基于AT91RM9200的以太網(wǎng)接口模塊設(shè)計(jì)

摘 要：主要介紹基于AT91RM9200處理器的以太網(wǎng)接口模塊設(shè)計(jì)，給出基于網(wǎng)絡(luò)芯片RTL8019AS的系統(tǒng)外圍接口相關(guān)器件選型。在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，給出了詳細(xì)的編程思想、工作流程以及部分關(guān)鍵代碼。在此設(shè)計(jì)方案下，完全可以實(shí)現(xiàn)通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信，達(dá)到嵌入式模塊之間實(shí)時(shí)控制的目的。
關(guān)鍵詞：AT91RM9200；以太網(wǎng)；RTL8019AS；嵌入式模塊

0 引 言
    在Internet飛速發(fā)展的今天，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)滲透到生活的方方面面，與網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合已經(jīng)成為嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。目前，ARM微處理器已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域中得到應(yīng)用，各種基于ARM微處理器的設(shè)備應(yīng)用數(shù)量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了通用計(jì)算機(jī)，基于ARM微處理器的開發(fā)應(yīng)用正成為數(shù)字時(shí)代的技術(shù)潮流。

l AT91RM9200簡介
    AT91RM9200是Atreel公司開發(fā)的基于ARM920T核的高性能，低功耗16／32位RISC微處理器，內(nèi)部集成豐富的外設(shè)資源與外設(shè)接口，從而為低功耗，低成本，高性能的計(jì)算機(jī)應(yīng)用提供了一個(gè)單片解決方案。適用于要求外設(shè)資源豐富，功耗低，工作穩(wěn)定的工業(yè)控制等方面。
    AT91RM9200微處理器最高主頻為180 MHz，其雙向、32位外部數(shù)據(jù)總線支持8／16／32位數(shù)據(jù)寬度，26位地址總線可以對最大64 MB空間進(jìn)行尋址。片內(nèi)集成了非常豐富的外圍功能模塊，包括內(nèi)存管理單元(MMU)、內(nèi)部包含16 KB的SRAM和128 KB的ROM，16 KB的數(shù)據(jù)緩存以及16 KB的指令緩存。其外部總線接口控制器(EBI)，支持SDRAM，靜態(tài)存儲器，Burst FLASH以及Compact FLASH。為了提高系統(tǒng)性能還擴(kuò)展了以下外設(shè)；增強(qiáng)的時(shí)鐘發(fā)生器與電源管理控制器(PMC)；系統(tǒng)定時(shí)器(ST)；實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)；高級中斷控制器(AIC)；4個(gè)32位PIO控制器；20通道的外設(shè)數(shù)據(jù)控制器(PDC)；10／100兆Base-T型以太網(wǎng)卡接口；4個(gè)通用同步／異步串行收發(fā)器(UASRT)以及JTAG／ICE接口等。

