嵌入式Internet以太網(wǎng)接口的設(shè)計與實現(xiàn) |
發(fā)布時間: 2012/9/5 18:28:28 |
在電子設(shè)備日趨網(wǎng)絡(luò)的背景下,目前廣泛使用的以太網(wǎng)及TCP/IP協(xié)議已經(jīng)成為事實上最常用的網(wǎng)絡(luò)標準之一,它的高速、可靠、分層及可擴充性使得它在各個領(lǐng)域的應(yīng)用越來越靈活,很多情況下運用以太網(wǎng)和TCP/IP能夠簡化結(jié)構(gòu)和降低成本。目前關(guān)于嵌入式以太網(wǎng)的設(shè)計方案不是很多,其中大多是基于單片機的,缺點是速度慢、成本太高。DSP作為一種特殊的嵌入式微處理器系統(tǒng),具有嵌入的協(xié)處理器和用于快速數(shù)據(jù)處理的并行數(shù)據(jù)通道,在嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中引入DSP技術(shù)可以使嵌入式以太網(wǎng)變得更快、更便宜、更容易進行功能擴充。本文介紹了基于TMS320LF2407型的嵌入式系統(tǒng)與LAN91C111型自適應(yīng)10Mb/s/100Mb/s嵌入式以太網(wǎng)控制芯片的接口電路和實現(xiàn)方法。 1 LAN91C111嵌入式以太網(wǎng)控制器芯片 LAN91C111是SMSC公司推出的為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的第三代快速以太網(wǎng)控制器。在LAN91C111芯片上集成了CSMA/CD協(xié)議的媒體層(MAC)和物理層(PHY),其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該以太網(wǎng)控制器的主要功能特性如下。 (1)自適應(yīng)地選擇傳輸速率,支持10M/100Mbps。 (2)8KB的內(nèi)部存儲器用于接收和發(fā)送的緩存。 (3)支持突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸。 (4)提前發(fā)送和接收功能。 (5)支持總線8位、16位和32位的CPU訪問。 該以太網(wǎng)控制器遵循的標準與協(xié)議為IEEE頒布的802.3以太網(wǎng)傳輸協(xié)議。8~32位數(shù)據(jù)總線接口單元由控制總線、地址總線和數(shù)據(jù)總線與外部的CPU控制芯片相連。該單元還集成了E2PROM接口,所有內(nèi)部寄存器的初始值可先放在E2PROM中,自舉時通過E2PROM接口輸入到芯片中,實現(xiàn)自動初始化?偩仲裁器(Arbiter)監(jiān)視以太網(wǎng)總線的數(shù)據(jù)交流情況,一旦發(fā)生阻塞,一方面通過總線接口單元與外部CPU聯(lián)系,另一方面控制內(nèi)存控制單元(MMU),實現(xiàn)總線數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)。內(nèi)存控制單元控制8KB動態(tài)SRAM的存儲情況,實現(xiàn)與DMA控制器之間的數(shù)據(jù)聯(lián)絡(luò)。DMA控制器與總線控制器一起控制數(shù)據(jù)在DMA與以太網(wǎng)協(xié)議處理器(EPH)之間的交換。由以太網(wǎng)協(xié)議處理器輸出的數(shù)據(jù)最終經(jīng)過10M/100M的物理層直接到達以太網(wǎng)總線。 2 硬件電路組成 出于性價比的考慮,采用了DSP控制器作為主CPU。TMS320LF2407是TI公司發(fā)布的240X系列中功能最強的一種控制器,有很大的存儲空間(高達32K字的Flash程序存儲器,可擴展外部64K字存儲器和64K字I/O尋址空間),非常適合于處理復雜的TCP/IP協(xié)議。 