基于DM9000A的網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)嵌入式以太網(wǎng)通信，使用以太網(wǎng)控制芯片DM9000A和單片機(jī)MSP430F5529，組成了嵌入式以太網(wǎng)接口，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)通信，其中單片機(jī)完成自身以及以太網(wǎng)控制芯片的初始化、數(shù)據(jù)的封包和收發(fā)控制，而DM9000A芯片負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成框圖和硬件設(shè)計(jì)，給出了實(shí)際的接口電路，重點(diǎn)描述了單片機(jī)和DM9000A芯片之間的軟件接口程序設(shè)計(jì)，并給出了網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的應(yīng)用方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)體積小、接口簡(jiǎn)單、速度快、功耗低，具有很高的推廣價(jià)值。
關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)通信；單片機(jī)；DM9000A；MSP430F5529

    隨著嵌入式技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展及以太網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，以太網(wǎng)接口在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，網(wǎng)絡(luò)化成為未來(lái)設(shè)備發(fā)展的一個(gè)重要方向，各種嵌入式設(shè)備已經(jīng)成功滲透到各個(gè)領(lǐng)域，并逐漸朝著網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向發(fā)展。以太網(wǎng)以其在實(shí)時(shí)性、可靠性、標(biāo)準(zhǔn)化等方面的卓越性能及其便于安裝、維護(hù)簡(jiǎn)單、不受通信距離限制等優(yōu)點(diǎn)，已發(fā)展成為一種成熟的技術(shù)。本文以MSP430F5529單片機(jī)和以太網(wǎng)控制器DM9000A為硬件組成，通過(guò)軟件編程，和上位機(jī)實(shí)現(xiàn)了UDP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信。

1 硬件設(shè)計(jì)
    DM9000A是DAVICOM公司推出的一款高速以太網(wǎng)接口芯片，是完全集成的和符合成本效益單芯片快速以太網(wǎng)MAC控制器，其被設(shè)計(jì)為低功耗、高處理性能，而其操作又非常簡(jiǎn)單，具有通用的處理器接口，可以與多種處理器直接連接，數(shù)據(jù)總線寬度可設(shè)置為8 b和16 b，支持3．3 V和5 V電源模式。
    MSP430F5529單片機(jī)是TI公司的一款超低功耗單片機(jī)。該芯片采用低功耗設(shè)計(jì)，具有五種低功耗模式，從低功耗模式到喚醒模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于6μs，其獨(dú)特的時(shí)鐘設(shè)計(jì)，每個(gè)時(shí)鐘都可以打開(kāi)或關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整體功耗的控制。供電電壓范圍為1．8～3．6 V，具有強(qiáng)大的中斷功能，集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)和較多的I／O端口，提高了對(duì)外圍設(shè)備的開(kāi)發(fā)能力。
    在本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)MSP430F5529控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，以太網(wǎng)控制器DM9000A實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牡蛯庸δ?。單片機(jī)完成對(duì)DM9000A的初始化，并將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)按協(xié)議要求進(jìn)行以太網(wǎng)幀封裝，發(fā)送給DM9000A；以中斷的方式接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，并對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，對(duì)有用數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。DM9000A接收從單片機(jī)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過(guò)RJ45傳送到遠(yuǎn)程主機(jī)，并通過(guò)RJ45接收從遠(yuǎn)程主機(jī)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)初步解析后保存在緩存中，然后向單片機(jī)發(fā)出中斷信號(hào)，由單片機(jī)來(lái)完成對(duì)數(shù)據(jù)的讀取。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

