāng)主CPU把SndDatRdy置1時(shí)，NP104卡有專(zhuān)門(mén)的硬件邏輯檢測(cè)這一操作，并設(shè)置對(duì)386EX的中斷請(qǐng)求線(xiàn)INT3（IRQ7）為1；當(dāng)386EX把SndDatTdy清0時(shí)，NP104卡將使中斷請(qǐng)求線(xiàn)INT3復(fù)為0。

（5）資源分配說(shuō)明

    雙口RAM在386EX的存儲(chǔ)空間映射區(qū)域?yàn)锳8000H～A8FFFH；雙口RAM在PC104空間映射區(qū)域?yàn)镈8000H～D8FFFH；512K電子盤(pán)的頁(yè)地址寄存器口地址為0X300H。

3 模塊驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)及測(cè)試

    嵌入式應(yīng)用軟件典型的開(kāi)發(fā)方式是“宿主機(jī)/目標(biāo)機(jī)”方式。首先，利用宿主機(jī)上豐富的資源及良好的開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)和仿真調(diào)試目標(biāo)機(jī)上的軟件。然后，通過(guò)串行口或網(wǎng)絡(luò)將交叉編譯生成的目標(biāo)代碼傳輸并裝載到目標(biāo)機(jī)上。最后，目標(biāo)機(jī)在特定的環(huán)境下運(yùn)行。

    PC104正常工作必須要有驅(qū)動(dòng)程序的支持。此驅(qū)動(dòng)程序采用ANSI C語(yǔ)言編寫(xiě)，由于系統(tǒng)PC兼容的程序運(yùn)行環(huán)境，因此可以充分利用PC上現(xiàn)有的廉價(jià)軟件資源，而無(wú)需專(zhuān)門(mén)的開(kāi)發(fā)調(diào)試系統(tǒng)。程序在Borland C3.0集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)。通過(guò)與封裝好的TCP/IP協(xié)議棧的鏈接，NP104提供了雙口RAM的驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)程序由包含幾個(gè)源文件的工程文件通過(guò)編譯連接TCP/IP協(xié)議棧而生成.EXE文件，通過(guò)BC遠(yuǎn)程下載到NP104硬件系統(tǒng)的電子盤(pán)中。系統(tǒng)BIOS對(duì)此.EXE文件進(jìn)行調(diào)用，一旦嵌入式擴(kuò)展模塊的設(shè)備正常運(yùn)行，系統(tǒng)就具備了網(wǎng)絡(luò)通信能力，其基本的程序流程框圖如圖2所示。由此可見(jiàn)，在系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下，NP104一直處于循環(huán)檢查以太網(wǎng)及中斷響應(yīng)主系統(tǒng)命令的狀態(tài)，以保證主系統(tǒng)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)的正常通信。相應(yīng)地，對(duì)于主系統(tǒng)而言，NP104的接口驅(qū)動(dòng)程序包括12個(gè)功能調(diào)用，即雙口RAM初始化、初始化以太網(wǎng)接口、建立與關(guān)閉TCP連接、讀取TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口數(shù)據(jù)及發(fā)送數(shù)據(jù)至TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口等功能。本系統(tǒng)中的軟件是在基于DOS操作系統(tǒng)之上運(yùn)行的，另外本系統(tǒng)亦可提供基于多任務(wù)RTOS如VRTX、DeltaOS的應(yīng)用環(huán)境。

    系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，NP104與PC104主板構(gòu)成基本環(huán)境，NP104與局域網(wǎng)相接，PC104主板上的測(cè)試程序（采用BC編寫(xiě)）通過(guò)調(diào)用NP104接口程序，與LAN上的上位機(jī)進(jìn)行通信。同時(shí)，在LAN上連接上位PC機(jī)，運(yùn)行相應(yīng)的測(cè)試程序（采用VC編寫(xiě)），以檢驗(yàn)NP104的通信功能。在系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程中，盡可能地考慮了通信過(guò)程中可能出現(xiàn)的各種異常情況，并采取了相應(yīng)的處理措施。比如在通信過(guò)程中，NP104運(yùn)行異常中止并重新復(fù)位運(yùn)行后，此時(shí)PC104能夠及時(shí)檢查到NP104的復(fù)位信息；另外，當(dāng)PC104主機(jī)出現(xiàn)異常重新啟動(dòng)后，可使用InitNP104（）函數(shù)重新啟動(dòng)NP104。在此函數(shù)中，通過(guò)軟件的方式實(shí)現(xiàn)了硬件的復(fù)位，以確保NP104正常通信。

結(jié)束語(yǔ)

    利用Intel嵌入式微處理器386EX設(shè)計(jì)的基于PC104總線(xiàn)的智能網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展模塊可以滿(mǎn)足基于PC104總線(xiàn)或工業(yè)PC的智能電子設(shè)備的快速上網(wǎng)需求，在中國(guó)電力科學(xué)研究院電力電子公司的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，利用此方法設(shè)計(jì)的模塊已能正常運(yùn)行。隨著嵌入式應(yīng)用的日益深入，各種現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用對(duì)高性能及實(shí)時(shí)性的求也不斷增加，RTOS將在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占據(jù)主導(dǎo)地位，嵌入式Linux也將在嵌入式系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。基于PowerPC、MIPS、StrongARM微處理器的產(chǎn)品也將不斷出現(xiàn)在未來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中。