由于LAN91C111是為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計,其外圍電路相對比較簡單,其硬件接口框圖如圖2所示。LANC91C111內(nèi)部寄存器可通過地址線A0~A15來訪問。地址總線A1~A15與DSP的A1~A15相連,A0沒有被懸空;數(shù)據(jù)總線D0~D15與DSP的D0~D15相連,可以傳輸16位數(shù)據(jù)。D16~D32懸空(因為LF2407是16位數(shù)據(jù)總線);LAN91C111的片選信號AEN由DSP的外部I/O接口選通信號IS提供。二元件的讀電平RD和寫電平WR分別相連。LAN91C111端的中斷輸出信號INTR0送入DSP的外部中斷腳XINT1觸發(fā)中斷。TG110-S050N2是針對10M/100M以太網(wǎng)的變壓濾波器。LAN91C111模塊的Protel原理圖。 3 軟件設(shè)計 編寫控制以太網(wǎng)接口程序的步驟如下 3.1μC/OSⅡ?qū)崟r操作系統(tǒng)的移植 μC/OSⅡ是一種開放源碼的實時嵌入式操作系統(tǒng),具有很好的實時性。它是可移植、可裁減、可固化的占先式多任務(wù)操作系統(tǒng),其大部分源碼由ANSIC語言編寫。 移植工作包括以下幾個內(nèi)容: (1)用匯編語言改寫OS_CPU_A.ASM。 (2)用C語言改寫OS_CPU_C。C。 (3)編寫OS_CPU.H。 (4)適當處理OSMapTbl[]和OSUnMapTbl[]。 ①OS_CPU_A.ASM文件包括4個子程序:OSStart-HighRdy、OSCtxsw、OSIntCtxSw和OSTickISR。 1)OSStartHighRdy()函數(shù) 當程序執(zhí)行內(nèi)核的OSStart函數(shù)時,表示多任務(wù)系統(tǒng)開始啟動,OSStart函數(shù)將調(diào)用OSStartHighRdy函數(shù)從最高優(yōu)先級任務(wù)的TCB塊中獲得該任務(wù)的堆棧指針,通過該指針,依次從該任務(wù)的任務(wù)堆棧中恢復CPU的現(xiàn)場。由于任務(wù)在堆棧初始化時,已經(jīng)設(shè)定了彈出到程序指針寄存器PC的是該任務(wù)函數(shù)的入口地址,因此,OSStartHighRdy函數(shù)只需依次彈出任務(wù)棧內(nèi)容到處理起寄存器,該任務(wù)便將得以運行。 2)OSCtxSw()函數(shù) 該函數(shù)是任務(wù)級的上下文切換函數(shù),當任務(wù)被阻塞而主動請求CPU開始任務(wù)調(diào)度時執(zhí)行,其過程是將當前任務(wù)的的CPU現(xiàn)場保存到該任務(wù)堆棧中去,然后從OSTCBHighRdy中獲得更高優(yōu)先級任務(wù)的堆棧指針,再從該指針指向的堆棧中恢復此任務(wù)的CPU現(xiàn)場,使之繼續(xù)執(zhí)行,從而完成一次任務(wù)級別的切換。表2為OSCtxSw函數(shù)的偽代碼。 voidOSCtxSw(void){ 保存處理器寄存器;/*將欲掛起的任務(wù)的CPU寄存器壓入當前堆棧*/ OSTCBCur->OSTCBStkPtr=sp;/*OSTCBCur目前指向的是被打斷的任務(wù)TCB,此操作 將該任務(wù)的棧頂指針保存到其OSTCBStkPtr中去,便于下次恢復時從這里獲取棧頂指針*/ OSTCBCur=OSTCBHighRdy;/*OSTCBHighRdy指向的是就緒的高優(yōu)先級任務(wù)的TCB, 將其裝載到OSTCBCur中來*/ SP=OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr;/*取得就緒的高優(yōu)先級任務(wù)的棧頂指針*/ 恢復該任務(wù)的現(xiàn)場();/*于是便可通過剛?cè)〉玫臈m斨羔樆謴驮撊蝿?wù)*/ 執(zhí)行中斷返回指令;/*若OSCtxSw含有軟中斷指令則需中斷返回,本移植不使用軟中斷*/ } 表2OSCtxSw函數(shù)的偽代碼 3)OSIntCtxSw()函數(shù) 該函數(shù)用于中斷級的上下文切換。