嵌入式系統(tǒng)以太網(wǎng)接口的設(shè)計

目前,以太網(wǎng)(Ethernet)協(xié)議已經(jīng)非常廣泛地應(yīng)用于各種計算機(jī)網(wǎng)絡(luò),如辦公局域網(wǎng)、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)、因特網(wǎng)等場合,并且還在不斷地發(fā)展。基于以太網(wǎng)的新技術(shù)和聯(lián)網(wǎng)設(shè)備不斷出現(xiàn),以太網(wǎng)已經(jīng)成為事實上最常用的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)之一。

    但是,基于以太網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)目前并不是很多。其原因除了嵌入式系統(tǒng)本身運(yùn)行速度較慢、資源較少且不足以實現(xiàn)以太網(wǎng)的各種協(xié)議外,更重要是設(shè)計以太網(wǎng)的接口及協(xié)議相對比較復(fù)雜,使人望而卻步。

    本文將介紹以8051系列單片機(jī)系統(tǒng)為例的嵌入式系統(tǒng)與10Mbps以太網(wǎng)控制器芯片DM9008的接口電路實現(xiàn)及編程方法。

1 以太網(wǎng)控制器DM9008簡介

    DM9008是臺灣DAVICOM公司生產(chǎn)的基于ISA總線的10M超級以太網(wǎng)控制器芯片。它集成了介質(zhì)訪問控制子層(MAC)和物理層的功能,可以方便地設(shè)計基于ISA總線的系統(tǒng),也可以比較簡單地與通用單片機(jī)進(jìn)行接口。

    主要特點如下:

    ·實現(xiàn)IEEE 802.3協(xié)議、10BASE-T、10BASE2和10BASE5的單芯片解決方案;

    ·集成ISA總線接口、8K×16 SRAM、介質(zhì)訪問控制(MAC)、編解碼器(ENDEC)和10BASE-T收發(fā)器;

    ·與NOVELL NE2000軟件兼容;

    ·可選8根中斷申請線;

    ·自動極性檢測和糾正;

    ·可選8、16位模式;

    ·外部可編程EEPROM;

    ·單5V電源低功耗CMOS設(shè)計;

    ·100腳PQFP封裝。

    由于該芯片功能較強(qiáng),配置有較多的引腳,但在與一般單片機(jī)接口時只需要用到其中的一部分即可完成常用的功能。

2 與8051單片機(jī)系統(tǒng)的接口電路

    下面介紹國內(nèi)最常用的8051系列單片機(jī)與DM9008的接口電路,實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)接口采用無屏蔽雙絞線(UTP)RJ-45接口。

    圖1給出了8051單片機(jī)系統(tǒng)與DM9008網(wǎng)絡(luò)控制器的接口電路框圖。8051單片機(jī)系統(tǒng)所提供的接口信號線為:P0口的8位數(shù)據(jù)總線D0～D7、5根經(jīng)過鎖存的地址線A0～A4、讀信號線RD、寫信號線WR、經(jīng)過譯碼產(chǎn)生的片選線CS1和經(jīng)過反相后高電平有效地中斷請求線INT。這些信號線分別與DM9008的數(shù)據(jù)線低8位SD0～SD7、地址線低5位SA0～SA4、I/O讀信號線IOR、I/O寫信號線IOW、地址使能線AEN和8根中斷請求線中的一根IRQ12相連。

 DM9008的復(fù)位線RST與8051單片機(jī)的復(fù)位線同為高電平有效,故在系統(tǒng)上電時同時復(fù)位。時鐘電路只需外接1個20MHz的晶振及2個電容即可。

    DM9008有16根數(shù)據(jù)線,與8051單片機(jī)接口,只需用到低8位數(shù)據(jù)線,其它高8位數(shù)據(jù)線不用,IO16接高電平或浮空,MD6/SLOT接地。地址線有SA0～SA19共20根,只用到低5位SA0～SA4與單片機(jī)相連,SA5～SA7接地、SA8～SA9接高電平,其它高地址位全部接地。這樣對于DM9008內(nèi)部來說,I/O的基地址為300H。另外BALE、SYSCLK接地,SMEMR、MEMW、MEMR浮空。DM9008有8根中斷請求線,可以選1根與8051系統(tǒng)的中斷線相連,其它7根線均浮空,所選線在EEPROM 93C46中指定。

    EEPROM 93C46是一個采用4線SPI串行接口的電可擦除存儲器,容量為64×16位(即128個字節(jié)),主要保存DM9008的配置信息,如網(wǎng)絡(luò)硬件地址、I/O基地址、中斷線選擇等配置寄存器內(nèi)容,在DM9008復(fù)位后讀取93C46的內(nèi)容并設(shè)置內(nèi)部配置寄存器的值。如果93C46中內(nèi)容不正確,DM9008就無法正常工作。所以通常先通過編程器把配置數(shù)據(jù)寫入93C46,再把它焊在電路板上。DM9008通過EECS、EEDI、EEDO、EECK與93C46相連。

