基于PC104總線的嵌入式以太網卡設計

引言

    近幾年來，PC機技術向嵌入式應用領域滲透的步伐逐漸加大，嵌入式PC機以其超小的體積、極低的功耗散熱，無需機箱和底板就可直接疊裝組合成各種系統(tǒng)而受到用戶的歡迎，因而具有巨大的應用潛力。早期的嵌入式PC機產品是基于8位和16位的ISA總線的標準化母板的PC機，后來又開發(fā)出多種小型化嵌入式PC產品。當前，國際上小型化嵌入式PC產品中，較有代表性的當數PC104，其尺寸僅為9.14cm×9.65cm，不用插板和總線母板，模塊之間采用層疊式封裝。PC104與ISA規(guī)范完全兼容。因此，用戶能夠充分利用目前被廣泛認可的PC結構體系、現有的軟硬件資源，提供自己的需求組合成更多的功能，開發(fā)出新型的PC104產品，以大大縮短產品開發(fā)周期及成本。

    隨著信息網絡技術的發(fā)展，工業(yè)現場應用中往往存在大量的設備上網的需求。目前，為了實現網絡化系統(tǒng)，工業(yè)設備都必須以網絡終端的形式出現在系統(tǒng)中。由于工業(yè)控制系統(tǒng)設備的多樣性和分布性，智能模塊方式的嵌入式終端已成為主流設備控制方式，而這種網絡終端大多用單片機或數字信號處理器來實現。在功能單一及性能要求不高的情況下，采用8位或16位的MCU往往滿足了現場要求。隨著硬件成本的降低及市場上需要更大功率、復雜而功能豐富的嵌入應用的增加，在嵌入式處理器的高端產品市場上，32位機器得到了很大的成長空間。典型的有Advanced RISC Machines公司的ARM系列、IBM及Motorola公司的PowerPC、Silicon Graphics公司的MIPS芯片等。Intel公司也在它原有的X86系列中專門增加了一種產品系列386EX，其軟件與其它X86微處理器保持完全一致?；诖耍疚奶岢隽艘环N利用Intel 386EX嵌入式微處理器設計智能以太網擴展模塊NP104的方法。利用此模塊，可以實現工業(yè)現場應用中基于PC104或工業(yè)PC的智能電子設備快速上網的需求。

1 基本組成及功能概述

    NP104是一款支持PC104總線的智能以太網擴展模塊。NP104占用PC104總線（或ISA總線）上的一段存儲器空間（約4KB），通過高速雙口RAM與主系統(tǒng)交換數據。NP104智能網絡擴展模塊的主要功能包括以下兩方面：實時接收系統(tǒng)CPU提交的數據，按照TCP/IP協議進行封裝，通過板的以太網控制接口發(fā)往目的地；自動接收網絡上發(fā)來的數據，并進行解包得到應用數據，放入雙口RAM供系統(tǒng)CPU讀取。

    NP104主要針對基于PC104或工業(yè)PC的智能電子設備，需要快速實現設備網絡化的應用領域而設計的。由于是通過雙口RAM與系統(tǒng)CPU交換數據，客戶只需在現有設備中加插1張NP104板卡，在程序中增加簡單的幾行代碼，即可實現通過網絡傳送數據的目的，最大限度地縮短新產品的入市時間。另外，NP104支持DOC2000大容量電子盤，可實現嵌入式Web服務器等高級網絡應用。

