在諸多應(yīng)用中[1]都需要對(duì)終端提供大量數(shù)據(jù)流[2]。使用數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行傳輸能夠根據(jù)終端需求動(dòng)態(tài)提供數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)能夠針對(duì)不同終端的接口時(shí)序進(jìn)行靈活調(diào)整[3]。本設(shè)計(jì)提出一種基于TCP/IP通信協(xié)議、使用以太網(wǎng)控制器芯片W5100與ARM內(nèi)核芯片實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。本系統(tǒng)能夠?qū)C上的文件數(shù)據(jù)連續(xù)地傳輸給終端，并且針對(duì)終端接口的多樣性特點(diǎn)，能夠通過(guò)簡(jiǎn)單的編程進(jìn)行調(diào)整，以完成相同的數(shù)據(jù)傳輸功能。本文針對(duì)終端具有數(shù)據(jù)緩沖隊(duì)列FIFO的情況闡述本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、接口時(shí)序以及軟件流程。對(duì)于不同終端，本系統(tǒng)只需經(jīng)過(guò)少量的軟件修改就可達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康亍?br/>

1 以太網(wǎng)控制器芯片W5100
    以太網(wǎng)控制芯片W5100是WIZnet公司推出的一款單片網(wǎng)絡(luò)接口芯片[4]。W5100內(nèi)部集成了傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層TCP/IP協(xié)議棧與數(shù)據(jù)鏈路層及介質(zhì)訪問(wèn)子層MAC協(xié)議。這使得通過(guò)W5100進(jìn)行以太網(wǎng)通信時(shí)，各層協(xié)議對(duì)設(shè)計(jì)者而言都是透明的。設(shè)計(jì)者不需要借助操作系統(tǒng)，只需要通過(guò)W5100的地址線、數(shù)據(jù)線對(duì)其內(nèi)部寄存器進(jìn)行簡(jiǎn)單的讀寫訪問(wèn)，就能靈活方便地控制W5100進(jìn)行以太網(wǎng)通信。W5100還集成了物理層PHY并支持信號(hào)極性自適應(yīng)，這使得在硬件設(shè)計(jì)中，只需要在W5100外部使用一個(gè)帶有網(wǎng)絡(luò)變壓器的RJ45座HR911103C，就可以實(shí)現(xiàn)其與PC通信。故本設(shè)計(jì)中選擇W5100實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信，既保證了接口簡(jiǎn)單，又使得開(kāi)發(fā)周期短。
    本設(shè)計(jì)中，對(duì)W5100供給3.3 V與1.8 V兩種電源電壓。為了保證信號(hào)完整性，降低干擾，兩種電源電壓分別劃分為數(shù)字網(wǎng)絡(luò)與模擬網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)之間使用電感隔離；其地平面也分為數(shù)字地與模擬地，網(wǎng)絡(luò)之間使用鐵心磁珠隔離。W5100使用直接總線連接模式，其15 bit地址線與8 bit數(shù)據(jù)線與ARM芯片的通用I/O連接；W5100的控制線/CS、/WR、/RD、/RESET也直接與ARM芯片的通用I/O連接。由此實(shí)現(xiàn)ARM芯片對(duì)W5100的控制。W5100的SPI接口中的SEN、SCLK、MISO接固定電壓數(shù)字0 V，/SCS接固定電壓數(shù)字3.3 V，MISO保持懸空，由此屏蔽SPI接口。
2 ARM內(nèi)核芯片AT91SAM7SE
    AT91SAM7SE是Atmel公司的一款基于ARM7內(nèi)核的處理器[5]。在本系統(tǒng)中，其作為MCU，完成對(duì)W5100一側(cè)的讀寫訪問(wèn)，并完成對(duì)終端一側(cè)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。AT91SAM7SE具有豐富的通用I/O管腳，能保證整個(gè)系統(tǒng)的靈活性。AT91SAM7SE使用 55.296 MHz作為主時(shí)鐘MCK、處理器時(shí)鐘PCK。
3 硬件設(shè)計(jì)與接口時(shí)序
3.1 硬件設(shè)計(jì)
    W5100與AT91SAM7SE在硬件設(shè)計(jì)中采用直接總線連接模式，可以同時(shí)兼容間接總線連接模式。這樣設(shè)計(jì)是為了能夠在連續(xù)訪問(wèn)發(fā)送存儲(chǔ)器、接收存儲(chǔ)器時(shí)工作于間接總線模式，使用W5100的地址自增功能；并且在非連續(xù)訪問(wèn)時(shí)工作于直接總線模式，減少讀寫時(shí)序，以提高傳輸速率。
    AT91SAM7SE與W5100之間的接口、AT91SAM7SE與終端之間的接口以及硬件設(shè)計(jì)的總體框圖如圖1所示。