2 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，ARM系統(tǒng)硬件平臺主要分為兩部分：一部分為基于ARM處理器的最小系統(tǒng)；另一部分為外圍擴(kuò)展電路。系統(tǒng)只有在硬件最小系統(tǒng)調(diào)試穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，才能靈活、輕松地?cái)U(kuò)展出其他外圍應(yīng)用，所以最小系統(tǒng)是保證微處理器可靠工作所必須的基本電路?；贏T91RM9200微處理器的最小系統(tǒng)由微處理器、電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、JTAG接口、存儲器模塊、串行調(diào)試接口等電路組成。
2．1 電源電路設(shè)計(jì)
    在系統(tǒng)中AT91RM9200需要1．8 V和3．3 V電源，另外，大部分外圍器件需要3．3 V電源，小部分外圍器件還需要5 V電源，假設(shè)輸入電壓為5 V直流穩(wěn)壓電源。為了得到可靠的3．3 V電壓，此處選用的電壓轉(zhuǎn)換芯片是NCPlll7ST33T3，它的輸入電壓為5 V，輸出電壓為3．3 V，最大輸出電流為0．8 A。同樣，為了得到可靠的1．8 V電壓，選用NCPlll7STl8T3，它的輸入電壓為5 V，輸出電壓為1．8 V，最大輸出電流為0．8 A。由于3．3 V和1．8 V屬于NCPlll7系列的2個(gè)固定輸出電壓，所以設(shè)計(jì)比較簡單，只需要在電路中與芯片并聯(lián)2個(gè)典型值為10 tLF、的濾波電容即可。
2．2 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)
    時(shí)鐘電路為AT91RM9200和其他外設(shè)電路提供工作時(shí)鐘。處理器內(nèi)部帶有鎖相環(huán)電路，所以外接頻率比較低的晶體振蕩器，該設(shè)計(jì)用晶體振蕩器Y1(20 MHz)作為系統(tǒng)的主時(shí)鐘振蕩器。處理器內(nèi)部還帶有實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，還需要外接32．768 kHz的晶體振蕩器。振蕩器產(chǎn)生的主時(shí)鐘和慢時(shí)鐘經(jīng)過微處理器內(nèi)部2個(gè)鎖相環(huán)后，產(chǎn)生系統(tǒng)所需的各種主時(shí)鐘、外設(shè)時(shí)鐘以及USB器件工作時(shí)鐘。
2．3 復(fù)位電路設(shè)計(jì)
    AT91RM9200有2個(gè)獨(dú)立的復(fù)位信號，即系統(tǒng)復(fù)位信號NRST與調(diào)試復(fù)位信號NTRSI，都是低電平有效。系統(tǒng)上電后，AT91RM9200必須執(zhí)行一個(gè)上電復(fù)位，在過渡狀態(tài)下，它的強(qiáng)制復(fù)位信號為低，直到電源電壓和振蕩器工作頻率穩(wěn)定為止。此外，NRST和NTRST還可以手動復(fù)位，以方便用戶調(diào)試程序。該設(shè)計(jì)中選用的復(fù)位芯片是MAX811，再加上一個(gè)手動按鍵，當(dāng)工作電壓低于3 V或手動復(fù)位輸入引腳被拉低時(shí)處理器復(fù)位。
2．4 存儲器模塊設(shè)計(jì)
    存儲器模塊包括NOR FLASH存儲器和SDRAM存儲器。
    NOR FLASH存儲器用于存儲系統(tǒng)運(yùn)行所需的程序和重要數(shù)據(jù)，即使掉電，程序和數(shù)據(jù)也不會丟失。該設(shè)計(jì)中所用芯片是Atmel公司生產(chǎn)的AT49BNl614T，以保持與AT91RM9200的兼容性，其存儲容量為2 MB，工作電壓為3．3 V，采用56引腳TSOP封裝，具有16位數(shù)據(jù)寬度。AT91RM9200需要以下引腳與之對應(yīng)相連：A[1：21]，D[0：15]，NCSO／BFCS，NRST，BFRDY，BFWE，BFOE。
    SDRAM存儲器的作用是存放系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的程序和數(shù)據(jù)，掉電后該部分程序和數(shù)據(jù)會丟失。設(shè)計(jì)中使用兩片數(shù)據(jù)寬度為16位的SDRAM并為一個(gè)具有32位數(shù)據(jù)寬度的SDRAM模塊，以充分發(fā)揮微處理器32位數(shù)據(jù)寬度的高性能。設(shè)計(jì)所使用的芯片是HY57V561620，其存儲容量為32 MB，工作電壓為3．3 V，采用54引腳TSOP封裝，16位數(shù)據(jù)寬度，支持自動刷新和自刷新。AT91RM9200需要以下引腳與HY57V561620對應(yīng)相連：D[0：31]，A[2：11]，A[13：14]，NBS0，N：BSl，NBS2，NBS3，SDCKE，SDCK，SDCS，RAS，CAS，SDWE。這里特別注意：A12引腳不使用。[!--empirenews.page--]
2．5 JTAG接口電路設(shè)計(jì)
    JTAG是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議，主要用于芯片內(nèi)部測試及對系統(tǒng)進(jìn)行仿真、調(diào)試，是開發(fā)、調(diào)試嵌入式系統(tǒng)的一種簡潔高效的手段。它有兩種接口標(biāo)準(zhǔn)：14針接口和20針接口。該設(shè)計(jì)中選擇20針接口標(biāo)準(zhǔn)。JTAG調(diào)試接口設(shè)計(jì)是否標(biāo)準(zhǔn)，直接影響到硬件平臺是否能夠連接ARM仿真器。所以在設(shè)計(jì)時(shí)，有以下幾點(diǎn)需要注意：
    (1)盡可能按照標(biāo)準(zhǔn)的20針接口設(shè)計(jì)。如果設(shè)計(jì)成14針接口，一定要嚴(yán)格按照14針接口對應(yīng)于20針接口的對應(yīng)關(guān)系來設(shè)計(jì)。
    (2)nTRST和nRESET、引腳不用時(shí)，要用10 kΩ的電阻拉高，否則JTAG上這兩個(gè)引腳的信號不確定，會造成ARM調(diào)試器不能正常連接目標(biāo)系統(tǒng)。
    (3)JTAG上輸出的信號都要用10 kΩ的電阻拉高。
2．6 UART、串行接口電路設(shè)計(jì)
    AT91RM9200的UASRT作為同步／異步串行接口，在調(diào)試狀態(tài)下作為調(diào)試串口；在正常工作狀態(tài)下為一般串行口使用，可以通過RS 232實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備的通信。該設(shè)計(jì)中的UART、接口芯片是MAX3232，其工作電壓為3．3 V，16引腳SOIC封裝。其最為簡單且常用的是三線制接法，即地線，接收數(shù)據(jù)線和發(fā)送數(shù)據(jù)線三腳對應(yīng)相連。
    在完成以上幾部分電路設(shè)計(jì)后，基于AT91RM9200的嵌入式系統(tǒng)就具有了安全可靠的工作條件，也為下面的擴(kuò)展以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ)。

