張希遙

（南京曉莊學院，江蘇 南京 211171）

1 引言

自上世紀80年代至今，嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史已經(jīng)將近四十多年.如今，嵌入式系統(tǒng)依然在逐漸滲入我們生活的各個領(lǐng)域，小到簡單的單片機控制系統(tǒng)，大到復(fù)雜的工業(yè)控制工程.無論是在民用還是軍用領(lǐng)域，無論是在日常生活還是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中隨處可以發(fā)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的身影.本文介紹了一種基于S3C2410芯片，通過外擴以太網(wǎng)控制器CS8900來實現(xiàn)嵌入式設(shè)備與PC間TFTP通信的目的.

2 以太網(wǎng)簡介

以太網(wǎng)（Ethernet）是一種由XEROS公司開發(fā)的，當前世界范圍內(nèi)廣泛使用，采用采用共享總線型傳輸媒體結(jié)構(gòu)的局域網(wǎng).它采用基帶局域網(wǎng)碰撞檢測（CSMA/CD）機制，即載波監(jiān)聽多路存取機制.以太網(wǎng)普遍從IEEE802.3規(guī)范.

以太網(wǎng)的傳輸方法，也就是以太網(wǎng)的介質(zhì)訪問控制(MAC)技術(shù)，稱為載波監(jiān)聽多路存取和沖突檢測（CSMA/CD）.其工作原理大致分為載波監(jiān)聽、信道忙碌、信道空閑、沖突檢測、遇忙停發(fā)、多路存取幾個步驟.

2.1 TCP/IP協(xié)議

TCP/IP采用分層結(jié)構(gòu)，共分為4層，每層獨立完成指定功能：應(yīng)用層（第四層）(TFTP層)，傳輸層（第三層）（UDP層），互聯(lián)層（第二層）（IP層），網(wǎng)絡(luò)接口層（第一層）.

2.2 TFTP協(xié)議

TFTP（Trivial File Transfer Protocol）是傳輸文件的簡單協(xié)議的一種，同時也是一個基于UDP協(xié)議而實現(xiàn)的簡化的TCP/IP傳輸協(xié)議.支持用戶從遠程主機接收或向遠程主機發(fā)送文件.由于TFTP協(xié)議是基于UDP，而UDP協(xié)議依托IP，因此一個TFTP包的包格式如下：本地媒介頭，IP頭，數(shù)據(jù)報頭，TFTP頭和TFTP數(shù)據(jù).TFTP在IP頭當中并不會指定任何的數(shù)據(jù)，但是它使用UDP中的源和目標端口以及包長度域.因為TFTP使用的包標記（TID）在這里被用做端口，因此TID的范圍必須介于0到65535之間.

3 嵌入式處理器S3C2410簡介

S3C2410是Samsung公司開發(fā)的一款利用ARM920T內(nèi)核和0.18um CMOS工藝的16/32位RISC微處理器，它適用于低成本、低功耗、高性能的手持設(shè)備或其它電子產(chǎn)品.S3C2410的工作主頻為203MHz,片上資源比較豐富，它集成了以下的通用的系統(tǒng)外設(shè)和接口：外部的SDRAM存儲控制器，LCD控制器，4通道的DMA，3通道UART，117個通用I/O口，24個外部中斷源，4個PWM時鐘和1個內(nèi)部時鐘，1個IIC和1個IIS總線控制器，3端口USB接口和一個看門狗時鐘，8通道10位ADC和觸摸屏接口，SD接口和MMC接口.

4 CS8900A簡介

CS8900A是一款16位以太網(wǎng)控制器，由美國CIRRUS LOGIC生產(chǎn).CS8900A性能優(yōu)良，成本低廉，工業(yè)級溫度范圍較廣，大約在-40～+80攝氏度之間;工作電壓為3.3V,功耗較低;這種高度集成的設(shè)計,使其適合作為智能嵌入設(shè)備網(wǎng)絡(luò)接口;由于采用Packet page結(jié)構(gòu)作為高速緩存，占用系統(tǒng)資源少,從而增加系統(tǒng)效率.對于沒有集成MAC控制器的嵌入式處理器來說，實現(xiàn)以太網(wǎng)通信的更為通用的方法就是使用以太網(wǎng)控制器.

CS8900A有兩種操作模式，一種是I/O訪問模式，一種是內(nèi)存訪問模式.網(wǎng)卡芯片復(fù)位后默認工作方式為I/O連接.I/O端口基址為300H.CS8900支持8位模式，當讀寫16位數(shù)據(jù)時，高位字節(jié)依次對應(yīng)奇地址，低位字節(jié)依次對應(yīng)偶地址.