由于CPU響應(yīng)時鐘節(jié)拍中斷后,處理器從svc進入了irq模式,并進入時鐘節(jié)拍中斷服務(wù)函數(shù)OSTickISR,OSTickISR函數(shù)發(fā)現(xiàn)若有高優(yōu)先級任務(wù)需要運行,則系統(tǒng)不返回中斷前的任務(wù),而直接調(diào)度就緒的高優(yōu)先級任務(wù)使之盡快得到執(zhí)行,以保證實時性能。但是由于OSTickISR函數(shù)一開始已經(jīng)保存過任務(wù)中斷前的CPU現(xiàn)場,因此OSIntCtxSW()不需要再進行類似的操作。當OSTickISR調(diào)用OSIntExit函數(shù)找出需要運行的更高優(yōu)先級任務(wù)后,OSIntExit會將該任務(wù)的TCB指針放在OSTCBHighRdy中,然后OSIntExit在最后調(diào)用OSIntCtxSW函數(shù)來從OSTCBHighRdy中獲取堆棧指針然后恢復該高優(yōu)先級任務(wù)的現(xiàn)場,使得其繼續(xù)執(zhí)行,并不再返回時鐘節(jié)拍中斷服務(wù)程序。顯然,OSIntCtxSW函數(shù)的過程和OSCtxSW函數(shù)的后半部分操作相同,因此,OSCtxSW可以借用OSIntCtxSW的代碼。 4)OSTickISR()函數(shù) 在CPU響應(yīng)時鐘節(jié)拍中斷后,程序指針PC發(fā)生跳轉(zhuǎn)后進入該函數(shù),由于OSTickISR調(diào)用OSTimeTick函數(shù)使得所有的延時節(jié)拍不為0的任務(wù)延時節(jié)拍數(shù)減1,并調(diào)用OSIntExit函數(shù)來找出就緒的高優(yōu)先級任務(wù),若需要切換,則最后由OSIntCtxSw來完成新任務(wù)的調(diào)度,否則仍然返回到被時鐘節(jié)拍中斷的任務(wù)。 OS_CPU_C.C文件:本文件僅包括一個OSTaskStkInit()子程序。該函數(shù)模仿TI公司的I$SAVE庫函數(shù)對任務(wù)堆棧進行初始化,被函數(shù)OSTaskCreate()和OSTaskCreateExt()所調(diào)用并返回任務(wù)堆棧初始化后的指針值。注意:2407A的堆棧與一般MCU不同,芯片本身的堆棧(以下簡稱US)只有8級,無法作為系統(tǒng)堆棧使用,所以C編譯器將它內(nèi)部的2個寄存器AR0和AR1保留。AR1作為堆棧指針SP,AR0用做堆棧中臨時變量指針FP(在匯編程序中不要使用這2個寄存器,如果必須使用,要關(guān)中斷,并注意保存和恢復)。編譯器將函數(shù)和中斷壓進US,并將其返回地址彈出放在SP(AR1)指向的堆棧中,保留當前環(huán)境,不同的是函數(shù)只保留程序要使用的寄存器,中斷要調(diào)用I$SAVE保存所有寄存器,返回時要跳轉(zhuǎn)到(不是調(diào)用)I$REST(這2個函數(shù)可以在RTS.SRC中看到源代碼)恢復寄存器。這2個函數(shù)就像8086中的中斷進入和指令I(lǐng)RET,是移植的基礎(chǔ)。 OS_CPU.H文件:內(nèi)容可根據(jù)μC/OS-Ⅱ中80x86的內(nèi)容進行修改。 適當處理OSMapTbl[]和OSUnMapTbl[]:移植時還需要對μC/OSⅡ的OSMapTbl[]和OSUnMapTbl[]2個表進行適當處理,否則會出現(xiàn)尋址錯誤而使μC/OSⅡ無法正常運行,這是移植能否成功的重要因素之一。