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[導(dǎo)讀]基于AX88796B的網(wǎng)絡(luò)接口模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

引言


網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用日益普及的今天,工業(yè)現(xiàn)場的儀器儀表、數(shù)據(jù)采集和控制設(shè)備也日趨網(wǎng)絡(luò)化,工業(yè)自動化和網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合越來越密切。而將以太網(wǎng)和嵌入式系統(tǒng)相結(jié)合應(yīng)用于工業(yè)控制中已成為趨勢。


AX88796B是Asix公司推出的一款為嵌入式和工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計的低引腳數(shù)以太網(wǎng)控制芯片。其內(nèi)部集成10/100Mb/s自適應(yīng)的介質(zhì)訪問層MAC和物理層收發(fā)器PHY以及8K×16位的SRAM。AX88796B可應(yīng)用于商業(yè)級0~70C和工業(yè)級-40C~85C的溫度范圍。AX88796B支持MCS-51系列、80186系列、ISA總線和SRAM-like接口類型。執(zhí)行基于IEEE802.3/IEEE802.3u局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的10Mb/s和100Mb/s以太網(wǎng)控制功能,并且提供發(fā)送隊列功能來增強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)NE2000的發(fā)送性能。


AT91R40008微控制器是基于ARM7TDMI核的32位RISC結(jié)構(gòu)的嵌入式微控制器,非常適于工業(yè)實時控制應(yīng)用。AX88796B引腳的LQFP封裝減少了PCB空間并且和NE2000兼容,編程簡單,其驅(qū)動可以容易快速的移植到許多嵌入式系統(tǒng)中。因此,綜合上述兩種芯片的優(yōu)點,我們選擇AX88796B和AT91R40008作為工業(yè)實時控制中嵌入式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的解決方案,具有很好的工業(yè)應(yīng)用價值和前景。

 

圖1 AX88796B內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖


AX88796B內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理


1 AX88796B的內(nèi)部結(jié)構(gòu)


網(wǎng)卡上電復(fù)位時EEPROM接口能夠通過CSR中偏移為14H的SMI/EEPROM寄存器來存取數(shù)據(jù),MAC地址由EEPROM中讀取,并被自動載入地址為0000h~001fh和0400h~040fh的內(nèi)部存儲區(qū)中。如果沒有使用EEPROM,每次上電對網(wǎng)卡進(jìn)行初始化時候就手動給它分配一個MAC地址。


AX88796B內(nèi)部有一個16KB(0x4000~0x7fff)大小的SRAM,該SRAM是雙端口SRAM,可以同時被網(wǎng)卡讀寫和用戶讀寫,這片地址空間的一部分被保留用來存放一個緩沖環(huán)結(jié)構(gòu),另一部分可以給用戶使用。在本設(shè)計中,16KB的SRAM全部被用來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包。本地DMA正是通過這個緩沖環(huán)結(jié)構(gòu)來接收報文的。這個結(jié)構(gòu)由一連串相鄰的固定長度為256B的緩沖區(qū)構(gòu)成,每256字節(jié)稱為一頁,共有64頁。頁的地址就是地址的高8位,頁地址為0x00~0xff。其中0x40~0x4B為網(wǎng)卡的發(fā)送緩沖區(qū),共12頁,剛好可以存儲2個最大的以太網(wǎng)包,所以我們把發(fā)送緩沖區(qū)分成兩部分進(jìn)行輪流發(fā)送。使用0x4c~0x7f共52頁為網(wǎng)卡的接收緩沖區(qū)。AX88796B的SRAM空間結(jié)構(gòu)和收發(fā)緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)如圖2、3所示。

 

圖2 SRAM空間結(jié)構(gòu)

圖3 收發(fā)緩沖區(qū)


2 AX88796B的工作原理


由四個寄存器來控制接收緩沖區(qū)的操作。Page Start Address Register (PSTART)和Page Stop Address Register(PSTOP)定義了接收緩沖區(qū)的起始和終止頁號,形成一個接收緩沖環(huán)。當(dāng)前頁地址寄存器(Current Page Register)指向第一個用于存儲數(shù)據(jù)包的緩沖區(qū)。邊界指針寄存器(Boundary Pointer Register)指向在緩沖環(huán)中第一個未被主機(jī)讀取的數(shù)據(jù)包。如果本地DMA地址與Boundary Pointer Register的值相等,則接收過程中止。邊界指針也被用來初始化遠(yuǎn)端DMA來移動一個數(shù)據(jù)包,當(dāng)數(shù)據(jù)包被移走后,邊界指針也向前增長。這樣,Current Page Register如同一個寫指針,Boundary Pointer如同一個讀指針。接收到一個數(shù)據(jù)包時,從PSR中指定的頁號開始存儲,如果一個256B的緩沖區(qū)不夠,DMA會執(zhí)行一個前向連接來連接下一個緩沖區(qū)以存儲這個數(shù)據(jù)包的剩余部分。連接的時候緩沖區(qū)必須是連續(xù)的,一個數(shù)據(jù)包總是會被存儲在相鄰的緩沖區(qū)里。在連接下一個緩沖區(qū)前,緩沖管理邏輯會執(zhí)行兩個比較,首先比較下一個緩沖區(qū)的DMA地址是否和page Stop Register相等,若相等,則DMA地址被恢復(fù)為page start address register中保存的地址。其次和boundary pointer register比較,如果相等,則接收報文過程終止。Boundary Pointer Register能夠防止緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)還沒有讀出就被重寫。


