由網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧芯片W3100A構(gòu)成的TCP/IP處理平臺(tái)

    摘要：詳細(xì)介紹一種基于AT91M40800 ARM7處理器和W3100A芯片的網(wǎng)絡(luò)處理平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。在概述嵌入式網(wǎng)絡(luò)的前景之后，提出一種TCP/IP網(wǎng)絡(luò)處理平臺(tái)的方案，并詳細(xì)分析這種平臺(tái)的硬件模塊設(shè)計(jì)、軟件模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

    關(guān)鍵詞：TCP/IP AT91M40800 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧芯片 W3100A

引言

越來(lái)越多的人已經(jīng)認(rèn)知到后PC時(shí)代的到來(lái)，越來(lái)越多的嵌入式產(chǎn)品走到了現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的前臺(tái)。嵌入式產(chǎn)品從出生到繁榮一直秉承著與應(yīng)用緊耦合這個(gè)宗旨。過(guò)去它們基本上都是獨(dú)立的工作，最多是通過(guò)485、CAN總線之類(lèi)的互相交換信息；但隨著信息時(shí)代的信息大爆炸的到來(lái)，這些簡(jiǎn)單的傳遞內(nèi)部少量信息的方案已經(jīng)不能夠能很地滿足實(shí)現(xiàn)的市場(chǎng)需求，越來(lái)越多的嵌入式產(chǎn)品有了與Internet互連、進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)這個(gè)浩瀚的信息庫(kù)的要求。嵌入式Internet技術(shù)是一種將嵌入式設(shè)備接入Internet的技術(shù)。利用該技術(shù)可將Internet從PC機(jī)延伸到8位、16位、32位單片機(jī)，并實(shí)現(xiàn)基于Internet的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)報(bào)警、上傳/下載數(shù)據(jù)文件、自動(dòng)發(fā)送E-mail等功能，大大擴(kuò)展Intenrt的應(yīng)用范圍和嵌入式產(chǎn)品觸及的領(lǐng)域。為此本人提出一種基于W3100A芯處的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)處理開(kāi)發(fā)平臺(tái)的方案，并予以實(shí)現(xiàn)。

1 嵌入式網(wǎng)絡(luò)處理平臺(tái)方案的介紹

目前，國(guó)內(nèi)外嵌入式網(wǎng)絡(luò)處理平臺(tái)基本上是采用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧。這種方案在大批量生產(chǎn)時(shí)，具有成本低的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)橛密浖O(shè)計(jì)的TCP/IP協(xié)議棧，是一次投次多次使用；但這種方案開(kāi)發(fā)周期比較長(zhǎng)，對(duì)開(kāi)發(fā)人員的要求高，要求對(duì)操作系統(tǒng)和TCP/IP協(xié)議都要有一定程度的熟悉，并且高檔MCU和RTOS的價(jià)格也很高。為此本人提出了一種直接利用TCP/IP協(xié)議棧芯片的實(shí)現(xiàn)方案。它由W3100A、RTL8201、AT91M40800組成，如圖1所示。這種方案，盡管在大批量生產(chǎn)時(shí)成本高，因?yàn)槊總€(gè)智能設(shè)備都要嵌入TCP/IP協(xié)議棧芯片；但是在非大批量生產(chǎn)時(shí)個(gè)有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、靈活的特點(diǎn)，因?yàn)椴恍枰獙?shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持，并且在本人給出的各種工具和芯片廠商提供的函數(shù)庫(kù)的支持下可以實(shí)現(xiàn)上一種方案能實(shí)現(xiàn)的絕大部分功能。

2 W3100A的介紹

W3100A是TCP/IP協(xié)議芯片。它有如下特點(diǎn)：首先，自帶TCP/IP協(xié)議棧（如TCP、UDP、Ipver.4、ICMP、ARP、DLC、MAC協(xié)議）；其次，能同時(shí)支持四個(gè)獨(dú)立的連接通道，具有高速傳輸速率，同時(shí)，具有與MCU和物理層電路接口。雖然數(shù)據(jù)手冊(cè)中只提取了Intel和Motorola的MCU，但是經(jīng)過(guò)筆者的實(shí)際證明，W3100A對(duì)Atmel的AT91M400800也能很好的支持。W3100A還提供了Socket應(yīng)用程序編程接口，為那種需要進(jìn)行因特網(wǎng)連接的智能設(shè)備，提供了一種簡(jiǎn)便、廉價(jià)、高效的方案。其功能框圖如圖2所示。

W3100A的寄存器分成四類(lèi)：①與控制寄存器相關(guān)的命令、狀態(tài)和中斷寄存器；②設(shè)置網(wǎng)關(guān)地址、子網(wǎng)掩碼、源IP地址、源硬件地址和超時(shí)變量的關(guān)系寄存器；③管理發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的指針寄存器；④控制每個(gè)通道操作的通道寄存器。

    W3100A的0X4000～0X5FFF為發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，該緩沖區(qū)只能寫(xiě)不能讀；0X6000～0X7FFF為接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，只能讀不能寫(xiě)。

