LPC23xx的自適應(yīng)以太網(wǎng)通信接口設(shè)計(jì)

以太網(wǎng)接口是嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行以太網(wǎng)通信的硬件基礎(chǔ)。隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步，許多嵌入式控制芯片集成了以太網(wǎng)控制器，這使得嵌入式系統(tǒng)中以太網(wǎng)接口的開發(fā)更為便利。LPC23xx是NXP半導(dǎo)體公司(由Philips公司創(chuàng)建)于2006年12月前后推出的基于ARM7TDMIS內(nèi)核的微控制器，與LPC21xx和LPC22xx相比，最為突出的特點(diǎn)是片上集成了10 Mbps/100 Mbps以太網(wǎng)控制器。

1 LPC23xx以太網(wǎng)控制器的結(jié)構(gòu)和配置

如圖1所示，LPC23xx以太網(wǎng)接口主要部分的功能如下：

圖1 LPC23xx以太網(wǎng)接口示意結(jié)構(gòu)框圖

① 控制寄存器，用于配置以太網(wǎng)控制器的工作方式、讀取控制器的當(dāng)前狀態(tài)等;

② 總線接口，AHB總線與以太網(wǎng)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的接口;

③ 接收/發(fā)送DMA，實(shí)現(xiàn)接收/發(fā)送緩沖區(qū)到總線接口的批量數(shù)據(jù)傳輸;

④ 接收/發(fā)送緩沖區(qū)，與DMA協(xié)同工作，暫存接收/發(fā)送的數(shù)據(jù);

⑤ 發(fā)送流量控制，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過大時(shí)插入以太網(wǎng)暫停幀以控制網(wǎng)絡(luò)流量;

⑥ 接收過濾器，濾除以太網(wǎng)幀的控制部分，提取有效的數(shù)據(jù);

⑦ MII(介質(zhì)無關(guān)接口)/RMII(裁減的介質(zhì)無關(guān)接口)，與外部PHY設(shè)備按規(guī)定的時(shí)序進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信的接口;

⑧ MMII(MII管理接口)，配置PHY設(shè)備的工作方式，讀取PHY設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)信息。

在使用LPC23xx的以太網(wǎng)控制器之前，用戶須將正確的配置信息寫入圖1中的控制寄存器。其步驟如下：

① 清除LPC23xx以太網(wǎng)控制器的軟件復(fù)位狀態(tài);

② 通過MMII對(duì)PHY設(shè)備進(jìn)行正確的配置;

③ 選擇與PHY設(shè)備的通信接口(RMII或MII)，受芯片尺寸所限，NXP已推出的LPC 2364、LPC 2366、LPC2368和LPC2378只有RMII的引腳;

④ 配置DMA引擎和收發(fā)緩沖區(qū)的首地址及長度;

⑤ 配置以太網(wǎng)接口的MAC(介質(zhì)存取控制)地址，選擇以太網(wǎng)速率(10 Mbps或100 Mbps);

⑥ 使能接收/發(fā)送通道。

在以上6個(gè)步驟中，較為關(guān)鍵是對(duì)接收/發(fā)送緩沖區(qū)的配置(步驟④)，以下為詳細(xì)的配置過程。為不影響以太網(wǎng)接口數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，一般選取 LPC23xx以太網(wǎng)控制器專用的16 KB RAM作為收/發(fā)緩沖區(qū)的物理載體。按以太網(wǎng)幀的結(jié)構(gòu)，可將收/發(fā)緩沖區(qū)分別劃分為若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的緩沖單元(也可以不劃分)，每個(gè)單元對(duì)應(yīng)著一個(gè)或多個(gè)描述符和狀態(tài)符。描述符用來設(shè)置對(duì)應(yīng)部分的首地址和控制信息，狀態(tài)符存儲(chǔ)著對(duì)應(yīng)單元最新的狀態(tài)信息。這些描述符和狀態(tài)符在邏輯上分別組成一個(gè)環(huán)形陣列：描述符環(huán)形陣列的首地址由RxDescriptor(接收描述符基址寄存器) /TxDescrip tor(發(fā)送描述符基址寄存器)指定，大小由RxDecriptorNumber(接收描述符寄存器數(shù)量) /TxDescriptorNumber(發(fā)送描述符寄存器數(shù)量)指定;狀態(tài)符的陣列首地址由RxStatus(接收狀態(tài)基址寄存器) / TxStatus(發(fā)送狀態(tài)基址寄存器)指定，大小與描述符陣列相同。在描述符陣列和狀態(tài)符陣列形成后，就可以通過RxProducerIndex(接收產(chǎn)生索引寄存器) /TxProducerIndex(發(fā)送產(chǎn)生索引寄存器)、RxConsumerIndex(接收消耗索引寄存器) /TxConsumerIndex(發(fā)送消耗索引寄存器)對(duì)描述狀態(tài)符陣列進(jìn)行操作而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收/發(fā)。

