LAN91C111型控制器在嵌入式以太網(wǎng)接口中的應用

    摘要：嵌入式以太網(wǎng)不僅可用于工業(yè)現(xiàn)場實現(xiàn)現(xiàn)場節(jié)點的自動上網(wǎng)功能，而且還可以用于信息家電的以太網(wǎng)接口實現(xiàn)遠程控制，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10Mb/s/100Mb/s嵌入式以太網(wǎng)控制的接口電路及軟硬件實現(xiàn)方法。

    關鍵詞：數(shù)字信號處理 LAN91C111 TCP/IP 嵌入式以太網(wǎng)

1 引言

在電子設備日趨網(wǎng)絡的背景下，目前廣泛使用的以太網(wǎng)及TCP/IP協(xié)議已經(jīng)成為事實上最常用的網(wǎng)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(wǎng)和TCP/IP能夠簡化結構和降低成本。目前關于嵌入式以太網(wǎng)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(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)絡設備中引入DSP技術可以使嵌入式以太網(wǎng)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(wǎng)控制芯片的接口電路和實現(xiàn)方法。

2 LAN91C111

LAN91C111是SMSC公司為嵌入式應用系統(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)結構如圖1所示。該以太網(wǎng)控制器的主要功能如下：

·自適應地選傳輸速率，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)的內部存儲器用作接收發(fā)送的FIFO緩存；

·增強式能量管理功能；

·支持總線8位、16位、32位的CPU訪問；

·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進行交換。該電路還集成了EEPROM接口，自舉時再通過EEOROM接口輸入到芯片中，從而實現(xiàn)自動初始化?？偩€仲裁器（Arbiter）用來監(jiān)視以太網(wǎng)總線的數(shù)據(jù)交流情況，一旦發(fā)生阻塞，仲裁器一方面通過總線接口單元與外部CPU聯(lián)系，另一方面控制內存控制單元（MMU），實現(xiàn)總線數(shù)據(jù)協(xié)調。內存控制單元可控制8kB動態(tài)SRAM的存儲情況，實現(xiàn)與DMA控制器之間的數(shù)據(jù)聯(lián)絡。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)議處理器出來的數(shù)量最終經(jīng)過10Mb/s/100Mb/s的物理層（PHY）直接到達以太網(wǎng)總線。

3 硬件電路組成

出于性價比的考慮，選用DSP控制器作為主CPU。TMS320LF2407是TI公司發(fā)布的一款高性價比的，適用于工業(yè)控制領域的DSP。該系列具有強大的指令系統(tǒng)、較強的靈活性、高速的數(shù)學處理功能及全新的內部結構，可廣泛用于通信、計算機、商業(yè)、工業(yè)、軍事等領域。TMS320LF2407是240X系列控制器中功能最強的一款，采用低功耗CMOS技術，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32k字的FLASH程序存儲器，可擴展外部64k字存儲器，64k字I/O尋址空間），非常適合處理復雜的TCP/IP協(xié)議。

    由于LAN91C111是專為嵌入式系統(tǒng)設計的，因此，其外圍電路相對比較簡單。它和沒有DMA傳輸性能的16位DSP（TMS320LF2407）及TG110-S050N2型電磁耦合變壓器構成的嵌入式以太網(wǎng)結構如圖2所示。圖中，地址總線A1-A15相連。A0沒有被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AEN由DSP的外部I/O接口選通信號IS提供。二個元件的讀電平RD、寫電平WR分別相連。LAN91C111的中斷輸出信號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。

4 軟件設計

4.1 μC/OS II實時操作系統(tǒng)的移植

μC/OS II是一種開放源碼的實時嵌入式操作系統(tǒng)，是一個可移植、可裁減、可固化的占先式多任務操作系統(tǒng)，已被應用到多種微處理器中，其大部分源碼是用ANSI C語言編寫的。移植工作包括以下幾個內容：

