嵌入式Internet以太网接口的设计与实现

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在电子设备日趋网络的背景下，目前广泛使用的以太网及TCP/IP协议已经成为事实上最常用的网络标准之一，它的高速、可靠、分层及可扩充性使得它在各个领域的应用越来越灵活，很多情况下运用以太网和TCP/IP能够简化结构和降低成本。目前关于嵌入式以太网的设计方案不是很多，其中大多是基于单片机的，缺点是速度慢、成本太高。DSP作为一种特殊的嵌入式微处理器系统，具有嵌入的协处理器和用于快速数据处理的并行数据通道，在嵌入式网络设备中引入DSP技术可以使嵌入式以太网变得更快、更便宜、更容易进行功能扩充。本文介绍了基于TMS320LF2407型的嵌入式系统与LAN91C111型自适应10Mb/s/100Mb/s嵌入式以太网控制芯片的接口电路和实现方法。
1 LAN91C111嵌入式以太网控制器芯片
LAN91C111是SMSC公司推出的为嵌入式应用系统设计的第三代快速以太网控制器。在LAN91C111芯片上集成了CSMA/CD协议的媒体层（MAC）和物理层（PHY），其系统结构图如图1所示。该以太网控制器的主要功能特性如下。
（1）自适应地选择传输速率，支持10M/100Mbps。
（2） 8KB的内部存储器用于接收和发送的缓存。
（3） 支持突发数据传输。
（4） 提前发送和接收功能。
（5） 支持总线8位、16位和32位的CPU访问。
该以太网控制器遵循的标准与协议为IEEE颁布的802.3以太网传输协议。8～32位数据总线接口单元由控制总线、地址总线和数据总线与外部的CPU控制芯片相连。该单元还集成了E2PROM接口，所有内部寄存器的初始值可先放在E2PROM中，自举时通过E2PROM接口输入到芯片中，实现自动初始化。总线仲裁器（Arbiter）监视以太网总线的数据交流情况，一旦发生阻塞，一方面通过总线接口单元与外部CPU联系，另一方面控制内存控制单元（MMU），实现总线数据协调。内存控制单元控制8KB动态SRAM的存储情况，实现与DMA控制器之间的数据联络。DMA控制器与总线控制器一起控制数据在DMA与以太网协议处理器（EPH）之间的交换。由以太网协议处理器输出的数据最终经过10M/100M的物理层直接到达以太网总线。
2 硬件电路组成
出于性价比的考虑，采用了DSP控制器作为主CPU。TMS320LF2407是TI公司发布的240X系列中功能最强的一种控制器，有很大的存储空间（高达32K字的Flash程序存储器，可扩展外部64K字存储器和64K字I/O寻址空间），非常适合于处理复杂的TCP/IP协议。
由于LAN91C111是为嵌入式系统设计，其外围电路相对比较简单，其硬件接口框图如图2所示。LANC91C111内部寄存器可通过地址线A0~A15来访问。地址总线A1~A15与DSP的A1~A15相连，A0没有被悬空；数据总线D0~D15与DSP的D0~D15相连，可以传输16位数据。D16~D32悬空（因为LF2407是16位数据总线）；LAN91C111的片选信号AEN由DSP的外部I/O接口选通信号IS提供。二元件的读电平RD和写电平WR分别相连。LAN91C111端的中断输出信号INTR0送入DSP的外部中断脚XINT1 触发中断。TG110-S050N2是针对10M/100M以太网的变压滤波器。LAN91C111模块的Protel原理图。
3 软件设计
编写控制以太网接口程序的步骤如下。
3.1 μC/OSⅡ实时操作系统的移植
μC/OSⅡ是一种开放源码的实时嵌入式操作系统，具有很好的实时性。它是可移植、可裁减、可固化的占先式多任务操作系统，其大部分源码由ANSI C语言编写。
移植工作包括以下几个内容：（1）用汇编语言改写OS_ CPU_ A.ASM。（2）用Ｃ语言改写OS_CPU_Ｃ。C。（3）编写OS_ CPU.H。（4）适当处理OSMapTbl[ ]和OSUnMapTbl[ ]。
①OS_ CPU_ A.ASM文件包括4个子程序：OSStart-HighRdy、OSCtxsw、OSIntCtxSw和OSTickISR。
1）OSStartHighRdy（）函数
当程序执行内核的OSStart函数时，表示多任务系统开始启动， OSStart函数将调用OSStartHighRdy函数从最高优先级任务的TCB块中获得该任务的堆栈指针，通过该指针，依次从该任务的任务堆栈中恢复CPU的现场。由于任务在堆栈初始化时，已经设定了弹出到程序指针寄存器PC的是该任务函数的入口地址，因此，OSStartHighRdy函数只需依次弹出任务栈内容到处理起寄存器，该任务便将得以运行。
2）OSCtxSw（）函数
该函数是任务级的上下文切换函数，当任务被阻塞而主动请求CPU开始任务调度时执行，其过程是将当前任务的的CPU现场保存到该任务堆栈中去，然后从 OSTCBHighRdy中获得更高优先级任务的堆栈指针，再从该指针指向的堆栈中恢复此任务的CPU现场，使之继续执行，从而完成一次任务级别的切换。表2为OSCtxSw函数的伪代码。
　　void OSCtxSw（void） {
　　保存处理器寄存器；/*将欲挂起的任务的CPU寄存器压入当前堆栈*/