CS8900A通常被S3C2410外擴為以太網(wǎng)通信模塊，擁有10Mb/s的傳輸速率.在電路接口中，CS8900通常工作在16位模式下，網(wǎng)卡芯片復(fù)位默認工作方式通常為I/O工作模式，寄存器的默認基地址為300H.在I/O工作模式下，訪問8個16位寄存器進行尋址用以訪問Packet page結(jié)構(gòu)，地址映射表如表1所示.

表1 I/O模式地址映射

5 基于S3C2410的TFTP通信的實現(xiàn)

5.1 硬件電路接口的實現(xiàn)

由于S3C2410自身并沒有集成網(wǎng)絡(luò)MAC模塊，若要實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議中的數(shù)據(jù)鏈路層的功能，就必須外擴CS8900A網(wǎng)絡(luò)芯片完成網(wǎng)絡(luò)底層的數(shù)據(jù)傳輸,.再以此為基礎(chǔ)，根據(jù)TCP/IP協(xié)議編寫代碼解析數(shù)據(jù),完成相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)通信.

CS8900與S3C2410簡單電路框圖如下圖所示.CPU的nGCS3連接CS8900的CHIPSEL引腳提供片選信號的同時也連接到AEN引腳，當AEN置低電平保證能夠在I/O模式下讀寫操作有效；中斷信號EINT9引腳接在了CS8900的第一個中斷引腳INTERQ0上；內(nèi)存讀寫nMEMR/W與I/O讀寫nIOR/W分別通過門電路對應(yīng)想連接提供讀寫使能信號；同時當addr24=1時，可以確保CS8900 I/O模式有效，并且MEM模式有效.S3C2410_NET的nOE和nWE分別與門電路nOE及nWE相連構(gòu)成一個”或“門電路.nGCS3的起始地址為0x18000000，其中CS8900上電后的基地址默認為300H.addr24被用來控制I/O或者MEM模式進行讀寫操作，當addr24置1，可以確保CS8900 I/O模式有效，并且MEM模式有效.所以會有0x19000000如下：

門電路

S3C2410與CS8900簡單電路框圖

5.2 CS8900A的網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)

數(shù)據(jù)鏈路層：數(shù)據(jù)鏈路層主要進行收發(fā)底層數(shù)據(jù)，它具體由CS8900實現(xiàn).

網(wǎng)絡(luò)層：網(wǎng)絡(luò)層由IP協(xié)議來實現(xiàn),包括了ARP地址解析協(xié)議,具體實現(xiàn)了從IP地址到數(shù)據(jù)鏈路MAC地址的映像.

互聯(lián)層：互聯(lián)層主要通過UDP和TCP來實現(xiàn),其目的是讓網(wǎng)絡(luò)程序通過明確定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)獲得數(shù)據(jù).

應(yīng)用層：通過以太網(wǎng)和TCP/IP進行數(shù)據(jù)傳輸,實現(xiàn)與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)終端之間的交互通信.

5.3 CS8900A初始化及收發(fā)數(shù)據(jù)流程

系統(tǒng)上電工作之后，網(wǎng)卡芯片首先初始化四個寫寄存器，分別為：RXCTL、LINTCTL、RCCFG和BUSCT.數(shù)據(jù)發(fā)送時，寫控制寄存器TXCMD，TXLENG中寫入發(fā)送數(shù)據(jù)的長度，然后將依次將數(shù)據(jù)寫入PORT0口中，第一個字節(jié)寫入300H，第二個字節(jié)寫入301H，第三個字節(jié)寫入302H，以此類推.CS8900芯片將數(shù)據(jù)封裝為鏈路層類型，然后向網(wǎng)絡(luò)中添加填充位和CRC校驗.CPU查詢ISO數(shù)據(jù)，一旦有數(shù)據(jù)到來，就讀取接收到的數(shù)據(jù)幀.其初始化程序主要有檢測芯片，設(shè)置Mac地址，定義存儲模式和內(nèi)存基址，提供中斷及配置芯片等步驟.