W3100A與MCU的接口包括直接總線模式、非直接總線模式和I2C接口模式。第1種是15根地址線全部與MCU相連；第2種只要0、1兩根地址線與MCU相連，2、3地址線接高電平，剩下的地址線全部接地；第3種方式是把W3100A當(dāng)作I2C設(shè)備來(lái)使用，其中8～14地址用來(lái)提供I2C設(shè)備的地址。這里使用了第2種方式與MCU相連。其中這些模式的選擇由MODE0、MODE1、MODE2三個(gè)引腳的電位所決定。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

如圖1所法，本電路主要由基于ARM7的AT91M40800、W3100A、RTL8201來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的功能，但是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn)一個(gè)嵌入式TCP/IP網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以便使工程師把精力從大量的底層細(xì)節(jié)開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)移到面向應(yīng)用的層面上來(lái)，所以硬件電路外擴(kuò)了SDRAM、Flash、LED、KEYBARD、RS232等接口電路。其中Flash、SDRAM、W3100A分別占用CS0、CS1、CS2三個(gè)地址空間。LED、KEYBARD共占用CS4一個(gè)地址空間。SDRAM使用了16位數(shù)據(jù)線的方式，F(xiàn)lash、W3100A都使用了8位數(shù)據(jù)線的方式。AT91M40800接口電路如圖3所示。SDRAM、Flash都提供了較大的剩余空間，以便將來(lái)用戶(hù)在其上開(kāi)發(fā)自己的用戶(hù)程序。其中Flash片選線為NCS0，8位數(shù)據(jù)總線寬度，初始化程序?qū)⑵浠刂范ㄎ辉?x01000000，地址范圍是0x01000000～0x011FFFFF。系統(tǒng)使用了2片SDRAM，其片選線為NCS1，再使用SN74HC139D分別進(jìn)行片選，初始化程序?qū)⑵浠刂范ㄎ辉?x02000000，地址范圍是0x02000000～0x02FFFFFF。除此以外，AT91M40800還有8KB的內(nèi)部RAM，32位數(shù)據(jù)總線寬度，在初始化結(jié)束后，重射定位在0x00000000。

W3100A片選線為NCS3，8位數(shù)據(jù)總線寬度，初始化程序?qū)⑵浠刂范ㄎ辉?x0300000，其硬件連接如圖4所示。由于采用了第二種接入方式，只需用到四個(gè)地址寄存器地址，且偏移量分別為0x0c、0x0d、0x0e、0x0f，所以其地址范圍為0x0300000C～0x0300000F。W3100A與主MCU的通信采用中斷方式，其INT引腳接到AT91M40800的P9/IRQ0的引腳，以實(shí)現(xiàn)中斷觸發(fā)。其中W3100A與AT91M40800分別進(jìn)行復(fù)位，以便分別調(diào)試。

圖3

    為了便于用戶(hù)在平臺(tái)上開(kāi)發(fā)自己的應(yīng)用程序，本人在平臺(tái)上面實(shí)現(xiàn)了初始化和調(diào)試程序代碼。系統(tǒng)提供了兩個(gè)DB-9插頭，分別連接到AT91M40800的UART0和UART1：一個(gè)用于與筆者的調(diào)試程序?qū)崿F(xiàn)通信，一個(gè)用于用戶(hù)其它調(diào)試應(yīng)用。在系統(tǒng)上還使用了一個(gè)撥碼開(kāi)關(guān)，以便用戶(hù)執(zhí)行自己的應(yīng)用程序和對(duì)Flash進(jìn)行編程保護(hù)，。

其中撥碼開(kāi)關(guān)的1、2腳分別接高、低電平并且與AT91M40800的P23腳相連，以決定MCU初始化后執(zhí)行程序的起始地址；3、4腳分別接高電平和AT91M40800的NWR0/NWR引腳，并且與Flash的寫(xiě)使能腳相連，以決定Flash是否可編程。

4 軟件模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中軟件主要包括三大部分：AT91M40800的初始化代碼、監(jiān)控程序的目標(biāo)板與PC平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)、Flash的編程實(shí)現(xiàn)。

4.1 AT91M40800的初始化模塊

在這個(gè)模塊里，主要以目標(biāo)板的硬件設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)MCU的寄存器初始化、異常向量表的初始化、異常處理程序和各種處理器模式下的堆棧的分配并實(shí)現(xiàn)重映射。然后，把系統(tǒng)運(yùn)行權(quán)交給監(jiān)控程序或者是用戶(hù)的應(yīng)用程序（由撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)）。其中寄存器初始化既包括ARM7核內(nèi)的寄存器的初始化，也包括AT91M40800芯片內(nèi)外圍寄存器的初始化，具體的有R15、EBL_CS0、EBL_CS1、EBL_CS2、EBL_CS3、AIC_SVR0、PIO_IDR、PIO_PDR、US_CR等。這里的代碼部分全部是用ARM的指令集來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了增加源程序的可讀性、可移植性，將寄存器的地址和數(shù)據(jù)全部重定義命名，如addr_SVR8 EQU 0x0202000,CODE_SVR8 EQU 0x01010000,CODE_SVR8_END EQU 0x01011000。