　　OSTCBCur->OSTCBStkPtr = sp; /*OSTCBCur目前指向的是被打断的任务TCB，此操作
　　将该任务的栈顶指针保存到其OSTCBStkPtr中去，便于下次恢复时从这里获取栈顶指针*/
　　OSTCBCur = OSTCBHighRdy; /*OSTCBHighRdy 指向的是就绪的高优先级任务的TCB，
　　将其装载到OSTCBCur 中来*/
　　SP = OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr; /*取得就绪的高优先级任务的栈顶指针*/
　　恢复该任务的现场（）； /*于是便可通过刚取得的栈顶指针恢复该任务 */
　　执行中断返回指令； /*若OSCtxSw含有软中断指令则需中断返回，本移植不使用软中断*/
　　}
表2 OSCtxSw函数的伪代码
3） OSIntCtxSw（） 函数
该函数用于中断级的上下文切换。由于CPU响应时钟节拍中断后，处理器从svc进入了irq模式，并进入时钟节拍中断服务函数OSTickISR， OSTickISR函数发现若有高优先级任务需要运行，则系统不返回中断前的任务，而直接调度就绪的高优先级任务使之尽快得到执行，以保证实时性能。但是由于OSTickISR函数一开始已经保存过任务中断前的CPU现场，因此OSIntCtxSW（）不需要再进行类似的操作。当OSTickISR调用 OSIntExit函数找出需要运行的更高优先级任务后，OSIntExit会将该任务的TCB指针放在OSTCBHighRdy中，然后 OSIntExit在最后调用OSIntCtxSW函数来从OSTCBHighRdy中获取堆栈指针然后恢复该高优先级任务的现场，使得其继续执行，并不再返回时钟节拍中断服务程序。显然，OSIntCtxSW函数的过程和OSCtxSW函数的后半部分操作相同，因此，OSCtxSW可以借用 OSIntCtxSW的代码。
4） OSTickISR（）函数
在CPU响应时钟节拍中断后，程序指针PC发生跳转后进入该函数，由于OSTickISR调用OSTimeTick函数使得所有的延时节拍不为0的任务延时节拍数减1，并调用OSIntExit函数来找出就绪的高优先级任务，若需要切换，则最后由OSIntCtxSw来完成新任务的调度，否则仍然返回到被时钟节拍中断的任务。
②OS_CPU_C.C文件：本文件仅包括一个OSTaskStkInit（ ）子程序。该函数模仿TI公司的I$$SAVE库函数对任务堆栈进行初始化，被函数OSTaskCreate（ ）和OSTaskCreateExt（ ）所调用并返回任务堆栈初始化后的指针值。注意：2407A的堆栈与一般MCU不同，芯片本身的堆栈（以下简称 US）只有 8 级，无法作为系统堆栈使用，所以C编译器将它内部的2个寄存器AR0和AR1保留。AR1作为堆栈指针SP，AR0用做堆栈中临时变量指针FP（在汇编程序中不要使用这2个寄存器，如果必须使用，要关中断，并注意保存和恢复）。编译器将函数和中断压进 US ，并将其返回地址弹出放在SP（AR1）指向的堆栈中，保留当前环境，不同的是函数只保留程序要使用的寄存器，中断要调用 I$$SAVE 保存所有寄存器，返回时要跳转到（不是调用）I$$REST（这2个函数可以在RTS.SRC中看到源代码）恢复寄存器。这2个函数就像8086中的中断进入和指令IRET，是移植的基础。
③OS_CPU.H文件：内容可根据μC/OS-Ⅱ中80x86的内容进行修改。
④适当处理OSMapTbl[ ]和OSUnMapTbl[ ]：移植时还需要对μC/OSⅡ的OSMapTbl[ ]和OSUnMapTbl[ ]2个表进行适当处理，否则会出现寻址错误而使μC/OSⅡ无**常运行，这是移植能否成功的重要因素之一。由于TMS320LF2407的存储器采用的是哈佛结构，Flash存储器（或外扩的ROM）位于程序区，因此可按如下方法处理：将μC/OSⅡ中OSMapTbl[ ]和OSUnMapTbl[ ]的数据类型从“INT8U const”改为“INT8U”，并在链接器命令文件（。CMD）中将“。cinit”块分配到Flash存储器（或外扩的ROM）中，链接选项用“。C”（ROM初始化）。这样，在程序运行时自动对数据区的RAM进行初始化，即运行时自动将“。cinit”块中的数据复制到数据区的RAM中。
按需要配置OS_FG.H，修改CPU中断向量表和外设向量表后，根据实际需要对其他文档中的内容进行相应设置即可。至此，μC/OSⅡ在TMS320LF2407上的移植就完成了。
3.2 LAN91C111的编程
　　对LAN91C111主要包括初始化、发送数据包和接收数据包三部分。
3.2.1 初始化
上电后，LAN91C111内部的寄存器的值设置为缺省值，CPU根据需要设置它里面的Configuration、Base和Individual Address寄存器，以保证它正常工作。
3.2.2 发送数据包流程
（1）DSP向控制器发送ALLOCATE MEMORY命令（设置MMUCOM寄存器，通常设置为0x0020）。MMU负责在控制器内部的packet buffer中为待发送的包分配存储空间。