要發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包就必須通過DMA讀寫AX88796B內(nèi)部的SRAM。DMA分為遠(yuǎn)程DMA(Remote DMA)和本地DMA(Local DMA)。CPU從網(wǎng)卡的SRAM讀寫數(shù)據(jù)稱為遠(yuǎn)端DMA。AX88796B讀寫SRAM稱為本地DMA。數(shù)據(jù)包的接收過程:當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)網(wǎng)卡的MAC層后,本地DMA先將到達(dá)MAC層的報文傳送到網(wǎng)卡的內(nèi)存中,主機(jī)CPU再通過遠(yuǎn)端DMA通道從網(wǎng)卡內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包的發(fā)送過程:主機(jī)CPU通過遠(yuǎn)端DMA把要發(fā)送的數(shù)據(jù)包送到網(wǎng)卡的內(nèi)存中,本地的DMA將該數(shù)據(jù)包傳送到MAC層,再經(jīng)由內(nèi)部的PHY層發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)。

網(wǎng)絡(luò)接口硬件設(shè)計


1 AX88796B的引腳配置


AX88796B與CPU的連接方式有MCS51模式、ISA模式、186模式,此方案使用了ISA 8bit模式。片選引腳CSn,讀寫信號RDn、WRn、RSTn都是低電平有效,分別和AT91r40008相應(yīng)引腳相連即可。AX88796B的數(shù)據(jù)線SD0~SD15和AT91r40008的DATA[0:15]相連,可通過軟件配置為16位或8位DMA數(shù)據(jù)傳輸方式。AX88796B的IRQ是可編程的,中斷請求信號可以通過配置BTCR或EEPROM來選擇其觸發(fā)方式和中斷I/O緩沖類型,AT91r40008中斷觸發(fā)方式應(yīng)該和BTCR的配置相一致。其他重要引腳如IOIS16、PME、EECE、EECK在本設(shè)計中懸空處理。引腳配置應(yīng)根據(jù)網(wǎng)卡芯片手冊說明和設(shè)計方案而定。


對AX88796B控制狀態(tài)寄存器(CSR)的操作,需要確定其基地址,基地址的選擇應(yīng)根據(jù)AT91r40008的可編程外部總線EBI的地址和片選信號來確定。AT91r40008的EBI處理位于地址空間0x00400000~0xFFC00000的訪問操作,在訪問過程中,它將產(chǎn)生外部器件的控制訪問信號。當(dāng)把網(wǎng)卡寄存器地址空間映射進(jìn)EBI后,直接對EBI地址空間操作即可控制網(wǎng)卡的寄存器讀寫。對每個映射進(jìn)EBI接口的外圍器件,可以編程等待周期數(shù)、數(shù)據(jù)浮空時間、數(shù)據(jù)總線寬度(8位或16位)等。


2 AT91r40008與AX88796B接口電路

 

圖4 硬件連接原理圖


電路如圖4所示。

AX88796B的驅(qū)動程序設(shè)計


AX88796B的網(wǎng)卡驅(qū)動程序是處理器CPU和網(wǎng)卡硬件的接口,網(wǎng)卡驅(qū)動程序主要包括以下幾部分:網(wǎng)卡的初始化;數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送;中斷處理子程序。


1 網(wǎng)卡初始化


在網(wǎng)卡的初始化過程中除了完成對相關(guān)寄存器的定義與賦值外,還要完成對接收緩沖環(huán)的構(gòu)造。AX88796B的所有寄存器除了數(shù)據(jù)端口寄存器外都是8位數(shù)據(jù)寬度。數(shù)據(jù)端口寄存器可以通過配置DCR寄存器中的WTS設(shè)置成8位或16位寬。AX88796B將偏移量為01h~0fh的寄存器分為4頁(Page0~Page3)進(jìn)行操作。與NE2000兼容的寄存器只有3頁(Page0~Page2)。初始化需要設(shè)置頁0與頁1的相關(guān)寄存器,頁2的寄存器是只讀的,不可以設(shè)置,頁3的寄存器不是NE2000兼容的,不用設(shè)置。初始化函數(shù)主要要完成以下諸項工作。