    圖1是NP104的硬件功能框圖。從圖1可知，NP104是一個基于Intel 386EX的完整嵌入式系統(tǒng)，其主要技術指標如下：

*僅使用PC104的XT總線部分，可與所有PC104主板或帶PC104接口的工控PC主板配合使用；

*系統(tǒng)CPU對NP104上的雙口RAM讀寫速度不低于500 KB/s，保證PC104讀寫速度不影響網絡傳輸速度；

*NP104上386EX的工作時鐘為40MHz，一般指令周期100ns，滿足絕大部分應用的需求；

*標準10Mbps以太網接口，10Base-T連接方式；

*雙口RAM占用的存儲器空間可配置；

*可使用PC104的IRQ5中斷資源，以便快速響應通信請求；

*標準PC104板卡尺寸（96mm×90mm）。

NP104內部主要技術指標為：

*48MHz Intel386EX高性能、32位微處理器；

*512KB Flash存儲器，帶磁盤文件驅動軟件接口；

*10Base-T以太網控制接口，NE2000兼容；

*1個標準RS232C串口（9線）；

*可直接支持M-System公司的DiskOnChip2000系列大容量電子盤芯片；

*供電電壓：5（1±0.05）V，工作電流570mA；

*標準PC104尺寸：96mm×90mm，提供標準安裝孔；

*工作溫度-10～65℃，工作濕度為5%～95%，滿足國際GB7261第21章規(guī)定的電子產品濕熱試驗要求；

*NP104可保證不影響其嵌入的整機對圖像GB6162規(guī)定的干擾試驗以及國際GB/T14598.10規(guī)定的參級快速瞬變干擾試驗的通過。

2 系統(tǒng)設計說明

    NP104內部是一個以386EX為核心的嵌入式系統(tǒng)，通過雙口RAM與PC104主CPU進行數據交換。以下把NP104擴展板內CPU稱為386EX，PC104上的系統(tǒng)CPU稱為主CPU。作為10 Mbps以太網接口，采用8位數據總線寬度即可滿足應用需求。雙口RAM器件選用4K×8bit的IDT7134LA，器件封裝為PLCC52。

    雙口RAM數據區(qū)定義如表1所列。

    從表1可看出，雙口RAM被分成2個基本部分，分別對應主CPU從NP104板中讀取來自于網絡的應用數據，以及主CPU把應用數據寫入NP104緩沖區(qū)，NP104按照命令作相應的操作。以下詳細描述每一數據段的功能定義。

表1 

（1）初始化過程

    主CPU對輸入緩沖區(qū)進行初始化，順序如下：①輸入數據包準備好狀態(tài)字節(jié)清零；②信號燈字節(jié)清零，即空閑；③根據需要設備中斷使能位；④初始化狀態(tài)置為0x12345678。386EX對輸出緩沖區(qū)進行初始化，順序如下：①輸出數據包準備好狀態(tài)字節(jié)清零；②信號燈字節(jié)清零，即空閑狀態(tài)；③根據需要設備中斷使能位；④初始化狀態(tài)置為0x12345678。

（2）信號燈和狀態(tài)字節(jié)的定義及操作

    為了保證雙邊CPU都充分發(fā)揮其作用，發(fā)生在NP104板上雙口RAM的數據通信，不采用阻塞式的握手線方式，而是采用非阻塞式的信號燈的通信方式?；静僮髟瓌t為：當CPU要對某一緩沖區(qū)數據進行讀或寫操作時，需首先檢查相應的信號燈字節(jié)，若信號燈處于空閑，則把信號燈設置為忙。之后，就可對相應緩沖區(qū)進行操作了，操作完成后，再把信號燈設置為空閑。如果僅僅是查詢狀態(tài)，不需要操作信號燈。對緩沖區(qū)進行任何操作的前提是緩沖區(qū)的初始化狀態(tài)字（長整型）已被設置為0x12345678。

（3）系統(tǒng)主CPU與386EX數據通信過程

    在PC104系統(tǒng)主CPU與NP104通信過程中，主CPU與386EX通過雙口RAM進行數據的收發(fā)工作。系統(tǒng)CPU向輸出緩沖寫入數據，則386EX從輸出緩沖區(qū)讀取數據。相應地，386EX從網絡中接收數據并寫放輸入緩沖區(qū)中，然后，系統(tǒng)CPU從輸入緩沖區(qū)中讀取數據。這里，輸入及輸出緩沖區(qū)都是相對于系統(tǒng)主CPU而言的。