3.2 AT91SAM7SE與W5100間接口時(shí)序
    當(dāng)AT91SAM7SE在/RESET線上輸出低電平2 ?滋s及以上時(shí)，W5100被復(fù)位，其公共寄存器、各端口寄存器都恢復(fù)初始值。本設(shè)計(jì)中/CS始終同步于/WR和/RD選中W5100。/WR、/RD與DATA[7:0]、ADDR[14:2]、ADDR[1:0]構(gòu)成讀寫時(shí)序，完成對(duì)W5100片內(nèi)寄存器、存儲(chǔ)器的訪問(wèn)，/WR與/RD同時(shí)只能有一個(gè)有效。W5100可以工作于兩種總線模式下。
3.2.1 間接總線模式
    當(dāng)AT91SAM7SE連續(xù)訪問(wèn)W5100發(fā)送存儲(chǔ)器、接收存儲(chǔ)器時(shí)，W5100工作在間接總線模式下，其地址線ADDR[14:2]穩(wěn)定輸出0。AT91SAM7SE首先在地址線ADDR[1:0]輸出01，選中W5100間接總線模式地址寄存器IDM_AR0；然后在數(shù)據(jù)線DATA[7:0]輸出需要訪問(wèn)的W5100存儲(chǔ)器地址高7位AH，接著/WR與/CS輸出下降沿將AH寫入IDM_AR0；之后AT91SAM7SE再將需要訪問(wèn)的W5100存儲(chǔ)器地址低8位AL以同樣方式寫入間接總線模式地址寄存器IDM_AR1；最后，通過(guò)/CS與/WR(或與/RD)連續(xù)輸出下降沿，連續(xù)訪問(wèn)間接總線模式數(shù)據(jù)寄存器IDM_DR。間接總線模式地址寄存器IDM_AR0與IDM_AR1值的自增以及間接總線模式數(shù)據(jù)寄存器IDM_DR值的變化同步于/WR或/RD的下降沿。AT91S-
    AM7SE在間接總線模式下連續(xù)訪問(wèn)W5100的存儲(chǔ)器時(shí)序如圖2、圖3所示。

3.2.2 直接總線模式
    當(dāng)AT91SAM7SE訪問(wèn)W5100模式寄存器、端口寄存器時(shí)，W5100工作在直接總線模式下，其15 bit地址線ADDR[14:0]直接選中各個(gè)寄存器。然后通過(guò)/CS與/WR(或與/RD)輸出下降沿實(shí)現(xiàn)訪問(wèn)。
3.2.3 間接總線模式與直接總線模式對(duì)比
      訪問(wèn)單一存儲(chǔ)器時(shí)，使用間接總線模式需要3個(gè)總線時(shí)序，使用直接總線模式只需要一個(gè)總線時(shí)序。連續(xù)訪問(wèn)存儲(chǔ)器時(shí)，使用地址自增功能，能夠使得訪問(wèn)一個(gè)地址平均花費(fèi)大約一個(gè)總線時(shí)序。雖然在間接總線模式下使用地址自增功能時(shí)，平均訪問(wèn)一個(gè)地址仍然不會(huì)花費(fèi)少于一個(gè)總線時(shí)序，但是在連續(xù)訪問(wèn)時(shí)，AT91SAM7SE不需要在其通用I/O上準(zhǔn)備每一個(gè)需要訪問(wèn)的W5100的存儲(chǔ)器地址，在連續(xù)訪問(wèn)開(kāi)始后ADDR[1:0]的值是固定為11，因此平均花費(fèi)在一個(gè)總線時(shí)序上的指令條數(shù)有所減少。所以當(dāng)AT91SAM7SE配置為W5100工作模式、端口模式來(lái)讀取和更新端口信息時(shí)，使用直接總線模式以減少總線時(shí)序次數(shù)；當(dāng)AT91SAM7SE讀取、寫入TCP數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)時(shí)，使用間接總線模式以減少總線時(shí)序中的平均指令數(shù)。
3.3 AT91SAM7SE與終端間接口時(shí)序
    AT91SAM7SE將從W5100接收存儲(chǔ)器中取回的TCP數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)先緩存在片內(nèi)，再轉(zhuǎn)發(fā)給終端?？紤]到本設(shè)計(jì)終端具有數(shù)據(jù)緩沖隊(duì)列FIFO，所以只使用RESET、CS、BLOCK、WR、DATA[31:0]信號(hào)線。當(dāng)終端具有存儲(chǔ)器空間時(shí)，還需要使用ADDRESS信號(hào)線。根據(jù)終端接口的不同，可以對(duì)AT91SAM7SE編程，使其生成匹配的接口時(shí)序。由于選擇了ARM內(nèi)核的芯片作為MCU完成存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)功能，所以能夠保證編程簡(jiǎn)便，易于經(jīng)過(guò)少量修改而匹配各種終端的接口時(shí)序，使得代碼的重用性強(qiáng)。本設(shè)計(jì)中，RESET輸出高電平時(shí)清空FIFO；CS實(shí)現(xiàn)對(duì)終端的片選。當(dāng)FIFO空時(shí)，BLOCK信號(hào)無(wú)效，指示AT91SAM7SE可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)；當(dāng)FIFO趨近于滿時(shí)，終端給出指示信號(hào)BLOCK，阻塞AT91SAM7SE，使其停止轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)中，AT91SAM7SE在WR的每一次上升沿將TCP數(shù)據(jù)段中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到DATA[31:0]。由于AT91SAM7SE編程靈活，通用I/O管腳豐富，故可以重用于對(duì)各種終端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
4 軟件流程
    在本設(shè)計(jì)中，AT91SAM7SE作為W5100的控制芯片，控制其工作在TCP/IP協(xié)議下，并作為服務(wù)器模式端SERVER。而客戶模式端CLIENT由PC機(jī)充當(dāng)，PC運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，使用套接字Socket編程。由于PC通過(guò)本系統(tǒng)向終端傳輸大量數(shù)據(jù)流，這些數(shù)據(jù)不經(jīng)過(guò)路由，獨(dú)享信道，所以不會(huì)出現(xiàn)路由擁塞而導(dǎo)致分組被丟棄的情況。因此，本設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了關(guān)于分組超時(shí)的檢測(cè)，使用AT91SAM7SE查詢W5100端口狀態(tài)寄存器Sn_SR及其他端口寄存器的方式來(lái)獲知通信所處的狀態(tài)，并使用寫端口命令寄存器Sn_CR的方式來(lái)控制通信進(jìn)程。圖4描述了PC通過(guò)本系統(tǒng)向終端傳輸數(shù)據(jù)的流程。

