基于ARM9的嵌入式網(wǎng)關(guān)的研究

摘   要：介紹了一種基于ARM9的嵌入式以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案?；贏RM內(nèi)核微處理器S3C2410的功能特點(diǎn)及其外擴(kuò)組成部分，分析了以太網(wǎng)控制器芯片RTL8019AS的性能以及與S3C2410的接口。在軟件設(shè)計(jì)上，分析了BootLoader的作用，介紹了Linux的移植，并給出了通信程序的流程圖，實(shí)現(xiàn)了嵌入式以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；網(wǎng)關(guān)；ARM；移植

    引　言

    無(wú)所不在的網(wǎng)絡(luò)給網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備帶來(lái)了巨大的發(fā)展機(jī)遇。而隨著網(wǎng)絡(luò)接入市場(chǎng)的迅速增長(zhǎng)，嵌入式網(wǎng)絡(luò)接入開(kāi)始成為嵌入式系統(tǒng)技術(shù)中最令人關(guān)注的一個(gè)領(lǐng)域。在嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的推動(dòng)下將會(huì)形成這樣一個(gè)局面：在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)男畔⒅?，將?0%的信息來(lái)自嵌入式系統(tǒng)，也許將有數(shù)以億計(jì)的汽車、通信設(shè)備、家用電氣以及工廠系統(tǒng)接入到不同網(wǎng)絡(luò)中，然后再組成一個(gè)龐大的Internet互聯(lián)網(wǎng)。為此，本文研究了一種基于ARM芯片和嵌入式操作系統(tǒng)Linux，在以太網(wǎng)與RS -485總線之間的進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的嵌入式網(wǎng)關(guān)，以滿足嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化功能需求。

    硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

    設(shè)計(jì)的嵌入式網(wǎng)關(guān)以ARM920T為核心的S3C2410微處理器，通過(guò)外擴(kuò)存儲(chǔ)器、以太網(wǎng)口、串口、JTAG調(diào)試接口等構(gòu)建硬件平臺(tái)，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    CPU設(shè)計(jì)

    CPU是整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制核心，它在工業(yè)以太網(wǎng)中作為智能節(jié)點(diǎn)的主控制器，是整個(gè)嵌入式網(wǎng)關(guān)的核心。本文選用以ARM920T為核心的 S3C2410微處理器，S3C2410是32bit的RISC微處理器，該處理器特別適用于手持式設(shè)備以及高性價(jià)比、低功耗的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它集成了LCD 控制器、USBHost、NAND控制器、BUS控制器、中斷控制、功率控制、存儲(chǔ)控制、UART、WatchDog、SPI、SDI/MMC、IS、 IC、GPIO、RTC、TIMER/PWM、ADC等豐富的資源。

    存儲(chǔ)系統(tǒng)

    嵌入式系統(tǒng)可根據(jù)需要定制存儲(chǔ)空間。本文擴(kuò)展了2片F(xiàn)lash芯片和1片SDRAM。Flash芯片主要有1片韓國(guó)現(xiàn)代公司的2MB16bit數(shù)據(jù)寬度的 Flash芯片HY29LV160B191和1片韓國(guó)三星公司的16MB的NANDFlash芯片K9F2808UOB1571，SDRAM芯片采用的是 1塊韓國(guó)現(xiàn)代公司生產(chǎn)的SDRAMHY57V5616201。2MB的Flash芯片HY29LV160B對(duì)應(yīng)的地址空間映射到地址0x00000000 上，作為存儲(chǔ)啟動(dòng)配置參數(shù)及異常/中斷向量表的程序空間，系統(tǒng)復(fù)位后從其中讀取指令執(zhí)行程序；使用韓國(guó)現(xiàn)代公司的8MB的 SDRAMHY57V561620作為系統(tǒng)內(nèi)存，對(duì)應(yīng)地址空間映射在地址Ox30000000開(kāi)始，作為程序運(yùn)行空間和數(shù)據(jù)空間，啟動(dòng)代碼將系統(tǒng)映像復(fù)制到SDRAM后執(zhí)行。

