摘 要： 基于DSP和較新的自適應(yīng)10M/100M嵌入式以太網(wǎng)控制器芯片LAN91C111，介紹了嵌入式系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞： DSP LAN91C111 嵌入式以太網(wǎng)
電子設(shè)備日趨網(wǎng)絡(luò)化，DSP芯片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，也更容易進(jìn)行功能擴(kuò)充。
本設(shè)計(jì)給出了以TMS320LF2407和以太網(wǎng)控制器芯片LAN91C111為基礎(chǔ)的嵌入式系統(tǒng)的接口電路和實(shí)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(jì)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)支持突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸。
(3)8KB的內(nèi)部存儲(chǔ)器用于接收和發(fā)送的緩存。
(4)支持總線8位、16位和32位的CPU訪問(wèn)。
(5)提前發(fā)送和接收功能。
該以太網(wǎng)控制器遵循的標(biāo)準(zhǔn)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(shí)通過(guò)E2PROM接口輸入到芯片中，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(guò)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(shí)現(xiàn)總線數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)。內(nèi)存控制單元控制8KB動(dòng)態(tài)SRAM的存儲(chǔ)情況，實(shí)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(guò)10M/100M的物理層直接到達(dá)以太網(wǎng)總線。
2 硬件電路組成
出于性?xún)r(jià)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(qiáng)的一種控制器，有很大的存儲(chǔ)空間(高達(dá)32K字的Flash程序存儲(chǔ)器，可擴(kuò)展外部64K字存儲(chǔ)器和64K字I/O尋址空間），非常適合于處理復(fù)雜的TCP/IP協(xié)議。
由于LAN91C111是為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其外圍電路相對(duì)比較簡(jiǎn)單，其硬件接口框圖如圖2所示。LANC91C111內(nèi)部寄存器可通過(guò)對(duì)地址線A0、A1、A2和A3……的操作來(lái)訪問(wèn)。地址總線A1~A15與DSP的A1~A15相連，A0沒(méi)有被LAN91C111使用(懸空)；數(shù)據(jù)總線D0~D15與DSP的D0~D15相連，用于16位數(shù)據(jù)傳輸。LAN91C111端D16~D32懸空(因?yàn)長(zhǎng)F2407是16位數(shù)據(jù)總線)；LAN91C111的片選信號(hào)AEN由DSP的外部I/O接口選通信號(hào)IS提供。二元件的讀電平RD和寫(xiě)電平WR分別相連。LAN91C111端的中斷輸出信號(hào)INTR0送入DSP的外部中斷腳XINT1 觸發(fā)中斷。TG110-S050N2是針對(duì)10M/100M以太網(wǎng)的變壓濾波器。LAN91C111模塊的Protel原理圖如圖3所示。
3 軟件設(shè)計(jì)
編寫(xiě)控制以太網(wǎng)接口程序的步驟如下。
3.1 μC/OSⅡ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)的移植
μC/OSⅡ是一種開(kāi)放源碼的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，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ANSI C語(yǔ)言編寫(xiě)。
移植工作包括以下幾個(gè)內(nèi)容：(1)用匯編語(yǔ)言改寫(xiě)OS_ CPU_ A.ASM。(2)用Ｃ語(yǔ)言改寫(xiě)OS_CPU_Ｃ.C。(3)編寫(xiě)OS_ CPU.H。(4)適當(dāng)處理OSMapTbl[ ]和OSUnMapTbl[ ]。
①OS_ CPU_ A.ASM文件包括4個(gè)子程序：OSStart-HighRdy、OSCtxsw、OSIntCtxSw和OSTickISR。函數(shù)OSStart-HighRdy( )被函數(shù)OSStart( )調(diào)用，用于運(yùn)行優(yōu)先級(jí)最高的就緒任務(wù)；函數(shù)OSCtxSw( )被函數(shù)OS Sched( )調(diào)用，其功能是在任務(wù)級(jí)實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換，任務(wù)切換用31號(hào)軟中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)；函數(shù)OSIntCtxSw( )只能在中斷子程序里被函數(shù)OSIntExit( )調(diào)用，由于中斷的產(chǎn)生可能引起任務(wù)切換，在中斷服務(wù)程序的最后會(huì)調(diào)用函數(shù)OSIntExit( )來(lái)檢查任務(wù)就緒狀態(tài)，如果滿足任務(wù)切換條件(在最后一層中斷里，并有高優(yōu)先級(jí)任務(wù)就緒)，則OSIntExit( )調(diào)用此函數(shù)實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換；時(shí)鐘節(jié)拍函數(shù)為OSTickISR( )，TMS320LF2407有4個(gè)通用定時(shí)器，其中斷優(yōu)先級(jí)由高到低分別為T(mén)1、T3、T2和T4，可根據(jù)實(shí)際需要選擇其中的一個(gè)來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘節(jié)拍。