CS8900的收發(fā)數(shù)據(jù)主要通過函數(shù)int CS_ReceivePacket和int CS_TransmitPacket實現(xiàn).發(fā)數(shù)據(jù)時,對控制寄存器TXCMD進行寫操作，向長度寄存器TXLENG中寫入發(fā)送數(shù)據(jù)長度，然后把數(shù)據(jù)依次寫入PORT0口.網(wǎng)卡芯片將數(shù)據(jù)封裝為鏈路層類型并添加填充位和CRC校驗送到網(wǎng)絡(luò)，然后處理器再對ISO的數(shù)據(jù)進行查詢.當有數(shù)據(jù)來到后，讀取接收到的數(shù)據(jù)幀，處理器在讀數(shù)據(jù)時依次讀地址.

5.4 TFTP的通信流程

發(fā)送請求：PC向主機發(fā)出WRQ請求,收到一個確認能夠?qū)懗龅臄?shù)據(jù)包.在一般情況下，被確認的包的包號就包含在該包中.每個數(shù)據(jù)包都有一個從1開始且連續(xù)的塊號.然而WRQ包則較為特殊，其包號是0，在收到錯誤包的同時該請求會被拒絕.如果發(fā)送成功，則在文件名段指明要發(fā)送的文件名,在模式段寫入“OCTET”,表示用于傳輸文件,這種文件在源機上以8位格式存儲.然后，嵌入式設(shè)備向PC機發(fā)出確認包（ACK）,并在數(shù)據(jù)塊段填充0.

數(shù)據(jù)傳輸：PC對嵌入式設(shè)備發(fā)數(shù)據(jù)包,在數(shù)據(jù)塊段填充數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)塊號.在數(shù)據(jù)段填充要發(fā)送的數(shù)據(jù).TFTP協(xié)議每次發(fā)送512B，附帶四個字節(jié)的報文信息，若包小于516時就代表它是最后一個包.當嵌入式設(shè)備收到數(shù)據(jù)包包后,會向PC發(fā)出確認包（ACK）.最后，只需在數(shù)據(jù)塊段填充觀察所接收到的數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)塊號,就可知道是否成功接收到這個數(shù)據(jù)包.

5.5 TFTP的數(shù)據(jù)接收

CS8900在收到數(shù)據(jù)包后，芯片將接收的數(shù)據(jù)包保存到內(nèi)存，它主要通過調(diào)用數(shù)據(jù)處理函數(shù)net_handle來實現(xiàn).并根據(jù)包的幀結(jié)果,依次調(diào)用arp_rcv_packet和ip_rcv_packet處理數(shù)據(jù)包.

其中net_handle函數(shù)源代碼如下所示:

該函數(shù)實際上是一個中斷，當CS8900接收到數(shù)據(jù)包時則產(chǎn)生該中斷進入net_handle函數(shù)進行數(shù)據(jù)處理.

5.6 TFTP的實際測試

將開發(fā)平臺利用網(wǎng)線通過集線器與PC連接，分配MAC地址和IP地址,使用PC機的ping程序測試,若其連接正常,則說明ARP,IP和ICMP協(xié)議正常.利用TFTP命令,將本機的TXT文件發(fā)送到嵌入式設(shè)備內(nèi)存空間的0x30008000處.利用網(wǎng)絡(luò)抓包軟件,觀察網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包,結(jié)果符合TFTP通信流程.在嵌入式設(shè)備的內(nèi)存地址0x30008000處觀察數(shù)據(jù),結(jié)果數(shù)據(jù)與TXT文件內(nèi)容一致，則說明TFTP執(zhí)行正確,UDP協(xié)議正常.

6 結(jié)束語

本文主要介紹了S3C2410嵌入式以太網(wǎng)通信，以及CS8900A這一實時性強且可靠的以太網(wǎng)控制器的使用和工作模式.通過對CS8900進行直接一系列操作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層功能，最終完成嵌入式開發(fā)平臺的使用以及TFTP協(xié)議連接到以太網(wǎng)進行文件傳輸?shù)哪康?該方案在實際應(yīng)用中有著一定的應(yīng)用價值.

〔1〕王興亮，高利平，等.通信系統(tǒng)概論.西安電子科技大學出版社,2008.

〔2〕楊鑄，唐攀.深入淺出嵌入式底層軟件開發(fā).北京航空航天大學出版社，2011.

〔3〕王黎明，陳雙橋等.ARM9嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與實踐.北京航空航天大學出版社，2008.

〔4〕王學龍.嵌入式Linux系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[M].北京:清華大學出版社，2001.

〔5〕Cirrus Logic,Inc.CS8900A Product Data sheet.2001.

〔6〕EduKit3ARM9_UserGuide_V3.0_cn.