    串口部分

    串口部分設(shè)計(jì)使用了2路UART，其中，一路通過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232，把3.3V的邏輯電平轉(zhuǎn)換為RS-232-C的邏輯電平進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)ARM 與PC機(jī)之間的通信，通過(guò)超級(jí)終端可在PC機(jī)上進(jìn)行調(diào)試；另一路串行接口使用MAX1485進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)從RS-485上接收現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)送的信息。

    JTAG調(diào)試接口

    在嵌入式系統(tǒng)中，芯片的燒寫(xiě)、調(diào)試都需要用到JTAG調(diào)試接口，可滿足實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)對(duì)程序的分析和執(zhí)行的監(jiān)控。JTAG(Joint Test Action Group)是IEEE的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，它可以通過(guò)現(xiàn)有的JTAG邊界掃描與ARMCPU內(nèi)核進(jìn)行通信，屬于完全非插入式(不占用片上資源)調(diào)試，它無(wú)需目標(biāo)存儲(chǔ)器，不占用目標(biāo)系統(tǒng)的任何端口，而這些是普通的駐留監(jiān)控軟件所必需的。另外，JTAG調(diào)試的目標(biāo)程序是在目標(biāo)板上執(zhí)行的，仿真更接近于目標(biāo)硬件，仿真結(jié)果與真實(shí)的運(yùn)行環(huán)境更為接近，因此，逐漸成為采用更多的一種調(diào)試方式。

    以太網(wǎng)接口

    本文以太網(wǎng)接口中所使用的芯片有RTL8019AS、74LVC4245、FB2022(網(wǎng)卡變壓器)。RTL8019AS是性價(jià)比高且?guī)в屑床寮从霉δ艿娜p工以太網(wǎng)控制器，其主要特點(diǎn)包括：符合EtherNetⅡ與IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)；全雙工，收發(fā)可同時(shí)達(dá)到10Mb/s的速率，內(nèi)置16KB的 SRAM，用于收發(fā)緩沖，減低對(duì)主處理器的要求；支持UTP、AUI、BNC自動(dòng)檢測(cè)，還支持對(duì)10BaseT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的自動(dòng)極性修正；允許4個(gè)診斷 LED引腳編程輸出。RTL8019AS內(nèi)部有2塊RAM區(qū)，1塊16KB，地址為0x4000～0x7fff；1塊32Byte，地址為 0x0000～0x001f。RAM按頁(yè)存儲(chǔ)，每256Byte為1頁(yè)。本方案中將RTL8019AS的RAM的前12頁(yè) (0x4000～0x4Bfff)作為發(fā)送緩沖區(qū)；后52頁(yè)(0x4c00～0x7fff)作為接收緩沖區(qū)；第0頁(yè)只有32Byte，用來(lái)存儲(chǔ)以太網(wǎng)的物理地址。

    RTL8019AS芯片的引腳SA₀～SA₁₉為地址總線；SD₀～SD₁₅為數(shù)據(jù)總線；引腳INT0接S32C410芯片的外部中斷信號(hào)；引腳AEN是地址使能腳，作為芯片的選通信號(hào)，將中斷接到CPU的nGCS₃地址映射到bank₃。RTL8019AS的地址空間范圍是0x18000300～0x1800031f。引腳IOS0～3設(shè)置為接地或空閑，表明RTL8019AS內(nèi)部寄存器總線地址從300H開(kāi)始。

    引腳X₁、X₂接一個(gè)20MHz的無(wú)源晶振，作為外部時(shí)鐘信號(hào)輸入；引腳JP接高電平，選擇跳線模式：引腳IORB、IOWB作為輸入輸出讀寫(xiě)指令端；引腳RSTDRV是復(fù)位端，連接復(fù)位信號(hào)；引腳SMEMRB、SMEMWB是芯片的存儲(chǔ)器讀命令和寫(xiě)命令。