    由于本設(shè)計只使用10BASE-T,即采用無屏蔽雙絞線的RJ45接口,而DM9008已內(nèi)置了10BASE-T的收發(fā)器,故接口部分電路比較簡單,只需要外接1個隔離濾波器LAN7236即可。TPTX+、TPTX-為發(fā)送線,TPRX+、TPRX-為接收線,經(jīng)隔離后的4根線與RJ45接口相連。

    對于其它型號的單片機(jī),如16位單片機(jī)80C196KC等,其接口電路只需稍作修改即可改為16位數(shù)據(jù)總線方式。

3 軟件設(shè)計

    DM9008的編程包括初始化、發(fā)送、接收三部分功能。在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)以前要進(jìn)行必需的檢測和初始化。DM9008的初始化主要是設(shè)置所需的寄存器狀態(tài),建立網(wǎng)絡(luò)接口收發(fā)的條件。

    網(wǎng)絡(luò)接口通過2個DMA操作來完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。本地DMA完成DM9008與其內(nèi)部FIFO隊列之間的數(shù)據(jù)傳送,遠(yuǎn)程DMA完成DM9008與CPU之間的數(shù)據(jù)傳送。 [!--empirenews.page--]

    DM9008可尋址的空間有32個,分別為00H～1FH。其中00H～0FH是寄存器區(qū),00H作為命令寄存器,通過設(shè)置可選擇3個頁面,10H～17H為數(shù)據(jù)端口,18H～1FH為復(fù)位端口。

3.1 DM9008的初始化

    DM9008的具體初始化過程如下(CPU對DM9008的尋址需要加上基地址,為了描述方便,省略掉基地址直接用DM9008的內(nèi)部地址描述寄存器地址):

    (1)讀入1FH端口數(shù)據(jù),再寫回該地址以啟動DM9008工作。

    (2)向命令寄存器CR(00H)寫入21H,選擇寄存器頁面0,并進(jìn)行軟件復(fù)位。

    (3)設(shè)置數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)寄存器DCR(0EH)為48H。

    (4)設(shè)置方式狀態(tài)寄存器TCR(0DH)為02H。

    (5)讀出網(wǎng)絡(luò)的物理地址:

       a. 設(shè)置遠(yuǎn)程DMA計數(shù)器RBCR1(0BH)、RBCR0(0AH)的值為000CH;

       b.設(shè)置遠(yuǎn)程DMA地址RSAR1(09H)、RSAR0(08H)的值為0000H;

       c. 設(shè)置命令寄存器CR(00H)為遠(yuǎn)程DMA讀,即0AH;

       d. 重復(fù)從數(shù)據(jù)端口(10H)讀6個字節(jié),這6個字節(jié)即網(wǎng)絡(luò)物理地址;

       e.停止遠(yuǎn)程DMA,設(shè)置CR為21H,RBCR1、RBCR0為0000H。

    (6)設(shè)置接收狀態(tài)寄存器RCR(0CH)為04H。

    (7)劃分緩沖區(qū)為接收緩沖區(qū)和發(fā)送緩沖區(qū),并建立接收緩沖環(huán)。將DM9008內(nèi)部RAM地址為4000H～4BFFH設(shè)置為發(fā)送緩沖區(qū),4C00H～7FFFH設(shè)置為接收緩沖區(qū),即設(shè)置PSTART(01H)為4CH,PSTOP(02H)為80H,BNRY(03H)為4CH。

    (8)設(shè)置CR為61H,選擇頁面1。

    (9)設(shè)置網(wǎng)卡地址寄存器,把PAR0(01H)～PAR5(06H)設(shè)置為前面讀出的物理地址。

    (10)設(shè)置當(dāng)前頁面寄存器CURR(07H)為PSTART+1,即4DH。

    (11)清除多址寄存器,即MAR0(08H)～MAR7(0FH)為00H。

    (12)設(shè)置CR為21H,選擇寄存器頁面0。

    (13)清除中斷狀態(tài)寄存器ISR(07H)為0FFH。

    (14)設(shè)置中斷屏蔽寄存器IMR(0FH)為3BH,即接收中斷允許、接收錯誤中斷允許、發(fā)送錯誤中斷允許、溢出中斷允許、計數(shù)器溢出中斷允許。

    (15)設(shè)置發(fā)送設(shè)置寄存器TCR(0DH)為00H。

    (16)設(shè)置CR為22H,芯片進(jìn)入工作狀態(tài)。

    至此,DM9008的初始化過程完成,DM9008處于接收狀態(tài)。只要網(wǎng)絡(luò)上有可以接收的數(shù)據(jù)包,DM9008自動將數(shù)據(jù)存入接收緩沖區(qū)并在收完后向CPU發(fā)中斷申請。

3.2 接收數(shù)據(jù)