（2）DSP查询中断状态寄存器中的ALLOC INT位，直到该位被置为1，也可以设置中断掩码中的ALLOC INT位，然后等待硬件中断，这时MMU已经分配好存储空间。而且TX packet number放在Allocation Result寄存器中。
（3）将Allocation Result寄存器中的packet Number拷贝到Packet NUMBER寄存器中，设置Pointer寄存器（设置为TX、WR、AUTOINC，即0x4000）。然后将包的数据从upper layer发送队列传送到控制器的数据寄存器。要求依次写人Status Word、Byte Count、destination address、source address、packet size、packet data和control word。
（4）DSP向控制器发送“ENQUEUE PACKET NUMBER TO TX FIFO”命令（设置MMUCOM寄存器，通常设置为Ox00C0），该命令将Packet Number寄存器中的packet number拷贝到TX FIFO，说明发送的包已经放入队列中。同时设置传输控制寄存器中的TXENA位，启动transmitter。到目前为止，DSP的设置工作已完成，它可以空闲，直到接收到一个控制器产生的发送中断。
（5）当控制器传送完包以后，内存中的第1个字（16位）被CSMA/CD写入相应的状态字，然后将TX FIFO中的packet number移到TX completion FIFO，当TX completion FIFO不为空时产生中断。
（6）DSP接收到中断后，开始执行中断处理程序，它读入中断状态寄存器，如果产生发送中断，则从FIFO端口寄存器读入发送包的Packet Number，并将它写入Packet Number寄存器。然后从内存中读入状态字（包括设置Pointer寄存器为TX、RD、AUTOINC，即0x6000，然后从数据寄存器中读入包的状态字），它是EPH寄存器的镜像，根据状态字判断包发送是否成功。如果成功则DSP向控制器发布RELEASE命令（设置MMUCOM寄存器，设置为Ox00A0），控制器将释放发送包所使用的存储空间，同时设置TX INT Acknowledge寄存器，它将TX completion FIFO中的packet number清除。有二种产生发送中断的方案：①每发送一个包产生一个中断。②每发送一个序列的包产生一个中断。通过控制寄存器的Auto Release位来选择这二种方案，而且这二种方案所使用的发送中断位也有所不同。
　　TX INT：当TX completion FIFO不为空时置0；
　　TX EMPTY INT：当TX FIFO为空时置1；
　　AUTO RELEASE：如果置为1，发送包成功后，packet number不写到TX completion FIFO中，而且它所使用的存储空间被自动释放。
（7）选择使用“每发送一个包产生一个中断”方案：允许TX INT中断，AUTO RELEASE=0，这种方案的流程如上所示。
（8）选择使用“每发送一个序列的包产生一个中断”方案：允许TX EMPTY INT和TX INT，AUTO RELEASE=1，当发送完FIFO中的最后一个包后，产生TX EMPTY INT中断。当发生严重的发送错误时，产生TX INT中断，同时将发送失败的包的packet number保存到FIFO Ports寄存器，这样DSP就可以知道发送过程停止了。该方案可以减少DSP的负担，而且存储空间的释放也更迅速。当AUTO RELEASE=1时，DSP不能得到成功发送包的packet number。
3.2.3 接收数据包流程
（1）DSP设置接收控制寄存器中的RXEN位，允许接收包。
（2）含有正确地址的包被接收到，从MMU请求存储空间，并分派一个packet number，内部的DMA逻辑产生连续的地址，并将接收到的字写到内存中。如果超界，则包被丢弃，存储空间被释放。当检测到包结束时，状态字被写到接收包的最前面，byte count写到第2个字。如果CRC校验正确，则packet number被写到RX FIFO。当RX FIFO非空时，产生RCV INT中断；如果CRC校验不正确，则存储空间被释放，而且不产生中断。
（3）DSP接收到中断后开始执行中断处理程序，它读入中断状态寄存器，如果产生接收中断（RCV INT位为1），则可以从FIFO端口寄存器得到接收的包的packet number，而且可以从数据寄存器将接收包传送到DSP的内存或外存中。当处理结束时，DSP向处理器发布REMOVE AND RELEASE FROM TOP OF RX命令（即设置寄存器MMUCOM，设置为0x0060），释放使用的存储空间和packet number。
4 结束语
对以太网和快速以太网的自动协商模式使LAN 91C111具有很高的性价比，应用领域广泛。本设计利用LAN91C111和DSP芯片组成嵌入式以太网通信系统，能够正确地接入快速以太网，具备10M/100Mbps、全双工/半双工自适应等多种功能，符合IEEE802.3/802.3u-100Base-TX/lOBase-T规范，实现的嵌入式以太网接口支持RJ45和以太网的连接，可以通过以太网接入Internet，以实现从Internet上监控嵌入式设备