    引腳TPIN+，TPIN-、TPOUT+，TPOUT-作為媒體接口管腳，是接收IP數(shù)據(jù)報(bào)所需要用到的管腳，在設(shè)計(jì)網(wǎng)卡芯片電路時(shí)通過(guò)一個(gè)隔離變壓器和RJ-45的網(wǎng)絡(luò)外接口相連，外部主機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)網(wǎng)線與RJ-45接口進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

    隔離變壓器的TD+管腳連接網(wǎng)卡芯片的TPOUT+引腳；TD-連接TPOUT-；RD+連接TPIN+；RD-連接TPIN-。8019通過(guò)隔離變壓器與RJ-45連接，實(shí)現(xiàn)與主機(jī)進(jìn)行接收和發(fā)送IP數(shù)據(jù)報(bào)等工作。

    此外，硬件部分還包括電源電路、晶振電路、復(fù)位電路，在此就不一一介紹。

    軟件部分設(shè)計(jì)

    嵌入式系統(tǒng)的軟件部分分為BootLoader的編寫(xiě)、操作系統(tǒng)與文件系統(tǒng)的移植、應(yīng)用程序的編寫(xiě)三部分。

    BootLoader的編寫(xiě)

    BootLoader是系統(tǒng)加電后運(yùn)行的第1段軟件代碼，即處理器芯片復(fù)位后進(jìn)入操作系統(tǒng)之前執(zhí)行的一段代碼，主要是為運(yùn)行操作系統(tǒng)提供基本的運(yùn)行環(huán)境，如初始化CPU堆棧、初始化存儲(chǔ)器系統(tǒng)等。BootLoader代碼與CPU芯片的內(nèi)核結(jié)構(gòu)、具體芯片和使用的操作系統(tǒng)等因素有關(guān)，其功能類似于PC機(jī)的 BIOS。通過(guò)運(yùn)行BootLoader程序，可以初始化存儲(chǔ)器等硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。其一般編寫(xiě)的步驟為：

    (1)屏蔽所有的中斷。為中斷提供服務(wù)通常是操作系統(tǒng)或設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的責(zé)任，因此，在BootLoader的執(zhí)行全過(guò)程中可以不必響應(yīng)任何中斷；

    (2)設(shè)置中斷向量；

    (3)設(shè)定存儲(chǔ)器控制寄存器；

    (4)初始化堆棧和寄存器。系統(tǒng)堆棧初始化取決于用戶使用了哪些中斷，以及系統(tǒng)需要處理哪些錯(cuò)誤類型、并且定義處理器的幾種工作方式。一般來(lái)說(shuō)管理者堆棧必須設(shè)置，如果使用了IRQ中斷，則IRQ堆棧也必須設(shè)置；

    (5)如有必要?jiǎng)t需要改變處理器模式、狀態(tài)；

    (6)初始化C語(yǔ)言所需的存儲(chǔ)器空間。為正確運(yùn)行應(yīng)用程序，在初始化期間應(yīng)將系統(tǒng)需要讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)和變量從ROM拷貝到RAM中。一些要求快速響應(yīng)的程序，如中斷處理程序，需要在RAM中運(yùn)行；如果使用Flash，對(duì)Flash的擦除和寫(xiě)入操作也是在RAM里運(yùn)行的。

    嵌入式系統(tǒng)的啟動(dòng)程序是嚴(yán)重依賴于硬件的，所以需要用匯編語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行編寫(xiě)。完成上述步驟后，系統(tǒng)就完成了對(duì)硬件和軟件運(yùn)行環(huán)境的初始化。最后將實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)代碼從Flash讀入到內(nèi)存空間中，開(kāi)始運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