2 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的控制

NXP公司在LPC23xx的用戶指南中對(duì)其以太網(wǎng)控制器中數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送有較為詳細(xì)的介紹;但沒有涉及描述符和狀態(tài)符的環(huán)形陣列的概念，接收和發(fā)送的控制過程較為機(jī)械，本文在實(shí)際工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上對(duì)此做了改進(jìn)。以發(fā)送為例，圖2為一個(gè)連續(xù)發(fā)送過程，將發(fā)送緩沖區(qū)分為4個(gè)單元，0和4、1和5、2和6、3和7是與這4個(gè)單元對(duì)應(yīng)的描述符。發(fā)送過程如下：

① 如果上次數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，就得到圖2(a)所示的狀態(tài)，此時(shí)TxProducerIndex=TxConsumerIndex

② 將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入4個(gè)緩沖單元中，將TxProduceIndex更新為4TxProducerIndex，即為圖2(b)所示的狀態(tài)，此后數(shù)據(jù)開始發(fā)送;

③ 等待上次發(fā)送結(jié)束(用中斷或查詢均可以實(shí)現(xiàn)等待)，得到圖2(c)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢的狀態(tài);

④ 若有后續(xù)的數(shù)據(jù)要發(fā)送，再將數(shù)據(jù)寫入4個(gè)緩沖單元中，將TxProducerIndex更新為4TxProducerIndex，就得到圖2(d)所示的狀態(tài)，此后數(shù)據(jù)開始發(fā)送;

⑤ 重復(fù)以上過程，就得到了圖2所示的連續(xù)發(fā)送過程。

圖2 LPC23xx以太網(wǎng)控制器的連續(xù)發(fā)送過程

接收與發(fā)送過程類似。如果已經(jīng)對(duì)LPC23xx控制器的接收通道進(jìn)行了正確的配置，當(dāng)4個(gè)緩沖單元(假定接收緩沖區(qū)也被劃分為4個(gè)單元)滿時(shí)，會(huì)產(chǎn)生中斷。在中斷服務(wù)程序中讀取這4個(gè)緩沖單元，然后將RxConsumerIndex更新為4RxConsumerIndex，就完成了一次接收過程。需要指出的是，LPC23xx以太網(wǎng)控制器的接收和發(fā)送通道均需要先“產(chǎn)生”后“消耗”。對(duì)接收通道而言，以太網(wǎng)控制器是“產(chǎn)生者”，主機(jī)是“消耗者”;發(fā)送通道則恰好相反。

3 PHY設(shè)備的配置

LPC23xx控制器提供了RMII和MMII與PHY設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。其中RMII負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的收發(fā)，MMII負(fù)責(zé)PHY設(shè)備的配置和當(dāng)前狀態(tài)的讀取。本設(shè)計(jì)選取國家半導(dǎo)體公司DP83848I芯片作為以太網(wǎng)接口的PHY設(shè)備，其應(yīng)用電路如圖3所示。DP83848I可由硬件來配置，也可由軟件來配置。本設(shè)計(jì)選擇由硬件來配置，而通過MMII來讀取DP83848I最新的狀態(tài)。

以太網(wǎng)接口的自適應(yīng)能力由DP83848I的自動(dòng)協(xié)商功能體現(xiàn)出來。自動(dòng)協(xié)商功能提供了一種在網(wǎng)絡(luò)連接的兩端之間交換配置信息的機(jī)制，在該機(jī)制下，這兩端將自動(dòng)選擇最優(yōu)的配置。

DP83848I支持4種不同的以太網(wǎng)工作方式(10 Mbps半雙工、10 Mbps全雙工、100 Mbps半雙工和100 Mbps全雙工)，自動(dòng)協(xié)商功能在芯片配置的基礎(chǔ)上自動(dòng)選擇性能最高的工作方式。DP83848I的AN_EN、AN1 和AN0 引腳的電平控制著自動(dòng)協(xié)商功能。在RESET_N引腳輸入低脈沖(復(fù)位信號(hào))期間，會(huì)采樣AN_EN、AN1 和AN0的電平來決定芯片的工作方式，當(dāng)AN_EN、AN1 和AN0全為“1”的時(shí)候，即圖3中接入R1、R2和R3，4種工作方式均在協(xié)商的范圍之內(nèi)。

LPC23xx對(duì)DP83848I的配置過程如下：

① 發(fā)送脈寬大于1 μs的復(fù)位信號(hào)，等待自動(dòng)協(xié)商過程完成;

② 查詢基本模式狀態(tài)寄存器(BMSR)的第5位，當(dāng)該位變高時(shí)，表明自動(dòng)協(xié)商過程完成，結(jié)束等待;

③ 查詢BMSR的15、14、13、12和11位，獲取以太網(wǎng)接口的工作方式;

④ 配置LPC23xx以太網(wǎng)控制器的工作方式。

圖3以太網(wǎng)接口的PHY設(shè)備的硬件電路