3 以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)
    在ARM系統(tǒng)中，以太網(wǎng)接口是與遠(yuǎn)程機(jī)進(jìn)行通信及調(diào)試的基礎(chǔ)，還可以進(jìn)行內(nèi)部局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)間的通信。而基于ARM的系統(tǒng)若沒有以太網(wǎng)接口，其應(yīng)用價(jià)值就會大打折扣。因此，就整個(gè)嵌入式系統(tǒng)而言，以太網(wǎng)接口電路是必不可少的，但同時(shí)也是相對復(fù)雜的。
    從硬件的角度看，以太網(wǎng)接口電路主要由MAC控制器和物理層接口(PHY)兩大部分構(gòu)成。該設(shè)計(jì)中所用到的以太網(wǎng)接口芯片RTL8019AS，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含這兩部分。RTL8019AS是一款高集成度的以太網(wǎng)控制芯片，具有8／16位總線模式，集成了IEEE802．3協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的MAC層和PHY層的性能，與NE2000相兼容，支持以太網(wǎng)全雙工通信方式；支持UTP，AUI和BNC自動檢測，支持16位I／O基本地址選項(xiàng)和額外I／O地址輸入／輸出完全解碼方式；支持存儲器瞬時(shí)讀寫，收發(fā)可同時(shí)達(dá)到10 Mb／s的速率，內(nèi)置16 KB的SRAM，可以方便地與微處理器進(jìn)行連接。它支持多種嵌入式處理器芯片，內(nèi)置有FIFO緩存器用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。
3．1 以太網(wǎng)接口工作原理
    使用RTL8019AS作為以太網(wǎng)的物理層接口，它的基本工作原理是：在收到由主機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)包后，偵聽網(wǎng)絡(luò)線路。如果線路忙，它就等到線路空閑為止，否則，立即發(fā)送該數(shù)據(jù)幀。在發(fā)送過程中，首先為數(shù)據(jù)包添加幀頭(包括前導(dǎo)字段和幀開始標(biāo)志)，然后生成CRC校驗(yàn)碼，最后將此數(shù)據(jù)幀發(fā)送到以太網(wǎng)上。
    在接收過程中，它將從以太網(wǎng)收到的數(shù)據(jù)包在經(jīng)過解碼、去幀頭和地址校驗(yàn)等步驟后緩存在片內(nèi)。在CRC校驗(yàn)通過后，它會根據(jù)初始化配置情況，通知RTL8019AS收到了數(shù)據(jù)包。最后，用某種傳輸模式(I／O模式、Memory模式、DMA模式)傳到ARM系統(tǒng)的存儲區(qū)中。
3．2 硬件電路設(shè)計(jì)
    用RTL8019AS芯片設(shè)計(jì)的以太網(wǎng)控制器相關(guān)電路，可以通過RJ45連上以太網(wǎng)，在判斷網(wǎng)卡芯片是否工作正常時(shí)，有兩個(gè)依據(jù)，一是看狀態(tài)指示LED是否有閃爍；二是用專用網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽工具軟件進(jìn)行監(jiān)聽。在本設(shè)計(jì)中用兩個(gè)LED指示燈表示接收和發(fā)送狀態(tài)，當(dāng)有網(wǎng)絡(luò)連接且收發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)，LED閃爍。此外，網(wǎng)卡芯片單獨(dú)不能工作，還必須有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)變壓器在RJ45接口和網(wǎng)卡芯片中間進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，該設(shè)計(jì)中所用的電平轉(zhuǎn)換器是20F001N。另外要特別注意，由于RTL8019AS的復(fù)位引腳是高電平有效，而AT91RM9200的NRST引腳是低電平有效，所以不能直接將兩個(gè)引腳進(jìn)行連接。該設(shè)計(jì)所用的解決方法是：在兩引腳間加上一個(gè)共發(fā)射極的三極管，利用它的反相作用，來達(dá)到兩個(gè)復(fù)位引腳間的電平匹配。同時(shí)，為了提高數(shù)據(jù)的傳輸速率，需要將網(wǎng)卡芯片設(shè)計(jì)成16位的數(shù)據(jù)通道，這就要求將RTL8019AS的IOCSl6B引腳用電阻上拉來達(dá)到設(shè)計(jì)目的。RTL8019AS與AT91RM9200進(jìn)行連接還需要以下引腳：NOE，NEW，NCS2，D[O：15]，一條中斷線IRQ0以及地址線A[O：4](設(shè)計(jì)RTL8019AS的I／O基地址為300H，所以只需要SA[O：4]接A[O：4]，而A[5：19]只需要接地即可)。至此，硬件電路已經(jīng)設(shè)計(jì)完畢，整個(gè)電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