（4）中斷使能字節(jié)及使用

    NP104卡支持主CPU采用中斷方式來讀取輸入緩沖區(qū)的數據，之前主CPU需進行設置相應的中斷使能位為1的操作。當386EX把RcvDatRdy置1時，NP104卡有專門的硬件邏輯檢測這一操作，從而設置對主CPU的中斷請求線IRQ#為1；當主CPU把RcvDatRdy清0時，NP104卡將使中斷請求線IRQ#復0。相應地，386EX也可以采用中斷方式來讀取輸出緩沖區(qū)的數據，之間386EX需進行設置相應的中斷使能位1的操作。當主CPU把SndDatRdy置1時，NP104卡有專門的硬件邏輯檢測這一操作，并設置對386EX的中斷請求線INT3（IRQ7）為1；當386EX把SndDatTdy清0時，NP104卡將使中斷請求線INT3復為0。

（5）資源分配說明

    雙口RAM在386EX的存儲空間映射區(qū)域為A8000H～A8FFFH；雙口RAM在PC104空間映射區(qū)域為D8000H～D8FFFH；512K電子盤的頁地址寄存器口地址為0X300H。

3 模塊驅動程序設計及測試

    嵌入式應用軟件典型的開發(fā)方式是“宿主機/目標機”方式。首先，利用宿主機上豐富的資源及良好的開發(fā)環(huán)境開發(fā)和仿真調試目標機上的軟件。然后，通過串行口或網絡將交叉編譯生成的目標代碼傳輸并裝載到目標機上。最后，目標機在特定的環(huán)境下運行。

    PC104正常工作必須要有驅動程序的支持。此驅動程序采用ANSI C語言編寫，由于系統(tǒng)PC兼容的程序運行環(huán)境，因此可以充分利用PC上現有的廉價軟件資源，而無需專門的開發(fā)調試系統(tǒng)。程序在Borland C3.0集成開發(fā)環(huán)境下實現。通過與封裝好的TCP/IP協議棧的鏈接，NP104提供了雙口RAM的驅動程序。驅動程序由包含幾個源文件的工程文件通過編譯連接TCP/IP協議棧而生成.EXE文件，通過BC遠程下載到NP104硬件系統(tǒng)的電子盤中。系統(tǒng)BIOS對此.EXE文件進行調用，一旦嵌入式擴展模塊的設備正常運行，系統(tǒng)就具備了網絡通信能力，其基本的程序流程框圖如圖2所示。由此可見，在系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下，NP104一直處于循環(huán)檢查以太網及中斷響應主系統(tǒng)命令的狀態(tài)，以保證主系統(tǒng)設備與網絡的正常通信。相應地，對于主系統(tǒng)而言，NP104的接口驅動程序包括12個功能調用，即雙口RAM初始化、初始化以太網接口、建立與關閉TCP連接、讀取TCP/IP網絡接口數據及發(fā)送數據至TCP/IP網絡接口等功能。本系統(tǒng)中的軟件是在基于DOS操作系統(tǒng)之上運行的，另外本系統(tǒng)亦可提供基于多任務RTOS如VRTX、DeltaOS的應用環(huán)境。

    系統(tǒng)測試時，NP104與PC104主板構成基本環(huán)境，NP104與局域網相接，PC104主板上的測試程序（采用BC編寫）通過調用NP104接口程序，與LAN上的上位機進行通信。同時，在LAN上連接上位PC機，運行相應的測試程序（采用VC編寫），以檢驗NP104的通信功能。在系統(tǒng)測試過程中，盡可能地考慮了通信過程中可能出現的各種異常情況，并采取了相應的處理措施。比如在通信過程中，NP104運行異常中止并重新復位運行后，此時PC104能夠及時檢查到NP104的復位信息；另外，當PC104主機出現異常重新啟動后，可使用InitNP104（）函數重新啟動NP104。在此函數中，通過軟件的方式實現了硬件的復位，以確保NP104正常通信。

結束語

    利用Intel嵌入式微處理器386EX設計的基于PC104總線的智能網絡擴展模塊可以滿足基于PC104總線或工業(yè)PC的智能電子設備的快速上網需求，在中國電力科學研究院電力電子公司的現場應用中，利用此方法設計的模塊已能正常運行。隨著嵌入式應用的日益深入，各種現場應用對高性能及實時性的求也不斷增加，RTOS將在嵌入式系統(tǒng)設計中占據主導地位，嵌入式Linux也將在嵌入式系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應用?；赑owerPC、MIPS、StrongARM微處理器的產品也將不斷出現在未來的現場應用中。