溫陽(yáng)東, 石明剛, 朱 敏

(合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,安徽合肥 230009)

0 引 言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展,工業(yè)生產(chǎn)中的各種控制設(shè)備與數(shù)據(jù)采集設(shè)備也在逐步地走向網(wǎng)絡(luò)化,以便共享網(wǎng)絡(luò)中龐大的信息資源。

以太網(wǎng)技術(shù)以其良好的經(jīng)濟(jì)性、擴(kuò)展性、互通性等優(yōu)勢(shì)得到了普遍應(yīng)用,以太網(wǎng)控制芯片是以太網(wǎng)接口的核心器件,其性能是影響網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵因素。

本文介紹一種以高性能的以太網(wǎng)控制芯片DM9000A和32位ARM處理器LPC2468為核心的嵌入式以太網(wǎng)接口的實(shí)現(xiàn)方法。DM9000A是集成度高、功能強(qiáng)大、引腳少、性?xún)r(jià)比高的單片高速以太網(wǎng)接口芯片,具有一個(gè)通用的微處理器接口,內(nèi)部集成16 kB SRAM(13 kB用作接收緩沖區(qū),3 kB作為發(fā)送緩沖區(qū))和1個(gè)10/100 M自適應(yīng)PHY,支持8/16 bit 2種主機(jī)工作模式;具有HP認(rèn)證的AUTO-MDIX(支持直接互連自動(dòng)翻轉(zhuǎn))功能。

DM9000A遵循IEEE頒布的802.3以太網(wǎng)傳輸協(xié)議,功耗低,電源工作在3.3 V,內(nèi)置 3.3 V變2.5 V電源電路,I/O端口支持3.3～5.0 V的容差,并且可以連接到3類(lèi)、4類(lèi)、5類(lèi)的10 M 無(wú)屏蔽雙絞線(xiàn)和5類(lèi)的100 M無(wú)屏蔽雙絞線(xiàn)。它實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)媒體介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)層(MAC)和物理層(PHY)的功能,包括MAC數(shù)據(jù)幀的組裝/拆分與收發(fā)、地址識(shí)別、CRC編碼/校驗(yàn)、超時(shí)重傳、鏈路完整性測(cè)試等[1]。

1 網(wǎng)絡(luò)接口硬件電路設(shè)計(jì)

本文使用的芯片主要有處理器LPC2468、復(fù)位芯片 CAT1161、以太網(wǎng)控制芯片 DM9000A等。LPC2468是基于ARM7TDMI-S內(nèi)核的16/32位處理器,能夠執(zhí)行 32位 ARM 和 16位Thumb指令,該CPU內(nèi)核還帶有實(shí)時(shí)調(diào)試接口,包含JTAG和嵌入式跟蹤。它具有512 kB片內(nèi)高速Flash存儲(chǔ)器,且該Flash存儲(chǔ)器具有特殊的128位寬度的存儲(chǔ)器接口以及加速器架構(gòu),可以使CPU以高達(dá)72 MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘速度來(lái)按順序執(zhí)行Flash存儲(chǔ)器的指令。復(fù)位監(jiān)控芯片CAT1161內(nèi)部集成了16 kb帶硬件存儲(chǔ)寫(xiě)保護(hù)的串行E2PROM存儲(chǔ)器、節(jié)能型系統(tǒng)電源監(jiān)控電路和1個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器[2]。系統(tǒng)采用16位模式,DM9000A的EECS引腳保持默認(rèn)的懸空狀態(tài),數(shù)據(jù)線(xiàn)SD0～SD15直接與處理器的低16位D0～D15連接。DM9000A的讀信號(hào)線(xiàn)IOR、寫(xiě)信號(hào)線(xiàn)IOW分別與 LPC2468的讀信號(hào)線(xiàn)/OE、寫(xiě)信號(hào)線(xiàn)/WE相連;片選信號(hào)CS與處理器的片選信號(hào)CS1相連,因而網(wǎng)絡(luò)控制器的端口地址IOaddress為0x81000000。讀寫(xiě)信號(hào)與片選信號(hào)都是保持默認(rèn)的低電平有效。

硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的硬件接口框圖

DM9000A中只有INDEX端口與DATA端口2個(gè)寄存器可以直接被CPU訪(fǎng)問(wèn),其它的內(nèi)部控制和狀態(tài)寄存器都是通過(guò)這2個(gè)端口寄存器間接訪(fǎng)問(wèn);LPC2468對(duì)這2個(gè)寄存器的訪(fǎng)問(wèn)是通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò)控制器DM9000A的CMD引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)的:當(dāng)CMD=0時(shí),主機(jī)訪(fǎng)問(wèn)的是INDEX端口寄存器;當(dāng)CMD=1時(shí),訪(fǎng)問(wèn)的是DATA端口寄存器。本設(shè)計(jì)將CMD引腳與處理器的地址線(xiàn)A2相連,則DM9000A的2個(gè)端口地址分別為:INDEX端口地址=IOaddress+0x00;DATA端口地址=IOaddress+0x04。由于INDEX端口寄存器保存的是處理器LPC2468要訪(fǎng)問(wèn)的DATA端口寄存器的內(nèi)部寄存器的地址,因而對(duì)DM9000A的控制或狀態(tài)寄存器的訪(fǎng)問(wèn)順序是:首先寫(xiě)要訪(fǎng)問(wèn)寄存器的地址到INDEX端口,然后通過(guò)DATA端口來(lái)讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)。

2 網(wǎng)絡(luò)接口的軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)接口工作原理:系統(tǒng)上電時(shí),LPC2468處理器通過(guò)總線(xiàn)設(shè)置DM9000A內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)控制寄存器(NCR)、中斷寄存器(ISR)和中斷屏蔽寄存器(IMR)等,完成 DM9000A的初始化使得DM9000A進(jìn)入數(shù)據(jù)收發(fā)等待狀態(tài);當(dāng)LPC2468處理器向以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí),首先經(jīng)過(guò)上層協(xié)議函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行層層封裝,然后通過(guò)總線(xiàn)逐字節(jié)發(fā)送到DM9000A的發(fā)送緩沖區(qū)中,并且將數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等信息填充到DM9000A相應(yīng)的寄存器中,使能發(fā)送命令后,DM9000A自動(dòng)將數(shù)據(jù)進(jìn)行MAC組幀并發(fā)送出去;當(dāng)接收到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀時(shí),LPC2468處理器首先檢測(cè)幀的合法性,保存正確的數(shù)據(jù)幀,最后將數(shù)據(jù)幀發(fā)送到上層協(xié)議進(jìn)行處理。網(wǎng)絡(luò)接口的軟件設(shè)計(jì)主要有底層網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)和上層通信協(xié)議2個(gè)部分,網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)包括網(wǎng)卡芯片的初始化、數(shù)據(jù)幀發(fā)送和接收。

2.1 DM9000A的初始化

為了使網(wǎng)絡(luò)控制器可以正常啟動(dòng)和收發(fā)數(shù)據(jù)包,就必須事先對(duì)DM9000A進(jìn)行初始化設(shè)置,主要是設(shè)置一些關(guān)鍵寄存器,使之處于接收和發(fā)送就緒狀態(tài),流程[3]如下:

(1)設(shè)置通用寄存器GPR的bit[0](PHYPD位)為0,啟動(dòng)PHY。

(2)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)控制寄存器NCR的 bit[0](RST位)為1,一般執(zhí)行2次的軟件復(fù)位。

(3)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)控制寄存器NCR,可設(shè)置10 M/100 M、Half/Full Duple 4種工作模式。

(4)設(shè)置中斷屏蔽寄存器IMR,使能RX/TX緩沖器的內(nèi)存讀/寫(xiě)地址指針自動(dòng)返回功能。

(5)設(shè)置 PAR1～PAR6,寫(xiě)入 6字節(jié)的MAC地址;由于沒(méi)有用 EEPROM,需要自己寫(xiě)入。

(6)讀中斷狀態(tài)寄存器ISR,清除中斷狀態(tài)標(biāo)志。

(7)設(shè)置中斷屏蔽寄存器IMR的bit[0]/bit[1],使能發(fā)送和接收中斷。

(8)設(shè)置接收控制寄存器RCR的bit[0](RXEN)為1,使能接收功能。

(9)設(shè)置中斷引腳寄存器 DM-INTCR的bit[0]/bit[1]為0,INT引腳高電平有效。

2.2 發(fā)送數(shù)據(jù)包

DM9000A內(nèi)部有16 kB(0x0000～0x3FFF)的SRAM用來(lái)作為收發(fā)數(shù)據(jù)的緩沖區(qū),前3 kB空間作為發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū),本文將發(fā)送緩沖區(qū)看作2個(gè)獨(dú)立發(fā)送緩存區(qū),可分別標(biāo)記為IndexⅠ和IndexⅡ,這樣不僅可以避免在單一發(fā)送緩沖區(qū)模式下向發(fā)送緩存區(qū)寫(xiě)入數(shù)據(jù)包時(shí)容易覆蓋上一次沒(méi)有發(fā)送完數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤操作,也不必等待上次數(shù)據(jù)發(fā)完后再向發(fā)送緩存區(qū)寫(xiě)入當(dāng)前的數(shù)據(jù),從而有效避免了處理器的等待時(shí)間,提高數(shù)據(jù)發(fā)送的效率和速度。