（1）用匯編語言改寫OS_CPU_A.ASM文件

該文件包括4個子程序：_OSStartHighRdy、OSCtxSw、OSIntCtxSw和OSTickISR。OSStartHighRdy()函數(shù)被OSStart()函數(shù)調用，功能是運行優(yōu)先級最高的就緒任務；OSCtxSw()函數(shù)被OS Sched()函數(shù)調用，其功能是在任務級實現(xiàn)任務切換，任務切換用31號軟中斷來實現(xiàn)；OSIntCtxSw()函數(shù)只能在中斷子程序里被OSIntExit()函數(shù)調用，由于中斷的產生可能引起任務切換，因此在中斷服務程序的最后會調用OSIntExit()函數(shù)調用，由于中斷的產生可能引起任務切換，因此在中斷服務程序的最后會調用OSIntExit()函數(shù)來檢查任務就緒狀態(tài)，如果滿足任務切換條件（在最后一層中斷里，并有高優(yōu)先級任務就緒），則OSIntExit()調用此函數(shù)實現(xiàn)任務切換；時鐘節(jié)拍函數(shù)OSTickISR()的功能如下：TMS320LF2407有4個通用定時器，其中斷優(yōu)先級由高到低分別為T1、T3、T2、T4，可根據(jù)實際需要選擇基中的一個來實現(xiàn)時鐘節(jié)拍。需要注意的是：調用_OSIntEnter前不能開中斷。如果在調用_OSIntEnter前就開中斷，有可能在OSIntNesting加1前就被中斷。若發(fā)生這種情況，則當高優(yōu)先級的中斷調用OSIntExit()而退出時，應直接從高優(yōu)先級中斷里切換到任務，而不是反回到_OSTickISR(假設_OSTickISR是最后一層中斷)，其根本原因就在于_OSTickISR還沒有來得及將OSIntNesting加1就被中斷了。在用戶的其他中斷服務程序中也應該防止此類錯誤。

（2）用C語言改寫OS CPU_C.C文件

本文件僅包括一個OSTaskStkInit()子程序。該函數(shù)可模仿TI公司的1$$SAVE庫函數(shù)對任務堆棧進行初始化，被OSTaskCreate()函數(shù)和OSTaskCreateExt()函數(shù)所調用，該函數(shù)是用來返回任務堆棧初始化后的指針值。注意：TMS320LF2407A本身的堆棧（以下簡稱US）只有8級，無法作為系統(tǒng)堆棧使用，所以C編譯器將其內部的二個突破口AR0，AR1保留，其中AR1作為堆棧指針SP，AR0用做堆棧中臨時變量指針FP（在匯編程序中不要使用這二個寄存器，如果必須使用，要關中斷，并注意保存和恢復）。編譯器將函數(shù)和中斷壓進US的返回地址彈出放在SP（AR1）指南的堆棧中，并保留環(huán)境，不同的是函數(shù)只保留程序要使用的寄存器，中斷要調用I$$AVE保存所有寄存器，返回時要跳轉到（而不是調用）I$$REST（這兩個函數(shù)可以在RTS.SRC中看到源代碼）恢復寄存器，這二個函數(shù)就象8068里的中斷進入和指令HRET，是移植OSTaskStkInit()函數(shù)的基礎。

（3）編寫OS_CPU.H文件

內容可根據(jù)μC/OS-II中的“80×86”的內容進行修改，這里僅給出關鍵內容：

#define OS STK GROWTH 0

#define OS ENTER CRITICAL() asm("SETC IN TM");

#define OS_EXIT CRITICAL() asm ("CLRC IN TM");

#define OS-ASKee SW() asm("INTR 31");

（4）適當OSMap Tb1[]和OSUnMapTb1[]

移植時還需要對tic /OS-II的OSMapTb1[]和O-SunMapTb1[]二個表進行適當處理，否則會出現(xiàn)尋址錯誤而使μC/OS-II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，F(xiàn)lash存儲器（或外擴的ROM）位于程序區(qū)，因此，處理的方法如下：將tic /OS-II中OSMapTb1[]和OSUnMapTb1[]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，在程序運行時將自動對數(shù)據(jù)區(qū)的RAM進行初始化，即運行時自動將“.cinit”塊中的數(shù)據(jù)復制到數(shù)據(jù)區(qū)的RAM中。

按需配置OS-FG.H，修改CPU中斷向量表和外設向量表后，其他文檔的內容可根據(jù)實際需要進行相應設置。至此，μC/OS-II在TMS320LF2407上的移植就完成了。

4.2 LAN91C111的編程

4.2.1 初始化

上電后，LAN91C111內部寄存器的值均設置為缺省值，CPU將根據(jù)需要設置其中的Configuration,Base和Individual Address寄存器，以保證電路正確工作。