由于TMS320LF2407的存儲器采用的是哈佛結(jié)構(gòu),F(xiàn)lash存儲器(或外擴的ROM)位于程序區(qū),因此可按如下方法處理:將μC/OSⅡ中OSMapTbl[]和OSUnMapTbl[]的數(shù)據(jù)類型從“INT8Uconst”改為“INT8U”,并在鏈接器命令文件(.CMD)中將“.cinit”塊分配到Flash存儲器(或外擴的ROM)中,鏈接選項用“.C”(ROM初始化)。這樣,在程序運行時自動對數(shù)據(jù)區(qū)的RAM進行初始化,即運行時自動將“.cinit”塊中的數(shù)據(jù)復制到數(shù)據(jù)區(qū)的RAM中。 按需要配置OS_FG.H,修改CPU中斷向量表和外設(shè)向量表后,根據(jù)實際需要對其他文檔中的內(nèi)容進行相應(yīng)設(shè)置即可。至此,μC/OSⅡ在TMS320LF2407上的移植就完成了。 3.2LAN91C111的編程 對LAN91C111主要包括初始化、發(fā)送數(shù)據(jù)包和接收數(shù)據(jù)包三部分。 3.2.1初始化 上電后,LAN91C111內(nèi)部的寄存器的值設(shè)置為缺省值,CPU根據(jù)需要設(shè)置它里面的Configuration、Base和IndividualAddress寄存器,以保證它正常工作。 3.2.2發(fā)送數(shù)據(jù)包流程 (1)DSP向控制器發(fā)送ALLOCATEMEMORY命令(設(shè)置MMUCOM寄存器,通常設(shè)置為0x0020)。MMU負責在控制器內(nèi)部的packetbuffer中為待發(fā)送的包分配存儲空間。 (2)DSP查詢中斷狀態(tài)寄存器中的ALLOCINT位,直到該位被置為1,也可以設(shè)置中斷掩碼中的ALLOCINT位,然后等待硬件中斷,這時MMU已經(jīng)分配好存儲空間。而且TXpacketnumber放在AllocationResult寄存器中。 (3)將AllocationResult寄存器中的packetNumber拷貝到PacketNUMBER寄存器中,設(shè)置Pointer寄存器(設(shè)置為TX、WR、AUTOINC,即0x4000)。然后將包的數(shù)據(jù)從upperlayer發(fā)送隊列傳送到控制器的數(shù)據(jù)寄存器。要求依次寫人StatusWord、ByteCount、destinationaddress、sourceaddress、packetsize、packetdata和controlword。 (4)DSP向控制器發(fā)送“ENQUEUEPACKETNUMBERTOTXFIFO”命令(設(shè)置MMUCOM寄存器,通常設(shè)置為Ox00C0),該命令將PacketNumber寄存器中的packetnumber拷貝到TXFIFO,說明發(fā)送的包已經(jīng)放入隊列中。同時設(shè)置傳輸控制寄存器中的TXENA位,啟動transmitter。到目前為止,DSP的設(shè)置工作已完成,它可以空閑,直到接收到一個控制器產(chǎn)生的發(fā)送中斷。 (5)當控制器傳送完包以后,內(nèi)存中的第1個字(16位)被CSMA/CD寫入相應(yīng)的狀態(tài)字,然后將TXFIFO中的packetnumber移到TXcompletionFIFO,當TXcompletionFIFO不為空時產(chǎn)生中斷。 (6)DSP接收到中斷后,開始執(zhí)行中斷處理程序,它讀入中斷狀態(tài)寄存器,如果產(chǎn)生發(fā)送中斷,則從FIFO端口寄存器讀入發(fā)送包的PacketNumber,并將它寫入Packet Number寄存器。然后從內(nèi)存中讀入狀態(tài)字(包括設(shè)置Pointer寄存器為TX、RD、AUTOINC,即0x6000,然后從數(shù)據(jù)寄存器中讀入包的狀態(tài)字),它是EPH寄存器的鏡像,根據(jù)狀態(tài)字判斷包發(fā)送是否成功。