本設(shè)計(jì)采用中斷方式發(fā)送數(shù)據(jù)包:首先CPU利用上層協(xié)議函數(shù)將要發(fā)送的數(shù)據(jù)按照規(guī)定的格式進(jìn)行封裝,并通過(guò)寫(xiě)寄存器MWCMD將要發(fā)送的一幀數(shù)據(jù)寫(xiě)到DM9000A發(fā)送緩沖區(qū)IndexⅠ中,并且將該幀數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度寫(xiě)入長(zhǎng)度寄存器FCH和FDH中;然后將發(fā)送控制寄存器 TCR的bit[1]置位,啟動(dòng)發(fā)送該幀數(shù)據(jù),DM9000A自動(dòng)對(duì)發(fā)送緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行以太網(wǎng)組幀,發(fā)送IndexⅠ中的數(shù)據(jù)。

在發(fā)送IndexⅠ中數(shù)據(jù)同時(shí),將下一幀數(shù)據(jù)寫(xiě)入IndexⅡ中,當(dāng)IndexⅠ中的數(shù)據(jù)發(fā)送完成后,再將IndexⅡ中數(shù)據(jù)長(zhǎng)度寫(xiě)入長(zhǎng)度寄存器,然后再次啟動(dòng)發(fā)送控制器發(fā)送IndexⅡ中的數(shù)據(jù),同時(shí)將要發(fā)送的下一幀數(shù)據(jù)寫(xiě)入IndexⅠ,2個(gè)發(fā)送緩存區(qū)依次輪流操作。每一個(gè)發(fā)送緩沖區(qū)發(fā)送完畢后,都會(huì)產(chǎn)生發(fā)送完成中斷,中斷程序先讀取網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)寄存器NSR的bit[2](TX1END位)、bit[3](TX2END)是否為1來(lái)判斷是哪個(gè)發(fā)送緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送完成,然后讀取相應(yīng)的發(fā)送狀態(tài)寄存器,判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功,如果發(fā)送失敗則重發(fā)該緩存區(qū)數(shù)據(jù),反之則判斷是否還有數(shù)據(jù)幀要發(fā)送,若有數(shù)據(jù)就會(huì)啟動(dòng)發(fā)送另一個(gè)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù),同時(shí)通知上層協(xié)議函數(shù)將下一幀數(shù)據(jù)寫(xiě)入空的發(fā)送緩存器中[4]。中斷服務(wù)程序流程如圖2所示。

圖2 發(fā)送完成中斷處理程序流程圖

2.3 接收數(shù)據(jù)包

DM9000A接收緩存區(qū)中的每幀數(shù)據(jù)都由4字節(jié)長(zhǎng)的首部、有效數(shù)據(jù)和CRC校驗(yàn)序列構(gòu)成。首部4字節(jié)依次是01H、以太網(wǎng)幀狀態(tài)、以太網(wǎng)幀長(zhǎng)度低字節(jié)和長(zhǎng)度高字節(jié)。數(shù)據(jù)包的接收也是通過(guò)中斷處理的,當(dāng)有數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí),就產(chǎn)生中斷信號(hào),網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)層調(diào)用數(shù)據(jù)包接收程序 RPack()函數(shù)來(lái)接收數(shù)據(jù)包,數(shù)據(jù)包接收程序首先判斷第1個(gè)字節(jié)是否為01H,如果是則說(shuō)明有數(shù)據(jù),反之則說(shuō)明無(wú)數(shù)據(jù),需要進(jìn)行復(fù)位。

DM9000A讀出數(shù)據(jù)放置到接收緩沖區(qū)里,根據(jù)獲取的長(zhǎng)度信息,判斷是否讀完一幀;如果讀完,接著讀下一幀,直到首字節(jié)是00H,說(shuō)明接收數(shù)據(jù)已讀完。最后網(wǎng)絡(luò)接口層調(diào)用R-Ethernet-Pack()把接收到的數(shù)據(jù)包傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)協(xié)議的上層進(jìn)行處理[5]。接收數(shù)據(jù)流程如圖3所示。