4．2 監(jiān)控程序的實(shí)現(xiàn)

監(jiān)控程序可以實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能：顯示處理器各狀態(tài)下寄存器的值，修改指定地址的SDRAM、FlashROM中的內(nèi)容，查看指定地址的存儲(chǔ)器中的內(nèi)容，將用戶(hù)編寫(xiě)的代碼下載到目標(biāo)板指不定期地址的SDRAM、FlashROM中，從指定地址開(kāi)始執(zhí)行用戶(hù)代碼，支持用戶(hù)設(shè)置的軟件中斷。

    監(jiān)控程序包括兩部分：一是運(yùn)行在目標(biāo)板上的程序，二是運(yùn)行在PC機(jī)上的應(yīng)用程序。目標(biāo)板上的程序?qū)崿F(xiàn)與PC機(jī)上程序的交互操作，并按照PC機(jī)上程序的指令要求來(lái)完成讀寫(xiě)寄存器、SDRAM、Flash和執(zhí)行指定地址的代碼程序。這段代碼也是用ARM指令集來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它與PC機(jī)的交互是使用指定ASCII碼字符的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。比如，按下PC機(jī)上的Memory按鈕以后，PC機(jī)將發(fā)送一個(gè)V字符，這些信息將以ASCII碼的方式通過(guò)串口發(fā)送到目標(biāo)機(jī)上。當(dāng)目標(biāo)板上的監(jiān)控程序收到V字符后，馬上跳轉(zhuǎn)到Memory標(biāo)號(hào)段，在這段程序中回應(yīng)一個(gè)OK。PC機(jī)收到OK后，就發(fā)送地址信息，目標(biāo)板上的監(jiān)控程序收到地址后緊接著就處理相應(yīng)的要求。PC機(jī)端的應(yīng)用程序是使用VB開(kāi)發(fā)環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其界面如圖5所示。它提供給用戶(hù)一個(gè)交互的界面。這樣開(kāi)發(fā)工具給那些沒(méi)有昂貴的ARM仿真器的用戶(hù)提供了一個(gè)較為簡(jiǎn)便的調(diào)試方法。

4.3 Flash的編程實(shí)現(xiàn)

Flash的編程作為一個(gè)獨(dú)立的代碼部分與調(diào)試程序代碼部分協(xié)同工作，使用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，并最終與前兩個(gè)部分鏈部到一起。它主要由以下幾個(gè)部分組成：Flash編程模塊void Program(void);擦除整個(gè)Flash芯片Void EraseAll(void)；擦除扇區(qū)void EraseSector（void）；擦除一個(gè)扇區(qū)int OneSectorErase(ulong targetAddr)；空字節(jié)檢查int BlankCheck(ulong targetAddr,ulong targetSize);編程結(jié)果校驗(yàn)int Verification（ulong targetAddr,ulong limit,ulong srcAddr）；等待延時(shí)int Wait(ulong tAddr).其中擦除與編程操作利用AM291V160D的指令字就可以完成。空字節(jié)檢查是讀出Flash中的數(shù)據(jù)并且與0xFF比較得到結(jié)果。編程結(jié)果校驗(yàn)是在編程結(jié)束后調(diào)用的函數(shù)，它是通過(guò)讀出Flash當(dāng)中的數(shù)據(jù)與源數(shù)據(jù)相比較的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，以確保編程結(jié)果正確。由于擦除操作與編程操作需要一定的時(shí)間，為了保證擦除與編程操作的正確性和判斷它們所處的階段，一般Flash芯片都提供三種判斷方法：一是應(yīng)用引腳電平方式，二是采用TOGGLE位的方式，三是采用POLLING位的方式。這里在等待延時(shí)程序中采用TOGGLE位和超時(shí)判斷位DQ5相結(jié)合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)判斷擦除編程操作的具體狀態(tài)。具體的判斷算法流程可以參考AM291V160D的數(shù)據(jù)手冊(cè)。

4.4 函數(shù)庫(kù)的支持

用戶(hù)在開(kāi)發(fā)自己的應(yīng)用程序時(shí)，還有兩個(gè)強(qiáng)大的函數(shù)庫(kù)可以利用：一個(gè)是Atmel公司提供的AT91M開(kāi)發(fā)庫(kù)（在Atmel公司的主頁(yè)上可以下載），另一個(gè)是Wiznet公司提供的W3100A的API函數(shù)（可在Wiznet公司的主頁(yè)下載）。

結(jié)語(yǔ)

用戶(hù)在采用此系統(tǒng)以后，可以免除對(duì)大量實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和底層TCP/IP協(xié)議細(xì)節(jié)的了解。應(yīng)用本人提供的底層軟件、工具和芯片廠商提供的開(kāi)發(fā)庫(kù)，將能夠靈活、快速地實(shí)現(xiàn)自己的嵌入式上網(wǎng)方案和應(yīng)用。此方案為加快用戶(hù)的產(chǎn)品上市提供了一個(gè)不可多得的平臺(tái)。