需要注意的是：調(diào)用OSIntEnter前不能開(kāi)中斷。
?、贠S_CPU_C.C文件：本文件僅包括一個(gè)OSTaskStkInit( )子程序。該函數(shù)模仿TI公司的I$$SAVE庫(kù)函數(shù)對(duì)任務(wù)堆棧進(jìn)行初始化，被函數(shù)OSTaskCreate( )和OSTaskCreateExt( )所調(diào)用并返回任務(wù)堆棧初始化后的指針值。注意：2407A的堆棧與一般MCU不同，芯片本身的堆棧（以下簡(jiǎn)稱(chēng) US）只有 8 級(jí)，無(wú)法作為系統(tǒng)堆棧使用，所以C編譯器將它內(nèi)部的2個(gè)寄存器AR0和AR1保留。AR1作為堆棧指針SP，AR0用做堆棧中臨時(shí)變量指針FP（在匯編程序中不要使用這2個(gè)寄存器，如果必須使用，要關(guān)中斷，并注意保存和恢復(fù)）。編譯器將函數(shù)和中斷壓進(jìn) US ，并將其返回地址彈出放在SP(AR1)指向的堆棧中，保留當(dāng)前環(huán)境，不同的是函數(shù)只保留程序要使用的寄存器，中斷要調(diào)用 I$$SAVE 保存所有寄存器，返回時(shí)要跳轉(zhuǎn)到(不是調(diào)用)I$$REST(這2個(gè)函數(shù)可以在RTS.SRC中看到源代碼)恢復(fù)寄存器。這2個(gè)函數(shù)就像8086中的中斷進(jìn)入和指令I(lǐng)RET，是移植的基礎(chǔ)。
?、跲S_CPU.H文件：內(nèi)容可根據(jù)μC/OS-Ⅱ中80x86的內(nèi)容進(jìn)行修改。
?、苓m當(dāng)處理OSMapTbl[ ]和OSUnMapTbl[ ]：移植時(shí)還需要對(duì)μC/OSⅡ的OSMapTbl[ ]和OSUnMapTbl[ ]2個(gè)表進(jìn)行適當(dāng)處理，否則會(huì)出現(xiàn)尋址錯(cuò)誤而使μC/OSⅡ無(wú)法正常運(yùn)行，這是移植能否成功的重要因素之一。由于TMS320LF2407的存儲(chǔ)器采用的是哈佛結(jié)構(gòu)，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器(或外擴(kuò)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(lèi)型從“INT8U const”改為“INT8U”，并在鏈接器命令文件(.CMD)中將“.cinit”塊分配到Flash存儲(chǔ)器(或外擴(kuò)的ROM)中，鏈接選項(xiàng)用“.C”(ROM初始化)。這樣，在程序運(yùn)行時(shí)自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)區(qū)的RAM進(jìn)行初始化，即運(yùn)行時(shí)自動(dòng)將“.cinit”塊中的數(shù)據(jù)復(fù)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(shí)際需要對(duì)其他文檔中的內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置即可。至此，μC/OSⅡ在TMS320LF2407上的移植就完成了。
3.2 LAN91C111的編程
對(duì)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Individual Address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ALLOCATE MEMORY命令(設(shè)置MMUCOM寄存器，通常設(shè)置為0x0020)。MMU負(fù)責(zé)在控制器內(nèi)部的packet buffer中為待發(fā)送的包分配存儲(chǔ)空間。
(2)DSP查詢(xún)中斷狀態(tài)寄存器中的ALLOC INT位，直到該位被置為1，也可以設(shè)置中斷掩碼中的ALLOC INT位，然后等待硬件中斷，這時(shí)MMU已經(jīng)分配好存儲(chǔ)空間。而且TX packet number放在Allocation Result寄存器中。
(3)將Allocation Result寄存器中的packet number拷貝到Packet Number寄存器中，設(shè)置Pointer寄存器(設(shè)置為T(mén)X、WR、AUTOINC，即0x4000)。然后將包的數(shù)據(jù)從upper layer發(fā)送隊(duì)列傳送到控制器的數(shù)據(jù)寄存器。要求依次寫(xiě)人Status Word、Byte Count、destination address、source address、packet size、packet data和control word。