2.4 上層通訊協(xié)議

網(wǎng)絡(luò)采用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP通信協(xié)議,TCP/IP是工業(yè)界普遍認(rèn)可的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,層次少,具有對(duì)底層網(wǎng)絡(luò)的透明性和不必涉及網(wǎng)絡(luò)的具體物理實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn),因而被廣泛應(yīng)用。TCP/IP通訊協(xié)議采用包括應(yīng)用層、運(yùn)輸層、網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層4層的層級(jí)結(jié)構(gòu),它是一組包括TCP協(xié)議、IP協(xié)議、ICMP協(xié)議和其它一些協(xié)議的協(xié)議組。協(xié)議按不同的網(wǎng)絡(luò)層次逐層進(jìn)行開(kāi)發(fā),每一層負(fù)責(zé)不同通信功能,相應(yīng)的有不同的協(xié)議[6]。

圖3 接收數(shù)據(jù)包處理流程圖

2.4.1 數(shù)據(jù)鏈路層的實(shí)現(xiàn)

本文的鏈路層采用以太網(wǎng)中使用比較廣泛的EthernetⅡ標(biāo)準(zhǔn),封裝幀格式如圖4所示。

圖4 EthernetⅡ封裝幀格式

前導(dǎo)碼是出于兼容考慮,在低速率以太網(wǎng)中用于時(shí)鐘的同步。幀起始定界符(SFD)標(biāo)志時(shí)鐘信息的結(jié)束。目的地址字段包含了一個(gè)6字節(jié)的MAC目的地址,源地址字段包含了一個(gè)6字節(jié)的MAC源地址,它是發(fā)送以太網(wǎng)幀工作站的唯一單播地址。每個(gè)以太網(wǎng)適配器都有唯一的以太地址,而地址“FF-FF-FF-FF-FF-FF”代表一個(gè)廣播地址。類(lèi)型用來(lái)指示接收數(shù)據(jù)的高層協(xié)議。數(shù)據(jù)字段是指接收的上層數(shù)據(jù),該字段不應(yīng)超過(guò)以太網(wǎng)的最大傳輸單元(MT U)1 500字節(jié)。

在以太網(wǎng)層數(shù)據(jù)的接收過(guò)程中,數(shù)據(jù)報(bào)接收是由下層協(xié)議函數(shù)調(diào)用上層協(xié)議函數(shù)來(lái)進(jìn)行的,即以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)接收函數(shù) R-Ethernet-Pack()由驅(qū)動(dòng)的R-Pack()函數(shù)調(diào)用,它的輸入?yún)?shù)是以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的起始地址和網(wǎng)絡(luò)接口號(hào)。

具體接收過(guò)程是:首先R-Ethernet-Pack()函數(shù)通過(guò)傳遞函數(shù)獲知該幀的類(lèi)型是IP報(bào)還是ARP報(bào),然后分別調(diào)用IP處理函數(shù)和ARP接收處理函數(shù)。如果是IP包并且是在同一網(wǎng)段,在調(diào)用IP處理函數(shù)之前還要進(jìn)行ARP表的更新;如果是ARP包且為ARP請(qǐng)求包就發(fā)送自己的MAC地址給對(duì)方,反之若為ARP應(yīng)答包就接收對(duì)方的MAC地址,并且無(wú)論是 ARP請(qǐng)求還是ARP發(fā)送,如果對(duì)方和自己在同一個(gè)網(wǎng)段還要更新自己的ARP表。

