嵌入式以太網(wǎng)控制器設(shè)計
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引言
目前,隨著計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)得飛速發(fā)展,使得使得我們通過計算機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互連的同時,許多領(lǐng)域的嵌入式設(shè)備如工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)控機(jī)床和智能儀表等也有接入網(wǎng)絡(luò)的需求。伴隨著信息家電出現(xiàn),嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化必將擁有更廣闊的發(fā)展前途。在這個過程里,首先要解決的問題使嵌入式設(shè)備如何實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連。
基于以太網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)NCS(NetworkedControl System)是繼現(xiàn)場總線控制了當(dāng)前通信技術(shù)中的以太網(wǎng)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù),很好地統(tǒng)一了底層的控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,建立了良好的兼容接口,因此成為了當(dāng)前及后工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用和研究的熱點。隨著以高性能嵌入式微處理器和嵌入式操作系統(tǒng)為核心的嵌入式技術(shù)的發(fā)展與推廣使用,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在性能、成本、功耗和體積等方面都達(dá)到了令人滿意的效果,并對NCS 結(jié)構(gòu)和應(yīng)用產(chǎn)生了很大的影響。
本文主要基于S3C44B0X+uClinux 系統(tǒng)平臺開發(fā)出嵌入式以太網(wǎng)控制器,該方案和其它設(shè)計比較具有高性能、低功耗、軟硬件易擴(kuò)展特點,是當(dāng)前及今后工業(yè)以太網(wǎng)控制器的理想選擇方案。
1 嵌入式以太網(wǎng)控制器硬件設(shè)計
本文主要基于S3C44B0X+RTL8019AS 系統(tǒng)硬件平臺開發(fā)出嵌入式以太網(wǎng)控制器硬件平臺。
圖1 為嵌入式以太網(wǎng)控制器硬件設(shè)計原理圖。嵌入式以太網(wǎng)控制器的硬件設(shè)計主要有S3C44B0X 微處理器、以太網(wǎng)模塊、存儲器模塊、串口驅(qū)動模塊、電源模塊、復(fù)位和時鐘和JTAG 接口7 部分。
1.1 S3C44B0X 處理器
S3C44B0X 處理器采用160 引腳的LQFP 封裝;為了降低成本,S3C44B0X 提供了豐富的內(nèi)置部件,包括:8 KB cache,內(nèi)部SRAM,LCD 控制器,帶自動握手的2 通道UART,4 通道DMA,外部存儲器控制器(片選邏輯,F(xiàn)P/EDO/SDRAM 控制器),帶有PWM 功能的5 通道定時器,通用I/O 端口,實時時鐘RTC,8 通道10 位ADC,I2C 總線接口,I2S 總線接口,同步SIO 接口和PLL 倍頻器。本嵌入式以太網(wǎng)控制器設(shè)計選用它,能夠很好地滿足小型化、低功耗和低成本的要求。
1.2 以太網(wǎng)模塊
RTL8019AS 是高度集成以太網(wǎng)控制器,它能夠簡單的解答即插即用NE2000 兼容適配器,這種適配器具有二重和功率下降特性。
RTL8019AS 以太網(wǎng)控制器共有32 個輸入地址,對應(yīng)地址偏移量為00h~1Fh,現(xiàn)分別說明如下:
?。?)00 h~0 Fh 的16 個地址,為寄存器地址。
?。?)10 h~17 h 的8 個地址,為數(shù)據(jù)讀寫端口地址。
?。?)18 h~1 Fh 的8 個地址,為復(fù)位端口。
2 嵌入式以太網(wǎng)控制器軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件平臺設(shè)計主要使用C語言和ARM匯編語言。系統(tǒng)軟件平臺設(shè)計主要包括3個方面:啟動引導(dǎo)程序Bootloader;建立μCLinux操作系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境;以太網(wǎng)模塊驅(qū)動程序的實現(xiàn)。
2.1 啟動引導(dǎo)程序Bootloader
引導(dǎo)程序Bootloader是在操作系統(tǒng)運(yùn)行之前執(zhí)行的一段程序。它主要實現(xiàn)的功能包括:初始化CPU 運(yùn)行的時鐘頻率;初始化Flash 和內(nèi)存的數(shù)據(jù)寬度,讀寫訪問周期和刷新周期;初始化中斷系統(tǒng);初始化系統(tǒng)中各種片內(nèi)、片外設(shè)備和I/O 端口;初始化系統(tǒng)各種運(yùn)行模式下的寄存器和堆棧;加載和引導(dǎo)μCLinux 操作系統(tǒng)。[!--empirenews.page--]
2.2 建立μCLinux 操作系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境