    系統(tǒng)中單片機(jī)和以太網(wǎng)控制器都采用3．3 V來(lái)供電。單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控芯片，和DM9000A之間采用8 b模式(將EECS腳接一個(gè)10 kΩ的上拉電阻)，使用P6端口和DM9000A的數(shù)據(jù)端口相連接，傳輸數(shù)據(jù)或地址數(shù)據(jù)，無(wú)需電平轉(zhuǎn)換；P1．0腳和CMD相連，為高時(shí)為數(shù)據(jù)讀／寫(xiě)操作，為低時(shí)為地址讀／寫(xiě)操作；P1．1腳和INT腳相連，作為單片機(jī)的數(shù)據(jù)讀取中斷信號(hào)；P1．2，P1．3腳分別和IOR腳、IOW腳相連，用于控制讀或?qū)懖僮?，低電平有效，即在信?hào)的上升沿進(jìn)行讀(IOR)寫(xiě)(IOW)操作；P1．4腳和CS腳相連，作為DM9000A的片選信號(hào)。
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2 DM9000A芯片操作
    DM9000A的讀／寫(xiě)操作與一般的異步存儲(chǔ)器相同，圖2和圖3分別顯示了DM9000A的讀／寫(xiě)時(shí)序。

    根據(jù)芯片資料，編寫(xiě)讀／寫(xiě)寄存器的子函數(shù)。
    寄存器的讀操作程序：
   
  

3 軟件設(shè)計(jì)
3．1 DM9000A初始化
    對(duì)DM9000A芯片的初始化，就是向相應(yīng)的寄存器寫(xiě)入期望的值，為芯片的穩(wěn)定工作做好準(zhǔn)備。主要需要進(jìn)行以下設(shè)置以便讓芯片處于工作狀態(tài)：
    (1)開(kāi)啟DM9000A工作狀態(tài)：芯片GEPIO0的默認(rèn)值為1，芯片處于Powerdown狀態(tài)，所以首先需要將這一位設(shè)置為0，來(lái)打開(kāi)芯片。設(shè)置方法是將寄存器GPCR的bit[0]設(shè)置為1，將寄存器GPR的bit[0]設(shè)置為0。
    (2)進(jìn)行2次復(fù)位操作：根據(jù)芯片的特點(diǎn)，要使芯片達(dá)到正常工作狀態(tài)，需要對(duì)其進(jìn)行2次軟啟動(dòng)操作，方法是向NCR寄存器寫(xiě)入3，延遲至少10μs后，寫(xiě)入0，重復(fù)這個(gè)操作一次。
    (3)設(shè)置MAC地址：初始化時(shí)要初始化PAR(10h～15h)寄存器，PAR中保存的是芯片物理地址(MAC地址)，芯片根據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與PAR中的數(shù)據(jù)比較來(lái)確定接收到的數(shù)據(jù)是否是發(fā)給自己的。
    (4)收、發(fā)控制寄存器設(shè)置：要清除發(fā)送狀態(tài)寄存器，打開(kāi)收／發(fā)中斷使能。
初始化完成后可以通過(guò)讀NCR寄存器來(lái)判斷芯片是否已經(jīng)正確的完成初始化，并處于工作狀態(tài)，如果未初始化成功，可以重復(fù)以上操作。
3．2 數(shù)據(jù)發(fā)送
    在數(shù)據(jù)發(fā)送之前，首先要對(duì)數(shù)據(jù)按網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行封包，將封包后的數(shù)據(jù)全部發(fā)送。DM9000A的內(nèi)部RAM地址0000h～0BFFh是發(fā)送緩沖區(qū)，用來(lái)存放發(fā)送數(shù)據(jù)包。用戶在寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，無(wú)需關(guān)心數(shù)據(jù)存放的地址，只要向MWCMD寄存器連續(xù)寫(xiě)入封包數(shù)據(jù)即可，芯片會(huì)自動(dòng)將數(shù)據(jù)依次寫(xiě)入到發(fā)送緩沖區(qū)中。另外還需將要封包后數(shù)據(jù)的大小存放在TXPLH和TXPLL寄存器中，之后再將TCR的bit0設(shè)為1，芯片將開(kāi)始進(jìn)行封包數(shù)據(jù)的傳送?？梢酝ㄟ^(guò)讀取TSRI，TSR11寄存器判斷本次數(shù)據(jù)發(fā)送是否成功。[!--empirenews.page--]
    單片機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送的具體程序如下所示：