以太網(wǎng)層數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送過(guò)程為:①對(duì)目的MAC地址的查詢(xún),通過(guò)S-IP-To-LLC()函數(shù),首先查詢(xún)目的IP地址與本地IP地址的關(guān)系,確定是否在同一個(gè)子網(wǎng)內(nèi),如果不在一個(gè)子網(wǎng)內(nèi)就把目的MAC地址設(shè)為默認(rèn)網(wǎng)關(guān)的MAC地址,通過(guò)S-Ethernet-Pack()函數(shù)進(jìn)行發(fā)送;否則,就在ARP表中查詢(xún)是否有對(duì)應(yīng)的MAC地址,若有就直接通過(guò)S-Ethernet-Pack()函數(shù)進(jìn)行發(fā)送,反之發(fā)送一個(gè)ARP請(qǐng)求幀得到該IP地址對(duì)應(yīng)的MAC地址。②通過(guò)S-Ethernet-Pack()函數(shù)把查詢(xún)的結(jié)果寫(xiě)到以太網(wǎng)層的發(fā)送緩沖區(qū),先把目的MAC地址和本機(jī)MAC地址先后寫(xiě)入以太網(wǎng)層的發(fā)送緩沖區(qū),然后根據(jù)上層協(xié)議設(shè)置以太網(wǎng)層的協(xié)議字段,最后調(diào)用發(fā)送函數(shù)S-Pack()發(fā)送數(shù)據(jù)[7]。

2.4.2 TCP/IP層的實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)層采用網(wǎng)際協(xié)議IP,它是網(wǎng)絡(luò)層中最重要的協(xié)議,它不僅能夠封裝多種上層協(xié)議,而且提供路由及傳輸信息。IP層接收以太網(wǎng)層發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)包,并根據(jù)IP的報(bào)頭把有效數(shù)據(jù)傳送給TCP層,由于信息在傳輸過(guò)程中采用分組交換的方式,因而數(shù)據(jù)在到達(dá)時(shí)并不能保證是按順序到達(dá)的,需要根據(jù)TCP層報(bào)頭信息的順序號(hào)把數(shù)據(jù)按發(fā)送過(guò)來(lái)的順序還原,并加以校驗(yàn),若發(fā)現(xiàn)差錯(cuò),TCP將會(huì)要求重發(fā),從而可以保證無(wú)差錯(cuò)地傳送數(shù)據(jù),否則就把數(shù)據(jù)傳送到應(yīng)用層[8]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖

傳輸控制層不僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)無(wú)差錯(cuò)的傳輸,還負(fù)責(zé)連接建立前各種連接狀態(tài)的轉(zhuǎn)換,每一次的連接都包括3次握手:①客戶(hù)端主動(dòng)連接發(fā)送SYN同步幀,狀態(tài)轉(zhuǎn)換為SYN-SENT;②服務(wù)器收到SYN同步幀,并發(fā)送SYN+ACK幀狀態(tài)轉(zhuǎn)換為SYN-REC;③客戶(hù)端收到SYN+ACK幀,并發(fā)送ACK幀到服務(wù)器建立連接。

此時(shí)服務(wù)器和客戶(hù)端就已經(jīng)建立了連接,TCP層的狀態(tài)也就轉(zhuǎn)換為Established,服務(wù)器和客戶(hù)端也就可以收發(fā)送數(shù)據(jù)了,而且只能在Established狀態(tài)下才能進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。由于TCP連接是全雙工的,因此每個(gè)方向都必須單獨(dú)進(jìn)行關(guān)閉。即當(dāng)一方完成它的數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)后就發(fā)送一個(gè)FIN來(lái)終止這個(gè)方向的連接。收到一個(gè)FIN只意味著這一方向上沒(méi)有數(shù)據(jù)流動(dòng),一個(gè)TCP連接在收到一個(gè)FIN后仍能發(fā)送數(shù)據(jù),連接終止包括如下4次握手:

(1)TCP客戶(hù)端發(fā)送一個(gè)FIN,用來(lái)關(guān)閉客戶(hù)到服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳送。

(2)服務(wù)器收到這個(gè)FIN,它發(fā)回一個(gè)ACK,確認(rèn)序號(hào)為收到的序號(hào)加1(SYN和FIN都占用1個(gè)序號(hào)。

(3)服務(wù)器關(guān)閉客戶(hù)端的連接,發(fā)送一個(gè)FIN給客戶(hù)端。

(4)客戶(hù)段發(fā)回ACK報(bào)文確認(rèn),并將確認(rèn)序號(hào)設(shè)置為收到序號(hào)加1。

其狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖6所示[9]。

圖6 TCP的狀態(tài)變遷圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以 ARM LPC2468為核心,DM9000A為網(wǎng)絡(luò)接口芯片,采用TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議,實(shí)現(xiàn)了一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、可靠性強(qiáng)的嵌入式以太網(wǎng)接口。由于基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)具有傳輸速度高、低功耗、易安裝和兼容性好等方面的優(yōu)勢(shì),并且它幾乎支持所有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,因而系統(tǒng)組成靈活,適合于多種應(yīng)用場(chǎng)合。

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