4.2.2 發(fā)送數(shù)據(jù)包流程

（1）DSP向控制器發(fā)送ALLOCATE MEMORY命令（設置MMUCOM寄存器，通常設置為0x0020）,MMU為待發(fā)送的包在控制器內部的packet buffer中分配存儲空間。

（2）DSP查詢Interrupt Status寄存器中的ALLOC INT位，直到該位被置成1，也可以設置Interrupt Mask中的ALLOC INT位，然后等待硬件中斷，這時，MMU已經(jīng)分配好存儲空間。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，設置Pointer寄存器（設置為TX；WR，AUTOINC，即0x4000）。然后將包中數(shù)據(jù)從upper layer發(fā)送隊列傳送到控制器的Data Register。要求依次寫入Status Word、Byte Count、destination address、source address、packet size、packet data、control word。

（4）DSP向控制器發(fā)送“ENQUEUE PACKET NUMBER TO TX FIFO”命令（設置MMUCOM寄存器，通常設置0x00C0），該命令將Packet Number寄存器中的packet number拷貝到TX FIFO，說明發(fā)送的包已放入隊列中。同時設置Transmit control寄存器中的TXENA位。同時設置Transmit control寄存器中的TXENA位，啟動transmitter。到此為止，DSP的設置工作完成，它可以IDLE，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，memory中的第一個字（16bit）被CSMA/CD寫入相應的Status Word，然后將TX FIFO中的packet number移到TX completion FIFO，當TX completion FIFO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Interrupt Status寄存器，如果產生發(fā)送中斷，則從FIFO ports寄存器讀入發(fā)送的包中的packet number，并將它寫入packet number寄存器。然后從memory中讀人Status Word（包括設置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Status Word），它是EPH寄存器的鏡像，再根據(jù)Status Word判斷包發(fā)送是否成功。如果成功，DSP則向控制器發(fā)送RELEASE命令（設置MMUCOM寄存器，設置為0x00A0），隨后控制器將釋放發(fā)送包所使用的存儲空間，同時設置TX INT Acknowledge寄存器，它將TX completion FIFO中的pecket unmber清除。有二種產生發(fā)送中斷的方案：每發(fā)送一個包產生一個中斷；每發(fā)送一個序列的包產生一個中斷。通過Control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發(fā)送中斷位也有所不同。

TX INT：當TX completion FIFO不為空時置1e;

TX EMPTY INT:當TX FIFO為空時置to；

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空間被自動釋放。

圖3

    （7）使用“每發(fā)送一個包產生一個中斷”方案時，AUTO RELEASE=0，該方案的流程如上文所述。使用“每發(fā)送一個序列的包產生一個中斷”方案時允許TX EMPTY INT和TX INT，AUTORELEASE=1，當發(fā)送完FIFO中的最后一個包后，產生TX EMPTY INT中斷。若出現(xiàn)嚴重的發(fā)送錯誤，則產生TX INT中斷，同時將發(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。這種方案可以減少DSP的負擔，而且存儲空間的釋放也更迅速。當AUTO RELEASE=1時，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請求存儲空間，并分派一個packet number，內部的DMA邏輯產生連續(xù)的地址，并將接收到的字寫到memory中，如果超界，包被丟棄，存儲空間被釋放。當檢測到包的結束，Status Word被寫到接收包的最前面，byte count寫到第二個字。如果CRC校驗正確，packet number被寫到RX FIFO，由于RX FIFO非空時，因此將產生RCV INT中斷；如果RCR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，首先讀入Interrupt Status寄存器，如果產生接收中斷（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的內存或外存中。當處理結束，DSP向處理器發(fā)送REMOVE AND RELEASE FROM TOP OF RX命令（即設置寄存器MMUCOM為0x0060）以釋放使用的存儲空間和packet number。

5 結束語

以太網(wǎng)以其良好的通用性和突出的帶寬性能成為下一代工業(yè)控制網(wǎng)絡的焦點。本設計利用LAN91C111型嵌入式以太網(wǎng)控制器和DSP組成嵌入式以太網(wǎng)通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠正確地接入快速以太網(wǎng)，具備100/10Mbit/s、全雙工/半雙工自適應等多種功能，符合IEEE802.3/802.3μ-100Base-TX/1Obase-T規(guī)范，其嵌入式以太網(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，從而實現(xiàn)從Internet上監(jiān)控嵌入式設備。對以太網(wǎng)和快速以太網(wǎng)的自動協(xié)商模式使LAN91C111具有很高的性價比和廣泛的應用領域。