引言
目前，隨著計算機技術、通信技術得飛速發(fā)展，使得使得我們通過計算機進行網絡互連的同時，許多領域的嵌入式設備如工業(yè)控制、數據采集、數控機床和智能儀表等也有接入網絡的需求。伴隨著信息家電出現，嵌入式設備的網絡化必將擁有更廣闊的發(fā)展前途。在這個過程里，首先要解決的問題使嵌入式設備如何實現網絡互連。
基于以太網技術的網絡化控制系統(tǒng)NCS（NetworkedControl System）是繼現場總線控制了當前通信技術中的以太網及網絡技術，很好地統(tǒng)一了底層的控制網絡協議，建立了良好的兼容接口，因此成為了當前及后工業(yè)控制領域應用和研究的熱點。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的發(fā)展與推廣使用，網絡節(jié)點在性能、成本、功耗和體積等方面都達到了令人滿意的效果，并對NCS 結構和應用產生了很大的影響。
本文主要基于S3C44B0X+uClinux 系統(tǒng)平臺開發(fā)出嵌入式以太網控制器，該方案和其它設計比較具有高性能、低功耗、軟硬件易擴展特點，是當前及今后工業(yè)以太網控制器的理想選擇方案。
1 嵌入式以太網控制器硬件設計
本文主要基于S3C44B0X+RTL8019AS 系統(tǒng)硬件平臺開發(fā)出嵌入式以太網控制器硬件平臺。
圖1 為嵌入式以太網控制器硬件設計原理圖。嵌入式以太網控制器的硬件設計主要有S3C44B0X 微處理器、以太網模塊、存儲器模塊、串口驅動模塊、電源模塊、復位和時鐘和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 提供了豐富的內置部件，包括：8 KB cache，內部SRAM，LCD 控制器，帶自動握手的2 通道UART，4 通道DMA，外部存儲器控制器（片選邏輯，FP/EDO/SDRAM 控制器），帶有PWM 功能的5 通道定時器，通用I/O 端口，實時時鐘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。本嵌入式以太網控制器設計選用它，能夠很好地滿足小型化、低功耗和低成本的要求。
1.2 以太網模塊
RTL8019AS 是高度集成以太網控制器，它能夠簡單的解答即插即用NE2000 兼容適配器，這種適配器具有二重和功率下降特性。
RTL8019AS 以太網控制器共有32 個輸入地址，對應地址偏移量為00h～1Fh，現分別說明如下：
?。?）00 h～0 Fh 的16 個地址，為寄存器地址。
?。?）10 h～17 h 的8 個地址，為數據讀寫端口地址。
?。?）18 h～1 Fh 的8 個地址，為復位端口。
2 嵌入式以太網控制器軟件設計
系統(tǒng)軟件平臺設計主要使用C語言和ARM匯編語言。系統(tǒng)軟件平臺設計主要包括3個方面：啟動引導程序Bootloader；建立μCLinux操作系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境；以太網模塊驅動程序的實現。
2.1 啟動引導程序Bootloader
引導程序Bootloader是在操作系統(tǒng)運行之前執(zhí)行的一段程序。它主要實現的功能包括：初始化CPU 運行的時鐘頻率；初始化Flash 和內存的數據寬度，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、片外設備和I/O 端口；初始化系統(tǒng)各種運行模式下的寄存器和堆棧；加載和引導μCLinux 操作系統(tǒng)。
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、強大的網絡和文件系統(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 驅動程序
設備驅動程序是操作系統(tǒng)內核和硬件之間的接口，它作為應用設備之間的軟件層， 為應用程序屏蔽了硬件的細節(jié)。
以太網模塊驅動程序屬于網絡驅動程序。嵌入式μCLinux網絡驅動程序的體系結構可以劃分為4層，即網絡協議接口層、網絡設備接口層、設備驅動功能層和網絡媒介層。在設計網絡驅動程序時，最主要的工作就是完成設備驅動功能層，使其滿足嵌入式設備的目標功能。完成設備驅動功能層主要有2 個步驟，RTL8019AS 的初始化和網絡數據包的發(fā)送和接收。
2.3.1 RTL8019AS 的初始化
為能夠準確無誤地接收和發(fā)送數據包，必須先對RTL8019AS進行初始化操作，其中包括數據配置寄存器OCR、發(fā)送配置寄存器PCR、接收配置寄存器RCR的、物理地址、數據包接收緩沖區(qū)和發(fā)送緩沖區(qū)的設置：當前頁面寄存器CURR的設置。RTL8019AS的初始化由函數void InitRTL8019AS（）來完成，此函數的設計流程如圖2所示。
2.3.2 RTL8019AS數據包的發(fā)送與接收
RTL8019AS以太網控制器發(fā)送數據包分兩步走，首先將數據從系統(tǒng)內存通過遠程DMA傳到RTL8019AS以太網控制器的發(fā)送緩沖區(qū)，然后本地DMA將數據傳到FIFO并發(fā)送出去。
RTL8019AS以太網控制器接收數據包時，RTL8019AS以太網控制器將網絡上的數據包接收，通過其本地DMA通道將接收到的數據包緩存于接收緩沖區(qū)中，再通過遠程DMA通道由主處理器將接收緩沖區(qū)的數據包經數據總線讀入內存單元以被程序使用。
2.3.3 編譯和測試RTL8019AS驅動程序
RTL8019AS驅動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宏修飾的函數會在模塊加載時被調用。
（2）網絡設備被檢測到以后，通過調用register_netdev（）函數在μCLinux系統(tǒng)中把該RTL8019AS網絡設備添加到系統(tǒng)的網絡設備鏈表的末尾。
（3）如果注冊成功，則網絡設備結構體中init成員函數被調用，對設備進行初始化。
最后我們得到zImage 內核壓縮文件。用引導程序Bootloader通過串口將zImage文件引導到S3C44B0X處理器上片外SDRAM上進行調試。
3 結語
嵌入式系統(tǒng)具有低功耗、可靠性高等突出優(yōu)點。采用嵌入式系統(tǒng)來設計和實現帶有以太網的工業(yè)控制系統(tǒng)，使得工業(yè)控制系統(tǒng)可靠性高、性能強、實時性好，將以太網接口集成與工業(yè)控制系統(tǒng)中，使得對工業(yè)控制系統(tǒng)的遠程控制和監(jiān)視變得簡單易行。因此，研制一個帶以太網接口的嵌入式工業(yè)控制系統(tǒng)具有重要的科學意義和價值。