4 軟件設(shè)計(jì)
4．1 以太網(wǎng)口初始化
    初始化第一步是復(fù)位以太網(wǎng)口。以太網(wǎng)口復(fù)位分為硬件復(fù)位和軟件復(fù)位。硬件復(fù)位通過給RTL8019AS的RESET引腳發(fā)送一個(gè)復(fù)位脈沖；軟件復(fù)位通過寫端口達(dá)到復(fù)位，也就是給18～1F之間的任意一個(gè)寄存器寫入任意一個(gè)數(shù)，就使得以太網(wǎng)口復(fù)位。第二步是設(shè)置一些寄存器的初始值，寄存器保存本機(jī)的物理地址，只有和寄存器保存的物理地址相同的以太網(wǎng)幀才被接收(RCR寄存器中PRO=O)。
    以太網(wǎng)口第一次復(fù)位必須是硬件復(fù)位，硬件復(fù)位以后要經(jīng)過大約10 ms的等待才能對以太網(wǎng)口操作，特別是發(fā)送和接收操作。
4．2 以太網(wǎng)口存儲及初始化
    RTL8019AS內(nèi)部RAM地址范圍從0x0000～0x7FFFF，其中0x4000～Ox7FFF用作接收和發(fā)送緩沖區(qū)。緩沖區(qū)是按頁管理的，256 b為一頁，這樣接收發(fā)送緩沖頁面是0x40～0x7F。發(fā)送緩沖區(qū)的起始頁在TPSR寄存器中設(shè)置，接收緩沖區(qū)的起始頁在PSTART寄存器中設(shè)置，PSTART實(shí)際上也表明了發(fā)送緩沖區(qū)的結(jié)束頁。接收緩沖區(qū)的結(jié)束頁是PSTOP。所以發(fā)送緩沖區(qū)的頁從TPSR到PSTART-1，接收緩沖區(qū)的頁從PSTART到PSTOP-1。一般設(shè)置如下：

   
    使發(fā)送緩沖區(qū)可以容納下兩個(gè)最大以太網(wǎng)幀(最大為1 514 B)，第一個(gè)幀放在SEND_START_PAGEO起始頁，第二個(gè)幀放在SEND_START_PAGE1起始頁，剩下的緩沖區(qū)都作為接收緩沖區(qū)。
    RTL8019AS內(nèi)部RAM是雙口 RAM，因?yàn)樗С謨蓚€(gè)獨(dú)立的操作：一個(gè)是用戶CPU讀取RAM中的內(nèi)容，對這個(gè)操作RTL8019AS提供一個(gè)讀寫口，也就是寄存器中的Remote DMA Port；另一個(gè)是RTL8019AS內(nèi)部控制電路把從網(wǎng)絡(luò)接收的數(shù)據(jù)寫入RAM中，這時(shí)RAM稱為Local DMA。RTL8019AS通過Local DMA寫入RAM是不需要用戶干涉的，它通過Remote DMA Port讀寫RAM。[!--empirenews.page--]
    讀RAM見RTLReadRam函數(shù)，代碼如下：