(4)DSP向控制器發(fā)送“ENQUEUE PACKET NUMBER TO TX FIFO”命令(設(shè)置MMUCOM寄存器，通常設(shè)置為Ox00C0)，該命令將Packet Number寄存器中的packet number拷貝到TX FIFO，說(shuō)明發(fā)送的包已經(jīng)放入隊(duì)列中。同時(shí)設(shè)置傳輸控制寄存器中的TXENA位，啟動(dòng)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(gè)控制器產(chǎn)生的發(fā)送中斷。
(5)當(dāng)控制器傳送完包以后，內(nèi)存中的第1個(gè)字(16位)被CSMA/CD寫(xiě)入相應(yīng)的狀態(tài)字，然后將TX FIFO中的packet number移到TX completion FIFO，當(dāng)TX completion FIFO不為空時(shí)產(chǎn)生中斷。
(6)DSP接收到中斷后，開(kāi)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Packet Number，并將它寫(xiě)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T(mén)X、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(chǔ)空間，同時(shí)設(shè)置TX INT Acknowledge寄存器，它將TX completion FIFO中的packet number清除。有二種產(chǎn)生發(fā)送中斷的方案：①每發(fā)送一個(gè)包產(chǎn)生一個(gè)中斷。②每發(fā)送一個(gè)序列的包產(chǎn)生一個(gè)中斷。通過(guò)控制寄存器的Auto Release位來(lái)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。
TX INT：當(dāng)TX completion FIFO不為空時(shí)置0；
TX EMPTY INT：當(dāng)TX FIFO為空時(shí)置1；
AUTO RELEASE：如果置為1，發(fā)送包成功后，packet number不寫(xiě)到TX completion FIFO中，而且它所使用的存儲(chǔ)空間被自動(dòng)釋放。
(7)選擇使用“每發(fā)送一個(gè)包產(chǎn)生一個(gè)中斷”方案：允許TX INT中斷，AUTO RELEASE=0，這種方案的流程如上所示。
(8)選擇使用“每發(fā)送一個(gè)序列的包產(chǎn)生一個(gè)中斷”方案：允許TX EMPTY INT和TX INT，AUTO RELEASE=1，當(dāng)發(fā)送完FIFO中的最后一個(gè)包后，產(chǎn)生TX EMPTY INT中斷。當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重的發(fā)送錯(cuò)誤時(shí)，產(chǎn)生TX INT中斷，同時(shí)將發(fā)送失敗的包的packet number保存到FIFO Ports寄存器，這樣DSP就可以知道發(fā)送過(guò)程停止了。該方案可以減少DSP的負(fù)擔(dān)，而且存儲(chǔ)空間的釋放也更迅速。當(dāng)AUTO RELEASE=1時(shí)，DSP不能得到成功發(fā)送包的packet number。
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(qǐng)求存儲(chǔ)空間，并分派一個(gè)packet number，內(nèi)部的DMA邏輯產(chǎn)生連續(xù)的地址，并將接收到的字寫(xiě)到內(nèi)存中。如果超界，則包被丟棄，存儲(chǔ)空間被釋放。當(dāng)檢測(cè)到包結(jié)束時(shí)，狀態(tài)字被寫(xiě)到接收包的最前面，byte count寫(xiě)到第2個(gè)字。如果CRC校驗(yàn)正確，則packet number被寫(xiě)到RX FIFO。當(dāng)RX FIFO非空時(shí)，產(chǎn)生RCV INT中斷；如果CRC校驗(yàn)不正確，則存儲(chǔ)空間被釋放，而且不產(chǎn)生中斷。
(3)DSP接收到中斷后開(kāi)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(RCV INT位為1)，則可以從FIFO端口寄存器得到接收的包的packet number，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(dāng)處理結(jié)束時(shí)，DSP向處理器發(fā)布REMOVE AND RELEASE FROM TOP OF RX命令(即設(shè)置寄存器MMUCOM，設(shè)置為0x0060)，釋放使用的存儲(chǔ)空間和packet number。
4 結(jié)束語(yǔ)
對(duì)以太網(wǎng)和快速以太網(wǎng)的自動(dòng)協(xié)商模式使LAN 91C111具有很高的性?xún)r(jià)比，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。本設(shè)計(jì)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(shí)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(guò)以太網(wǎng)接入Internet，以實(shí)現(xiàn)從Internet上監(jiān)控嵌入式設(shè)備。
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