    操作系統(tǒng)與文件系統(tǒng)的移植

Linux作為一種優(yōu)秀的操作系統(tǒng)，近幾年在嵌入式領(lǐng)域異軍突起，成了最有潛力的嵌入式操作系統(tǒng)。突出的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是免版稅和開(kāi)放源碼，另外它可應(yīng)用于多種硬件平臺(tái)，具有良好的移植性、高的可靠性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、完備的文件系統(tǒng)以及豐富的API，為嵌入式網(wǎng)關(guān)提供了強(qiáng)大的軟件支持。因此，本文選擇 Linux作為嵌入式網(wǎng)關(guān)的操作系統(tǒng)。對(duì)Linux的移植有以下幾個(gè)步驟：

    (1)下載Linux源代碼，建立交叉編譯環(huán)境；

    (2)配置和編譯內(nèi)核；

    (3)制作文件系統(tǒng)，編寫(xiě)相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序；

    (4)下載，調(diào)試和執(zhí)行內(nèi)核，并在文件系統(tǒng)中添加自己的應(yīng)用程序。

    應(yīng)用程序的編寫(xiě)

    本文利用Socket套接字和TCP/IP協(xié)議編寫(xiě)了一個(gè)簡(jiǎn)單的客戶機(jī)/服務(wù)器模式的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)只是起到網(wǎng)關(guān)的作用，只需實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線和以太網(wǎng)上位機(jī)兩方之間的通信，并不需要處理其數(shù)據(jù)的邏輯意義和內(nèi)容。在這種模式下，以太網(wǎng)上位機(jī)被設(shè)定為服務(wù)器，它運(yùn)行了服務(wù)器端的應(yīng)用程序。該程序主要用于監(jiān)聽(tīng)服務(wù)器端口、接受客戶端的連接請(qǐng)求、接受客戶端的信息、向客戶端發(fā)送信息等。網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)中運(yùn)行的是客戶端程序，該程序主要是用于申請(qǐng)連接到服務(wù)器、將現(xiàn)場(chǎng)總線方發(fā)來(lái)的消息向服務(wù)器發(fā)送、處理服務(wù)器發(fā)來(lái)的信息、將這些信息發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。應(yīng)用程序軟件流程如圖2所示。

    軟件中調(diào)用的函數(shù)主要有：
    (1)intsocket(intfamily，inttype，intprotocol)。此函數(shù)為通信創(chuàng)建一個(gè)端口，若正常調(diào)用將返回一個(gè)整型的文件描述符，錯(cuò)誤調(diào)用將返回-1。

    (2)intbind(intsockfd，conststructsockaddr
*address，size-taddress-len)。此函數(shù)一旦Socket調(diào)用成功并返回了一個(gè)文件描述符，便將該Socket與服務(wù)器本機(jī)上一個(gè)端口相關(guān)聯(lián)，就可以在該端口監(jiān)聽(tīng)服務(wù)請(qǐng)求。該函數(shù)只用于服務(wù)器端程序，客戶端無(wú)須調(diào)用此函數(shù)。
    (3)intlisten(ints，intbacklog)。服務(wù)器用來(lái)監(jiān)聽(tīng)是否有服務(wù)請(qǐng)求。
    (4)intaccept(intsockfd，void*addr，int*addrlen)。連接端口的服務(wù)請(qǐng)求。但某個(gè)客戶端試圖與服務(wù)器監(jiān)聽(tīng)的端口連接時(shí)，該連接請(qǐng)求將排隊(duì)等待服務(wù)器調(diào)用此函數(shù)接受它。
    (5)intsend(intsockfd，constvoid*msg，intlen，intflags)；recv(intsockfd，void*buf，intlen，unsignedintflags)。發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。
    (6)intconnect(intsockfd，structsockaddr*serv-addr，intaddrlen)。此函數(shù)用來(lái)與遠(yuǎn)端服務(wù)器建立一個(gè)TCP連接。
    (7)intclose(intsockfd)。結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸。

    結(jié)束語(yǔ)

    本文介紹了以S3C2410處理器為核心、用RTL8019AS作為網(wǎng)絡(luò)接口芯片的嵌入式以太網(wǎng)接口的具體軟、硬件方法，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)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程控制，具有很好的發(fā)展前景。