   
    這個(gè)函數(shù)表示從address開始讀取size個(gè)字節(jié)的內(nèi)容到buff指向的內(nèi)存中。設(shè)置CR寄存器指令為：writereg(cr，(0x00 | er_remote_read | cr_start_com-mand))；然后從Remote DMA Port讀取size次，就得到所需的數(shù)據(jù)。
    寫RAM函數(shù)，操作基本上和讀RAM函數(shù)差不多，只要將最后一步的讀size次改成寫size次就可以。
4．3 發(fā)送數(shù)據(jù)包
    發(fā)送數(shù)據(jù)包的基本步驟如下：
    (1)首先將發(fā)送的起始頁，一般是發(fā)送緩沖區(qū)內(nèi)的頁(Ox40~Ox4b)，寫入StartPage變量中。將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入地址為StartPage<<8開始的緩沖區(qū)中，然后等待上一次發(fā)送結(jié)束。對于過大或者過小的數(shù)據(jù)包，不發(fā)送；對于過小的幀，在發(fā)送時(shí)要填充。
    TPSR為發(fā)送起始寄存器，將StartPage寫入TPSR寄存器，高字節(jié)寫入TBCRH(TBCRl)，低字節(jié)寫入TBCRL(TBCRO)。當(dāng)寫發(fā)送命令時(shí)，RTL8019AS將從TPSR<<8地址開始發(fā)送size個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。
    (2)發(fā)送數(shù)據(jù)幀：發(fā)送緩沖區(qū)可以存儲2個(gè)最大的以太網(wǎng)幀，一個(gè)起始頁為SEND_START_PAGEO，另一個(gè)起始頁SEND_START_PAGEl，兩個(gè)交替使用。發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)，CR寄存器設(shè)置為：writereg(cr，((prepage&OxCO)|cr_abort_compile_dma|cr_txp |cr_start_command]))；發(fā)送數(shù)據(jù)包函數(shù)代碼如下：

   
4．4 接收數(shù)據(jù)包
    接收數(shù)據(jù)包的步驟如下：
    (1)接收緩沖操作。當(dāng)RTL8019AS接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包后，自動將接收的數(shù)據(jù)包放到CURR頁。如果一頁放不下，則CURR加1；如果CURR=接收結(jié)束頁，則CURR自動變成接收開始頁，繼續(xù)寫入接收的數(shù)據(jù)。
    (2)用戶讀取接收數(shù)據(jù)包。RTL8019AS通過Local DMA把接收的數(shù)據(jù)寫入接收緩沖區(qū)，并自動改變CURR和識別緩沖區(qū)的界限，這些都不需要用戶干預(yù)。
    當(dāng)一個(gè)無錯(cuò)的數(shù)據(jù)接收完畢，則觸發(fā)中斷處理函數(shù)。然后讀取數(shù)據(jù)包到分配的內(nèi)存，可以從接收字節(jié)計(jì)數(shù)器中得知讀取數(shù)據(jù)。這里要處理一種情況：如果接收的數(shù)據(jù)包存儲不是連續(xù)的，在這種情況下要分2次才能讀取1個(gè)完整的數(shù)據(jù)包，判斷是否存儲不連續(xù)的條件是：
    bnry>Head[1]＆＆Head[1]!=RECEIVE_START_PAGE
    其中：bnry是這個(gè)包的起始頁；Head[1]是下一個(gè)包的起始頁。
    接收數(shù)據(jù)包函數(shù)與發(fā)送數(shù)據(jù)包函數(shù)相似，只需要修改相應(yīng)寄存器配置即可。然后將接收的數(shù)據(jù)寫入網(wǎng)絡(luò)接口層的輸入隊(duì)列，如果寫入失敗則釋放內(nèi)存。寫入后上層協(xié)議將提取這個(gè)數(shù)據(jù)包。最后網(wǎng)卡通過中斷控制器向ARM響應(yīng)中斷，中斷完畢清除中斷標(biāo)志。

5 結(jié) 語
    ARM微處理器正以其極好的性價(jià)比和極低的功耗，與其他體系結(jié)構(gòu)的微處理器進(jìn)行激烈的競爭，其應(yīng)用將進(jìn)一步深入到各行各業(yè)?？梢灶A(yù)測，在將來的一段時(shí)期內(nèi)，ARM微處理器將成為32位微處理器市場的統(tǒng)治者。了解、學(xué)習(xí)、掌握和應(yīng)用ARM微處理器技術(shù)很有必要，也非常重要。在ARM系統(tǒng)采用高性能的以太網(wǎng)控制器，系統(tǒng)通信和調(diào)試快速、可靠，具有很高的實(shí)時(shí)性。該設(shè)計(jì)構(gòu)造一個(gè)基于以太網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，該接口模塊的主要任務(wù)是完成與外界的信息交互，以達(dá)到網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的目的。在實(shí)際應(yīng)用中，它運(yùn)行穩(wěn)定，能夠十分方便地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連。該系統(tǒng)已在視頻監(jiān)控光端機(jī)上得到成功應(yīng)用，傳輸速度相當(dāng)于PC機(jī)的10兆網(wǎng)口。