3．3 數(shù)據(jù)接收
    可以采用中斷的方式來(lái)完成對(duì)數(shù)據(jù)的接收。當(dāng)DM9000A接收到數(shù)據(jù)并通過(guò)CRC校驗(yàn)后，將產(chǎn)生一個(gè)接收中斷信號(hào)，單片機(jī)在中斷發(fā)生時(shí)可以將整個(gè)數(shù)據(jù)包讀出，并按照使用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來(lái)處理數(shù)據(jù)。DM9000A內(nèi)存的0C00h～3FFFh是數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)。芯片在接收到數(shù)據(jù)包后，會(huì)在數(shù)據(jù)包的前面自動(dòng)加上4個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)包時(shí)首先要讀取這4個(gè)字節(jié)來(lái)確定數(shù)據(jù)包的狀態(tài)，第一個(gè)字節(jié)“01H”表示接下來(lái)的是有效數(shù)據(jù)包，且數(shù)據(jù)保存在接收緩沖區(qū)中；若為“00H”則表示沒(méi)有數(shù)據(jù)包，中斷程序可以直接返回；若為其他值則表示出現(xiàn)異常，需要重新初始化芯片。第2個(gè)字節(jié)則為這個(gè)數(shù)據(jù)包的相關(guān)信息，其格式與RSR寄存器的含義一致，可以用來(lái)判斷本數(shù)據(jù)包是否出現(xiàn)異常和出現(xiàn)了什么異常。第3和4個(gè)字節(jié)是存放這個(gè)封包的長(zhǎng)度大小(不包括前4個(gè)字節(jié))，在讀取數(shù)據(jù)包時(shí)需要用這個(gè)長(zhǎng)度來(lái)進(jìn)行接收控制。
    同數(shù)據(jù)發(fā)送類(lèi)似，單片機(jī)從DM9000A中讀取數(shù)據(jù)也只需要讀取MRCMD寄存器中的值即可，讀取一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)后，芯片自動(dòng)將下一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)移到這個(gè)寄存器中。數(shù)據(jù)包的接收過(guò)程分2步：先讀取MRCMDX寄存器，判斷是否存在正確的數(shù)據(jù)包；如有數(shù)據(jù)包，根據(jù)數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度信息依次讀取讀MRCMD寄存器，將整個(gè)數(shù)據(jù)包讀取出來(lái)。其中第1步需要讀取兩次MRCMDX寄存器，因?yàn)榈?次讀到的值總為0。單片機(jī)數(shù)據(jù)接收程序如下：

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4 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議
    DM9000A芯片只是用來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，在具體使用時(shí)需要在單片機(jī)中按照所使用的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議格式如UDP等，進(jìn)行數(shù)據(jù)的封包或解析，需要根據(jù)各種協(xié)議的格式編寫(xiě)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理函數(shù)。在本系統(tǒng)中使用了UDP協(xié)議，協(xié)議采用分層結(jié)構(gòu)，因此，數(shù)據(jù)報(bào)文也采用分層封裝的方法。UDP協(xié)議的數(shù)據(jù)報(bào)文分層封裝如圖4所示。

    單片機(jī)在通信時(shí)需要按照UDP協(xié)議對(duì)每一層的數(shù)據(jù)進(jìn)行封包或解包處理，在上位機(jī)中使用一個(gè)抓包工具，可以對(duì)通信過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。圖5是在計(jì)算機(jī)上使用抓包工具監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)通信的一個(gè)截圖。

5 結(jié)語(yǔ)
    本設(shè)計(jì)采用MSP430F5529單片機(jī)和DM9000A以太網(wǎng)控制器相結(jié)合，組成了嵌入式以太網(wǎng)接口，通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，成功的將本系統(tǒng)和控制計(jì)算機(jī)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了彼此之間的網(wǎng)絡(luò)通信，為以后實(shí)現(xiàn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程登錄、訪問(wèn)、采集、監(jiān)控等操作提供了可能，符合當(dāng)今嵌入式設(shè)備趨于網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的方向。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)表明，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能，并且具有硬件接口簡(jiǎn)單、使用器件少、開(kāi)發(fā)周期短、功耗低等特點(diǎn)。另外本設(shè)計(jì)的超低功耗的特點(diǎn)也使其在嵌入式系統(tǒng)中可以得到較多的推廣和應(yīng)用。