    PC上的Socket程序非常簡(jiǎn)單，只需要調(diào)用最基本的文件操作函數(shù)與Socket函數(shù)就能實(shí)現(xiàn)端口連接與文件傳輸。AT91SAM7SE上程序流程細(xì)節(jié)如下。
    (1)上電，復(fù)位：AT91SAM7SE開(kāi)始執(zhí)行程序。
    (2)芯片初始化：配置AT91SAM7SE時(shí)鐘模塊、PIO模塊等。
    (3)配置W5100：配置W5100的公共寄存器，設(shè)置IP地址、子網(wǎng)掩碼、MAC地址等。
    (4)配置TCP端口：配置端口寄存器，使端口工作于TCP模式，設(shè)置端口號(hào)等。
    (5)等待建立連接：寫端口命令寄存器，使端口處于等待PC發(fā)起連接的狀態(tài)。
    (6)監(jiān)聽(tīng)是否建立連接：輪詢端口狀態(tài)寄存器,循環(huán)等待端口與PC建立連接。
    (7)監(jiān)聽(tīng)是否接收到TCP數(shù)據(jù)段：輪詢端口接收數(shù)據(jù)長(zhǎng)度寄存器，循環(huán)等待W5100從PC接收到TCP數(shù)據(jù)段。
    (8)檢查是否為最末TCP數(shù)據(jù)段：查詢端口狀態(tài)寄存器，檢測(cè)當(dāng)前狀態(tài)，判斷其是否為最末TCP數(shù)據(jù)段。
    (9)緩存TCP數(shù)據(jù)段中數(shù)據(jù)：訪問(wèn)接收數(shù)據(jù)長(zhǎng)度寄存器、端口讀指針寄存器等，計(jì)算數(shù)據(jù)讀取位置等參數(shù)，將接收到的TCP數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)以1 B為單位緩存在片上。
    (10)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)：將緩存在AT91SAM7SE片上的數(shù)據(jù)以4 B為單位向終端FIFO轉(zhuǎn)發(fā)。
    (11)斷開(kāi)連接，關(guān)閉TCP端口：寫端口命令寄存器，使端口關(guān)閉，斷開(kāi)與PC的連接。
    其中步驟(9)需要訪問(wèn)各寄存器，還需要通過(guò)間接總線模式數(shù)據(jù)寄存器連續(xù)訪問(wèn)接收存儲(chǔ)器。本設(shè)計(jì)中采用直接總線模式和間接總線模式相配合的方式，完成對(duì)TCP數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)的讀取，步驟如下：
    ①在直接總線模式下訪問(wèn)各寄存器。
    ②計(jì)算參數(shù)，獲得TCP數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)在接收存儲(chǔ)器中的地址。
    ③切換至間接總線模式，開(kāi)啟地址自增功能。
    ④連續(xù)讀取接收寄存器。
    ⑤切換回直接總線模式。
    ⑥訪問(wèn)各寄存器，更新配置，繼續(xù)接收分組。
5 測(cè)試
    測(cè)試中，通過(guò)PC向本系統(tǒng)傳輸文件，再使用FPGA模擬終端FIFO的接口時(shí)序，同時(shí)將本系統(tǒng)傳輸至終端的數(shù)據(jù)輸出到邏輯分析儀。對(duì)比邏輯分析儀采樣信號(hào)與原始文件數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。邏輯分析儀采樣結(jié)果如圖5所示。表1記錄了傳輸不同大小文件所用的時(shí)間與平均傳輸速率。兼顧系統(tǒng)的靈活性與性能，MCU工作在55.296 MHz的情況下，平均傳輸速率能夠達(dá)到2.7 Mb/s。

    本設(shè)計(jì)使用W5100與AT91SAM7SE實(shí)現(xiàn)了一種基于TCP/IP通信協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。其硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，軟件編程靈活方便,可以適應(yīng)不同的終端接口時(shí)序。整個(gè)系統(tǒng)具有集成度高、重用性強(qiáng)、適應(yīng)性廣的特點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)
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