摘 要： 基于DSP和較新的自適應10M/100M嵌入式以太網(wǎng)控制器芯片LAN91C111，介紹了嵌入式系統(tǒng)的軟硬件實現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞： DSP LAN91C111 嵌入式以太網(wǎng)
電子設備日趨網(wǎng)絡化，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)絡設備中引入DSP技術(shù)，可以使嵌入式以太網(wǎng)變得更快、更便宜，也更容易進行功能擴充。
本設計給出了以TMS320LF2407和以太網(wǎng)控制器芯片LAN91C111為基礎的嵌入式系統(tǒng)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用系統(tǒng)設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。
(5)提前發(fā)送和接收功能。
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。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)部寄存器可通過對地址線A0、A1、A2和A3……的操作來訪問。地址總線A1~A15與DSP的A1~A15相連，A0沒有被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原理圖如圖3所示。
3 軟件設計
編寫控制以太網(wǎng)接口程序的步驟如下。
3.1 μC/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)，它是可移植、可裁減、可固化的占先式多任務操作系統(tǒng)，其大部分源碼由ANSI C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[ ]。
?、貽S_ CPU_ A.ASM文件包括4個子程序：OSStart-HighRdy、OSCtxsw、OSIntCtxSw和OSTickISR。函數(shù)OSStart-HighRdy( )被函數(shù)OSStart( )調(diào)用，用于運行優(yōu)先級最高的就緒任務；函數(shù)OSCtxSw( )被函數(shù)OS Sched( )調(diào)用，其功能是在任務級實現(xiàn)任務切換，任務切換用31號軟中斷來實現(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)生可能引起任務切換，在中斷服務程序的最后會調(diào)用函數(shù)OSIntExit( )來檢查任務就緒狀態(tài)，如果滿足任務切換條件(在最后一層中斷里，并有高優(yōu)先級任務就緒)，則OSIntExit( )調(diào)用此函數(shù)實現(xiàn)任務切換；時鐘節(jié)拍函數(shù)為OSTickISR( )，TMS320LF2407有4個通用定時器，其中斷優(yōu)先級由高到低分別為T1、T3、T2和T4，可根據(jù)實際需要選擇其中的一個來實現(xiàn)時鐘節(jié)拍。需要注意的是：調(diào)用OSIntEnter前不能開中斷。
?、贠S_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$$SAVE庫函數(shù)對任務堆棧進行初始化，被函數(shù)OSTaskCreate( )和OSTaskCreateExt( )所調(diào)用并返回任務堆棧初始化后的指針值。注意：2407A的堆棧與一般MCU不同，芯片本身的堆棧（以下簡稱 US）只有 8 級，無法作為系統(tǒng)堆棧使用，所以C編譯器將它內(nèi)部的2個寄存器AR0和AR1保留。AR1作為堆棧指針SP，AR0用做堆棧中臨時變量指針FP（在匯編程序中不要使用這2個寄存器，如果必須使用，要關(guān)中斷，并注意保存和恢復）。編譯器將函數(shù)和中斷壓進 US ，并將其返回地址彈出放在SP(AR1)指向的堆棧中，保留當前環(huán)境，不同的是函數(shù)只保留程序要使用的寄存器，中斷要調(diào)用 I$$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。
?、跲S_CPU.H文件：內(nèi)容可根據(jù)μC/OS-Ⅱ中80x86的內(nèi)容進行修改。
④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“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)容進行相應設置即可。至此，μC/OSⅡ在TMS320LF2407上的移植就完成了。
3.2 LAN91C111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)部的寄存器的值設置為缺省值，CPU根據(jù)需要設置它里面的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(設置MMUCOM寄存器，通常設置為0x0020)。MMU負責在控制器內(nèi)部的packet buffer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ALLOC INT位，直到該位被置為1，也可以設置中斷掩碼中的ALLOC INT位，然后等待硬件中斷，這時MMU已經(jīng)分配好存儲空間。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，設置Pointer寄存器(設置為TX、WR、AUTOINC，即0x4000)。然后將包的數(shù)據(jù)從upper layer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(設置MMUCOM寄存器，通常設置為Ox00C0)，該命令將Packet Number寄存器中的packet number拷貝到TX FIFO，說明發(fā)送的包已經(jīng)放入隊列中。同時設置傳輸控制寄存器中的TXENA位，啟動transmitter。到目前為止，DSP的設置工作已完成，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寫入相應的狀態(tài)字，然后將TX FIFO中的packet number移到TX completion FIFO，當TX completion FIFO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Packet Number，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(設置MMUCOM寄存器，設置為Ox00A0)，控制器將釋放發(fā)送包所使用的存儲空間，同時設置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Auto Release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。
TX INT：當TX completion FIFO不為空時置0；
TX EMPTY INT：當TX FIFO為空時置1；
AUTO RELEASE：如果置為1，發(fā)送包成功后，packet number不寫到TX completion FIFO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)送一個序列的包產(chǎn)生一個中斷”方案：允許TX EMPTY INT和TX INT，AUTO RELEASE=1，當發(fā)送完FIFO中的最后一個包后，產(chǎn)生TX EMPTY INT中斷。當發(fā)生嚴重的發(fā)送錯誤時，產(chǎn)生TX INT中斷，同時將發(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AUTO RELEASE=1時，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，byte count寫到第2個字。如果CRC校驗正確，則packet number被寫到RX FIFO。當RX FIFO非空時，產(chǎn)生RCV INT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(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。當處理結(jié)束時，DSP向處理器發(fā)布REMOVE AND RELEASE FROM TOP OF RX命令(即設置寄存器MMUCOM，設置為0x0060)，釋放使用的存儲空間和packet number。
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LAN 91C111具有很高的性價比，應用領(lǐng)域廣泛。本設計利用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)控嵌入式設備。
參考文獻
1 劉國福，張屺，廖巍.DSP與以太網(wǎng)卡的接口技術(shù)研究.電子技術(shù)應用，2001；27(1)
2 Richard S W著，范建華，胥光輝，張濤等譯.TCP/IP 詳解. 北京：機械工業(yè)出版社，2000
3 劉和平，嚴利平，張學鋒等.TMS320LF240xDSP結(jié)構(gòu)、原理及應用.北京：北京航空航天大學出版社，2002