/*AX88796B_init*/
/*調(diào)用復(fù)位子程序?qū)X88796B進(jìn)行復(fù)位。有兩種復(fù)位方式:一是硬件復(fù)位,通過拉高拉低RESET引腳達(dá)到復(fù)位AX88796B的目的;二是軟件復(fù)位,從0x1f端口讀數(shù)據(jù)使AX88796B復(fù)位。*/


ReadByte(RESET);
WriteByte(RESET,0xff);
delay(3000);
WriteByte(IMR,0);/*初始化中斷屏蔽寄存器IMR,寫入0x00,禁止所有中斷請求。*/
WriteByte(CR,0x61);/*選中頁1,停止AX88796B。*/
delay(1000);
WriteByte(CPR,0x4C);/*初始化接收緩沖環(huán)寫頁指針CPR=PSTART*/
WriteByte(PAR0~PAR5,MAC);/*設(shè)置網(wǎng)卡芯片MAC地址,清除多播地址寄存器。*/
WriteByte(MAR0~MAR7,0);
WriteByte(CR,0x21);/*停止網(wǎng)卡,切換到頁0。*/
delay(1000);
WriteByte(BNRY,0x79);/*寫邊界指針寄存器(BNRY)為0x79;*/
WriteByte(PSTART,0x4c);/*設(shè)置接收緩沖區(qū)的起始頁地址0x4c;*/
WriteByte(PSTOP,0x80);/*PSTOP接收緩沖區(qū)的結(jié)束頁地址0x80;*/
WriteByte(TPSR,0x40);/*TPSR發(fā)送頁的起始地址0x40;*/
WriteByte(DCR,0x80);/*設(shè)置數(shù)據(jù)配置寄存器為8位數(shù)據(jù)傳輸模式。*/
/*設(shè)置接收配置寄存器為0x4C,使接收緩沖區(qū)僅接收廣播地址數(shù)據(jù)包和多點播送地址包。*/
WriteByte(RCR,0x4C);
/*設(shè)置TCR發(fā)送配置寄存器為0x80,采用全雙工模式,當(dāng)數(shù)據(jù)包長度小于60字節(jié)時自動填充,發(fā)送時附加CRC校驗。*/
WriteByte(TCR,0x80);
WriteByte(ISR,0xFF);/*清除中斷狀態(tài)寄存器。*/
WriteByte(IMR,0x11);/*允許覆寫中斷和數(shù)據(jù)包接收中斷。*/
WriteByte(BTCR,0x30);/*中斷觸發(fā)方式為高電平有效,IRQ輸出為推挽驅(qū)動方式*/
WriteByte(CR,0x22);/*啟動芯片,AX88796B初始化完成。*/
delay(1000);
wrcurpge=read(CPR);
rdnxtpge=wrcurpge;


2 數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收


判斷AX88796B是否接收到新的數(shù)據(jù)包有兩種方式:輪循和中斷。單片機(jī)用輪循方式較多。為了提高CPU性能和實時性要求,這里采用中斷方式。當(dāng)網(wǎng)卡接收到新數(shù)據(jù)包時進(jìn)入中斷,首先判斷CPR是否等于BNRY,若相等,則表示接收緩沖區(qū)已被存滿,則停止接收數(shù)據(jù)包,而不會覆蓋舊的數(shù)據(jù);若不等,則將接收緩沖區(qū)中待讀取的數(shù)據(jù)包的起始地址寫入RSAR[0,1]寄存器,數(shù)據(jù)包的開始4字節(jié)寫入RBCR[0,1]寄存器,并啟動遠(yuǎn)端DMA讀命令,通過讀取4個信息字節(jié)得到待讀取數(shù)據(jù)包的長度、接收狀態(tài)和下一個將被讀的頁的指針信息。然后通過遠(yuǎn)端DMA讀命令,將數(shù)據(jù)包從網(wǎng)卡SRAM中讀入CPU內(nèi)存中,并更新讀頁指針寄存器BNRY,CPU每從網(wǎng)卡內(nèi)存中讀走一頁數(shù)據(jù),BNRY便加一,這需要通過程序?qū)崿F(xiàn)。網(wǎng)卡通過CPR將接收到的數(shù)據(jù)包寫入接收緩沖區(qū),每寫完一頁,CPR將自動加一,當(dāng)加到最后的空頁(這里是PSTOP=0x80)時,CPR將自動恢復(fù)為接收緩沖區(qū)的首頁(PSTART=0x4c)。網(wǎng)卡接收關(guān)鍵性代碼如下:


/*AX88796B_receive*/
uint8 rcvinfo[4],i;
  uint16 pktlength,index;
  /*得到待讀取數(shù)據(jù)包的信息,并將其保存在rcvinfo數(shù)組中*/


 WriteByte(RSAR0,0x00);
  WriteByte(idx,RSAR1,rdnxtpge);
  WriteByte(RBCR0,0x04);
  WriteByte(RBCR1,0x00);
  WriteByte(CR,0x0A);
  for(i=0;i<4;i++)
  rcvinfo[i]=*((uint8*)(DP_PORT+Base_addr));
  pktlength=rcvinfo[2]+(rcvinfo[3]*256)-4;
  /*根據(jù)得到的待讀取數(shù)據(jù)包的長度pktlength,將數(shù)據(jù)包讀入CPU內(nèi)存Buf*/


  WriteByte(RSAR0,0x4);
  WriteByte(RSAR1,rdnxtpge);
  WriteByte(RBCR0,(uint8)(pktlength&0x00ff));
  WriteByte(RBCR1,(uint8)(pktlength>>8));
  WriteByte(CR,0x0A);
  ReadData(uint16*Buf,uint16 length);
  /*更新BNRY指針,并返回pktlength值*/
 rdnxtpge=rcvinfo[1];
if(rdnxtpge==PSTART)
    WriteByte(idx,BNRY,PSTOP-1);
    else
    WriteByte(idx,BNRY,rdnxtpge-1);
return pktlength;


CPU通過遠(yuǎn)端DMA通道將網(wǎng)卡發(fā)送緩沖區(qū)的起始地址和要發(fā)送的字節(jié)數(shù)分別寫入RSAR[0,1]和RBCR[0,1],然后啟動遠(yuǎn)端DMA寫命令即可將數(shù)據(jù)包寫入網(wǎng)卡內(nèi)存,此后將字節(jié)數(shù)寫入TBCR[0,1]寄存器,啟動發(fā)送命令就可將數(shù)據(jù)包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。網(wǎng)卡發(fā)送的關(guān)鍵代碼如下:


/*AX88796B_transmit*/
/*將數(shù)據(jù)寫入網(wǎng)卡的發(fā)送緩沖區(qū)*/
WriteByte (RSAR0,0x00);
 WriteByte (RSAR1,TX_BUF_Start);
 WriteByte (RBCR0,(uint8)(len&0xFF));
 WriteByte (RBCR1,(uint8)(len>>8));
 WriteByte (CR,0x12); 
 WriteData((uint16*)addr,len);
 WriteByte (idx,TPSR,TX_BUF_Start);
/*發(fā)送緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)*/
 WriteByte (TBCR0,(uint8)(len&0xFF));  
 WriteByte (TBCR1,(uint8)(len>>8)); 
 WriteByte (CR,0x26);


3 中斷處理


中斷的處理和CPU關(guān)聯(lián)密切,在軟件中必須先配置好網(wǎng)卡的片選線和中斷信號線。數(shù)據(jù)包到來時,網(wǎng)卡將其保存在SARM中,同時觸發(fā)一個中斷。處理器接收到中斷信號后,進(jìn)入中斷處理程序。在中斷處理程序中讀AX88796B的中斷狀態(tài)寄存器ISR來判斷是什么樣類型的中斷,如果讀出的值的最低位為1,則代表是數(shù)據(jù)包接收中斷,這時需觸發(fā)一個消息,進(jìn)入到讀網(wǎng)卡函數(shù)。讀網(wǎng)卡函數(shù)的功能是將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包從網(wǎng)卡的內(nèi)存接收到主機(jī)中,接著向上層傳遞,進(jìn)行相應(yīng)的處理。


一個報文的發(fā)送過程就是通過調(diào)用寫網(wǎng)卡函數(shù),將報文發(fā)送到網(wǎng)卡的內(nèi)存中去。然后將AX88796的控制寄存器(CR)的發(fā)送位TXP(Transmit packet)位置1,即將報文發(fā)送。
中斷處理子程序的關(guān)鍵代碼:


/*IRQ0_handler*/
uint8 InterruptStatus;
InterruptStatus=read(ISR);//讀中斷狀態(tài)寄存器
write(IMR,0x00);//禁止中斷
write(ISR,InterruptStatus);//清除中斷狀態(tài)寄存器
if(InterruptStatus&0x01)//是否為數(shù)據(jù)包接收中斷
OSQPost(TcpIpMsgQ,&idx);//通知上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)包
write(IMR,0x11);//使能接收中斷和覆寫中斷

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