μCLinux 操作系統(tǒng)沿襲了傳統(tǒng)Linux 操作系統(tǒng)的主要特性,包括穩(wěn)定、強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)和文件系統(tǒng)支持。建立μCLinux操作系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境主要包括3 個步驟:建立μCLinux 操作系統(tǒng)的交叉編譯環(huán)境、μCLinux 操作系統(tǒng)的編譯和μCLinux 操作系統(tǒng)的加載。
2.3 RTL8019AS 驅(qū)動程序
設(shè)備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和硬件之間的接口,它作為應(yīng)用設(shè)備之間的軟件層, 為應(yīng)用程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)。
以太網(wǎng)模塊驅(qū)動程序?qū)儆诰W(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序。嵌入式μCLinux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序的體系結(jié)構(gòu)可以劃分為4層,即網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接口層、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口層、設(shè)備驅(qū)動功能層和網(wǎng)絡(luò)媒介層。在設(shè)計網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序時,最主要的工作就是完成設(shè)備驅(qū)動功能層,使其滿足嵌入式設(shè)備的目標(biāo)功能。完成設(shè)備驅(qū)動功能層主要有2 個步驟,RTL8019AS 的初始化和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收。
2.3.1 RTL8019AS 的初始化
為能夠準(zhǔn)確無誤地接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包,必須先對RTL8019AS進(jìn)行初始化操作,其中包括數(shù)據(jù)配置寄存器OCR、發(fā)送配置寄存器PCR、接收配置寄存器RCR的、物理地址、數(shù)據(jù)包接收緩沖區(qū)和發(fā)送緩沖區(qū)的設(shè)置:當(dāng)前頁面寄存器CURR的設(shè)置。RTL8019AS的初始化由函數(shù)void InitRTL8019AS()來完成,此函數(shù)的設(shè)計流程如圖2所示。
2.3.2 RTL8019AS數(shù)據(jù)包的發(fā)送與接收
RTL8019AS以太網(wǎng)控制器發(fā)送數(shù)據(jù)包分兩步走,首先將數(shù)據(jù)從系統(tǒng)內(nèi)存通過遠(yuǎn)程DMA傳到RTL8019AS以太網(wǎng)控制器的發(fā)送緩沖區(qū),然后本地DMA將數(shù)據(jù)傳到FIFO并發(fā)送出去。
RTL8019AS以太網(wǎng)控制器接收數(shù)據(jù)包時,RTL8019AS以太網(wǎng)控制器將網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)包接收,通過其本地DMA通道將接收到的數(shù)據(jù)包緩存于接收緩沖區(qū)中,再通過遠(yuǎn)程DMA通道由主處理器將接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)包經(jīng)數(shù)據(jù)總線讀入內(nèi)存單元以被程序使用。
2.3.3 編譯和測試RTL8019AS驅(qū)動程序
RTL8019AS驅(qū)動程序采用模塊加載方式。模塊加載方式具體步驟如下:
(1)通過module_init宏修飾的函數(shù)會在模塊加載時被調(diào)用。
(2)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備被檢測到以后,通過調(diào)用register_netdev()函數(shù)在μCLinux系統(tǒng)中把該RTL8019AS網(wǎng)絡(luò)設(shè)備添加到系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備鏈表的末尾。
?。?)如果注冊成功,則網(wǎng)絡(luò)設(shè)備結(jié)構(gòu)體中init成員函數(shù)被調(diào)用,對設(shè)備進(jìn)行初始化。
最后我們得到zImage 內(nèi)核壓縮文件。用引導(dǎo)程序Bootloader通過串口將zImage文件引導(dǎo)到S3C44B0X處理器上片外SDRAM上進(jìn)行調(diào)試。
3 結(jié)語
嵌入式系統(tǒng)具有低功耗、可靠性高等突出優(yōu)點。采用嵌入式系統(tǒng)來設(shè)計和實現(xiàn)帶有以太網(wǎng)的工業(yè)控制系統(tǒng),使得工業(yè)控制系統(tǒng)可靠性高、性能強(qiáng)、實時性好,將以太網(wǎng)接口集成與工業(yè)控制系統(tǒng)中,使得對工業(yè)控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視變得簡單易行。因此,研制一個帶以太網(wǎng)接口的嵌入式工業(yè)控制系統(tǒng)具有重要的科學(xué)意義和價值。