嵌入式以太網(wǎng)控制器設(shè)計(jì)

　引言

　　目前，隨著計(jì)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(jì)算機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互連的同時(shí)，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(gè)過程里，首先要解決的問題使嵌入式設(shè)備如何實(shí)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(chǎng)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(diǎn)。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(diǎn)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(duì)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(tái)開發(fā)出嵌入式以太網(wǎng)控制器，該方案和其它設(shè)計(jì)比較具有高性能、低功耗、軟硬件易擴(kuò)展特點(diǎn)，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(jì)

　　本文主要基于S3C44B0X+RTL8019AS 系統(tǒng)硬件平臺(tái)開發(fā)出嵌入式以太網(wǎng)控制器硬件平臺(tái)。

　　圖1 為嵌入式以太網(wǎng)控制器硬件設(shè)計(jì)原理圖。嵌入式以太網(wǎng)控制器的硬件設(shè)計(jì)主要有S3C44B0X 微處理器、以太網(wǎng)模塊、存儲(chǔ)器模塊、串口驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊、復(fù)位和時(shí)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(dòng)握手的2 通道UART，4 通道DMA，外部存儲(chǔ)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(shí)器，通用I/O 端口，實(shí)時(shí)時(shí)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(jì)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(jiǎn)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(gè)輸入地址，對(duì)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(gè)地址，為寄存器地址。

　　（2）10 h～17 h 的8 個(gè)地址，為數(shù)據(jù)讀寫端口地址。

　　（3）18 h～1 Fh 的8 個(gè)地址，為復(fù)位端口。

　　2 嵌入式以太網(wǎng)控制器軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)主要使用C語(yǔ)言和ARM匯編語(yǔ)言。系統(tǒng)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)主要包括3個(gè)方面：?jiǎn)?dòng)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(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)。

　　2.1 啟動(dòng)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(shí)現(xiàn)的功能包括：初始化CPU 運(yùn)行的時(shí)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(gè)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(dòng)程序

　　設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(dòng)程序?qū)儆诰W(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序。嵌入式μCLinux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)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(dòng)功能層和網(wǎng)絡(luò)媒介層。在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，最主要的工作就是完成設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(dòng)功能層主要有2 個(gè)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(duì)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(yè)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(jì)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(shí)，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(cè)試RTL8019AS驅(qū)動(dòng)程序

　　RTL8019AS驅(qū)動(dòng)程序采用模塊加載方式。模塊加載方式具體步驟如下：

　?。?）通過module_init宏修飾的函數(shù)會(huì)在模塊加載時(shí)被調(diào)用。

　?。?）網(wǎng)絡(luò)設(shè)備被檢測(cè)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(cè)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(duì)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(yǔ)

　　嵌入式系統(tǒng)具有低功耗、可靠性高等突出優(yōu)點(diǎn)。采用嵌入式系統(tǒng)來設(shè)計(jì)和實(shí)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(shí)時(shí)性好，將以太網(wǎng)接口集成與工業(yè)控制系統(tǒng)中，使得對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視變得簡(jiǎn)單易行。因此，研制一個(gè)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(jià)值。