如果成功則DSP向控制器發(fā)布RELEASE命令(設(shè)置MMUCOM寄存器,設(shè)置為Ox00A0),控制器將釋放發(fā)送包所使用的存儲空間,同時設(shè)置TXINTAcknowledge寄存器,它將TXcompletionFIFO中的packetnumber清除。有二種產(chǎn)生發(fā)送中斷的方案:①每發(fā)送一個包產(chǎn)生一個中斷。②每發(fā)送一個序列的包產(chǎn)生一個中斷。通過控制寄存器的AutoRelease位來選擇這二種方案,而且這二種方案所使用的發(fā)送中斷位也有所不同。 TXINT:當TXcompletionFIFO不為空時置0; TXEMPTYINT:當TXFIFO為空時置1; AUTORELEASE:如果置為1,發(fā)送包成功后,packetnumber不寫到TXcompletionFIFO中,而且它所使用的存儲空間被自動釋放。 (7)選擇使用“每發(fā)送一個包產(chǎn)生一個中斷”方案:允許TXINT中斷,AUTORELEASE=0,這種方案的流程如上所示。 (8)選擇使用“每發(fā)送一個序列的包產(chǎn)生一個中斷”方案:允許TXEMPTYINT和TXINT,AUTORELEASE=1,當發(fā)送完FIFO中的最后一個包后,產(chǎn)生TXEMPTYINT中斷。當發(fā)生嚴重的發(fā)送錯誤時,產(chǎn)生TXINT中斷,同時將發(fā)送失敗的包的packetnumber保存到FIFOPorts寄存器,這樣DSP就可以知道發(fā)送過程停止了。該方案可以減少DSP的負擔,而且存儲空間的釋放也更迅速。當AUTORELEASE=1時,DSP不能得到成功發(fā)送包的packetnumber。 3.2.3接收數(shù)據(jù)包流程 (1)DSP設(shè)置接收控制寄存器中的RXEN位,允許接收包。 (2)含有正確地址的包被接收到,從MMU請求存儲空間,并分派一個packetnumber,內(nèi)部的DMA邏輯產(chǎn)生連續(xù)的地址,并將接收到的字寫到內(nèi)存中。如果超界,則包被丟棄,存儲空間被釋放。當檢測到包結(jié)束時,狀態(tài)字被寫到接收包的最前面,bytecount寫到第2個字。如果CRC校驗正確,則packetnumber被寫到RXFIFO。當RXFIFO非空時,產(chǎn)生RCVINT中斷;如果CRC校驗不正確,則存儲空間被釋放,而且不產(chǎn)生中斷。 (3)DSP接收到中斷后開始執(zhí)行中斷處理程序,它讀入中斷狀態(tài)寄存器,如果產(chǎn)生接收中斷(RCVINT位為1),則可以從FIFO端口寄存器得到接收的包的packetnumber,而且可以從數(shù)據(jù)寄存器將接收包傳送到DSP的內(nèi)存或外存中。當處理結(jié)束時,DSP向處理器發(fā)布REMOVEANDRELEASEFROMTOPOFRX命令(即設(shè)置寄存器MMUCOM,設(shè)置為0x0060),釋放使用的存儲空間和packetnumber。 4結(jié)束語 對以太網(wǎng)和快速以太網(wǎng)的自動協(xié)商模式使LAN91C111具有很高的性價比,應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。本設(shè)計利用LAN91C111和DSP芯片組成嵌入式以太網(wǎng)通信系統(tǒng),能夠正確地接入快速以太網(wǎng),具備10M/100Mbps、全雙工/半雙工自適應(yīng)等多種功能,符合IEEE802.3/802.3u-100Base-TX/lOBase-T規(guī)范,實現(xiàn)的嵌入式以太網(wǎng)接口支持RJ45和以太網(wǎng)的連接,可以通過以太網(wǎng)接入Internet,以實現(xiàn)從Internet上監(jiān)控嵌入式設(shè)備。 本文出自:億恩科技【mszdt.com】 服務(wù)器租用/服務(wù)器托管中國五強!虛擬主機域名注冊頂級提供商!15年品質(zhì)保障!--億恩科技[ENKJ.COM] |