    DM9008收到一個完整的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包后,向CPU發(fā)出中斷請求,CPU響應(yīng)DM9008的中斷申請后,進(jìn)入中斷服務(wù)程序并開始接收數(shù)據(jù),具體過程如下。

    (1)讀出中斷狀態(tài)寄存器ISR,并寫回該寄存器。

    (2)判斷是否數(shù)據(jù)接收中斷,如果不是,不執(zhí)行以下步驟。

    (3)設(shè)置CR為22H,選擇頁面0。

    (4)設(shè)置遠(yuǎn)程DMA地址寄存器RSAR1、RSAR0為接收地址指針,該指針高位字節(jié)初始值位PSTART+1,低位字節(jié)為0。

    (5)設(shè)置遠(yuǎn)程DMA計數(shù)器RBCR1、RBCR0為0004H;

    (6)設(shè)置CR為遠(yuǎn)程讀0AH,讀數(shù)據(jù)端口,讀出4個字節(jié),這4個字節(jié)第1個字節(jié)表示接收狀態(tài),第2個字節(jié)為下一包開始地址指針,第3～4個字節(jié)為本數(shù)據(jù)包的長度(高位字節(jié)在前)。

    (7)設(shè)置CR為22H,遠(yuǎn)程DMA完成。

    (8)根據(jù)接收狀態(tài)判斷數(shù)據(jù)包是否接收正確,如果接收正確,啟動遠(yuǎn)程DMA,收取該數(shù)據(jù)包并進(jìn)行處理。

    (9)結(jié)束遠(yuǎn)程DMA,設(shè)置下一次接收數(shù)據(jù)指針和接收邊界指針。

3.3 發(fā)送數(shù)據(jù)

    數(shù)據(jù)的發(fā)送過程應(yīng)包含三個步驟:數(shù)據(jù)包的封裝;通過遠(yuǎn)程DMA將數(shù)據(jù)包送入DM9008的數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū);通過DM9008的本地DMA將數(shù)據(jù)送入FIFO進(jìn)行發(fā)送。具體過程如下:

    (1)數(shù)據(jù)包在發(fā)送前應(yīng)該按規(guī)定的格式封裝好,格式如下:

(2)把上面的數(shù)據(jù)包通過遠(yuǎn)程DMA寫送入DM9008的數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)。

    a. 設(shè)置CR為22H,選擇寄存器頁面0;

    b. 設(shè)置中斷狀態(tài)寄存器ISR為40H,清除發(fā)送完成標(biāo)志;

    c.設(shè)置遠(yuǎn)程DMA地址寄存器RSAR1、RSAR0為4000H,即發(fā)送緩沖區(qū)開始地址,

    d. 設(shè)置遠(yuǎn)程DMA字節(jié)計數(shù)寄存器RBCR1、RBCR0為發(fā)送數(shù)據(jù)包的長度,

    e. 設(shè)置CR為12H,設(shè)置命令寄存器為遠(yuǎn)程DMA寫,

    f. 往數(shù)據(jù)端口寫入發(fā)送數(shù)據(jù),

    g. 查詢中斷狀態(tài)寄存器ISR,等待遠(yuǎn)程DMA完成,

    h. 設(shè)置CR為22H,設(shè)置RBCR1、RBCR0為0,遠(yuǎn)程DMA停止,

    i. 設(shè)置ISR為40H,清除發(fā)送完成標(biāo)志。

    (3)啟動本地DMA,把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

    a. 設(shè)置發(fā)送字節(jié)計數(shù)器TBCR1(06H)、TBCR0(05H)為發(fā)送數(shù)據(jù)包的長度;

    b. 設(shè)置發(fā)送頁面起始地址TPSR(04H)為40H,即發(fā)送緩沖區(qū)開始地址高位字節(jié);

    c. 設(shè)置命令寄存器CR為26H,啟動發(fā)送。

3.4 高層通信協(xié)議

    上述發(fā)送、接收過程所完成的協(xié)議是MAC層和物理層的協(xié)議。要真正實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)與以太網(wǎng)上其它設(shè)備(如PC機(jī))之間的通信,還需要在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)更高層的通信協(xié)議,如TCP/IP協(xié)議,這樣PC機(jī)的程序員就可以使用TCP/IP協(xié)議透明地訪問嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

    因此上述以8051單片機(jī)系統(tǒng)為例的嵌入式系統(tǒng)的軟件設(shè)計中除了實現(xiàn)收發(fā)數(shù)據(jù)的功能外,還需要實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議及更高層的應(yīng)用層協(xié)議才能真正實現(xiàn)整個系統(tǒng)的通信功能。由于TCP/IP協(xié)議的實現(xiàn)通常采用C語言,并且有現(xiàn)成的源程序,所以在用8051系列單片機(jī)編程時,可采用C51語言并參考TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)的源程序來具體實現(xiàn)。有關(guān)這方面內(nèi)容,可以查看有關(guān)TCP/IP協(xié)議方面的資料。