基于DM9000A的DSP以太網(wǎng)接口設(shè)計與實現(xiàn)

 摘要：為了實現(xiàn)DSP與外圍設(shè)備進行以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信，采用了一種基于網(wǎng)絡控制芯片DM9000A的DSP以太網(wǎng)接口實現(xiàn)方式。它以TI公司的DSP處理器TMS320F28335和DM9000A網(wǎng)絡芯片為硬件平臺，通過DSP總線控制DM9000A內(nèi)部寄存器，完成DM9000A的初始化以及底層以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的發(fā)送接收，并對TCP/IP協(xié)議進行裁剪，包括IP，ARP，ICMP，UDP和TCP等協(xié)議，實現(xiàn)了適用于DSP設(shè)備的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信功能。

DSP(Digital Signal Processor)是一種獨特的微處理器，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件。它強大的數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，是最值得稱道的兩大特色。隨著網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，在工業(yè)控制、智能儀器、智能家庭等領(lǐng)域，越來越多的DSP設(shè)備要求具有以太網(wǎng)通信功能，以便與外部網(wǎng)絡設(shè)備進行數(shù)據(jù)通信。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)絡性能的關(guān)鍵因素之一，如何正確使用網(wǎng)絡控制器是設(shè)計以太網(wǎng)接口的關(guān)鍵。本文采用處理器+以太網(wǎng)控制芯片+TCP/IP協(xié)議的DSP以太網(wǎng)接入方式，設(shè)計并實現(xiàn)了基于DSP的精簡TCP /IP協(xié)議棧，并固化在DSP內(nèi)，無需操作系統(tǒng)也可運行。

1 總體設(shè)計

本系統(tǒng)使用32位DSP處理器TMS320F28335和以太網(wǎng)控制芯片DM9000A為核心，DSP控制整個系統(tǒng)的運行，DM9000A實現(xiàn)網(wǎng)絡傳輸?shù)牡讓庸δ堋２CP/IP協(xié)議棧自行裁剪，構(gòu)成了DSP的以太網(wǎng)接口，實現(xiàn)了網(wǎng)絡通信。其系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 DM9000A功能結(jié)構(gòu)

DM9000A是DAVICOM公司推出的一款高度集成、低成本的快速以太網(wǎng)控制器，實現(xiàn)以太網(wǎng)媒體介質(zhì)訪問層(MAC)和物理層(PHY)的功能。該芯片具有通用的處理器接口，片內(nèi)集成了10/100M自適應的PHY，內(nèi)部含有16 KB SRAM用于接收/發(fā)送的FIFO緩存，3.3 V供電，并且支持IEEE 802.3以太網(wǎng)傳輸和8/16接口的兩種主機工作模式協(xié)議。功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 接口電路的連接

接口電路主要由DSP、以太網(wǎng)控制芯片DM9000A、隔離變壓器和RJ-45構(gòu)成。DSP控制整個系統(tǒng)的運行，DM9000A實現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的底層傳輸。隔離變壓器的主要作用：其一，可以增強信號，使其傳輸距離更遠;其二，使芯片端與外部隔離，增強抗干擾能力，并對芯片端起保護作用;其三，當接到不同電平(如有的PHY芯片是2.5 V，有的PHY芯片是3.3 V)的網(wǎng)口時，不會對彼此設(shè)備造成影響。RJ-45接口可用于連接RJ-45接頭，適用于由雙絞線構(gòu)建的網(wǎng)絡，這種是最常見的以太網(wǎng)接口。DM9000A采用16位接口模式，數(shù)據(jù)地址復用總線D0～D15與DSP總線XD0～XD15相連;DM9000A的寫信號引腳與DSP的XWE0n相連;讀信號引腳與DSP的讀引腳相連;DM9000A的片選信號引腳與DSP的CS0n相連;DM9000A的訪問類型引腳CMD與DSP的普通I/O口GPIO61相連，高電平訪問DM9000A的數(shù)據(jù)端口，低電平訪問地址端口;DM9000A的復位引腳與DSP的GPIO 60相連;DM9000A的物理層接口TX+，TX-，RX+，RX-通過隔離變壓器連接RJ-45至以太網(wǎng)。其以太網(wǎng)接口硬件連接如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

網(wǎng)絡接口的軟件主要有DM9000A驅(qū)動程序設(shè)計和上層通信協(xié)議程序設(shè)計兩個部分。DM9000A驅(qū)動程序設(shè)計主要是通過TMS320F28335控制總線配置DM9000A內(nèi)部寄存器，完成對DM9000A初始化、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的接收三部分。上層通信協(xié)議程序設(shè)計是對TCP/IP棧裁剪移植，主要完成對接收到的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀進行解析并處理，并把要發(fā)送的數(shù)據(jù)封裝成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，然后發(fā)送。

3.1 DM9000A驅(qū)動程序設(shè)計

3.1.1 DM9000A初始化

DM9000A正常工作需要在上電后對內(nèi)部寄存器進行初始化，具體流程如下：

(1)啟動PHY。設(shè)置通用寄存器GPR(1FH)的GEPIO0=0。

(2)進行兩次軟啟動。設(shè)置網(wǎng)絡控制寄存器NCR(00H)的RST=1，10μs后RST=0，同樣的操作進行兩次。

(3)選擇網(wǎng)絡模式。設(shè)置NCR的LBK=00，設(shè)置網(wǎng)絡工作模式為正常模式。

(4)清除發(fā)送標志。設(shè)置網(wǎng)絡狀態(tài)寄存器NSR(01H)WAKEST=1，TX2END=1，TX1END=1。

(5)寫6 B的以太網(wǎng)節(jié)點地址到物理地址寄存器PAR(10H～15H)中。

(6)設(shè)置中斷屏蔽寄存器IMR(FFH)的PAR=1，使能指針自動跳回，當SRAM讀/寫指針超過SRAM的大小時，指針自動跳回起始位置;PRI=1，使能數(shù)據(jù)包接收中斷。

(7)設(shè)置接收控制寄存器RCR(05H)的WTDIS=1，看門狗定時禁止;DSI_LONG=1，丟棄長數(shù)據(jù)包;DIS_CRC=1丟棄CRC校驗錯誤的數(shù)據(jù)包;RXEN=1，使能接收功能。

初始化流程如圖4所示。

完成上述初始化步驟后，DM9000A就處于正常工作狀態(tài)，可以收發(fā)數(shù)據(jù)包。若有異常發(fā)生，就需要重復上述步驟，重啟DM9000A以使芯片恢復到正常狀態(tài)。

3.1.2 數(shù)據(jù)幀發(fā)送

DM9000A內(nèi)部有16 KB的SRAM作為接收/發(fā)送數(shù)據(jù)的緩存區(qū)，其中前3 KB的空間，地址從0x0000H～0x0BFFH，用來緩存需要發(fā)送的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)發(fā)送的具體步驟如下：

(1)利用寫操作寄存器MWCMD(F8H)，將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀寫入DM9000A的發(fā)送緩存區(qū)。

(2)將數(shù)據(jù)幀長度寫入長度寄存器TXPLL(FCH)和TXPLH(FDH)。

(3)設(shè)置發(fā)送控制寄存器TCR(02H)，TXREQ=1，數(shù)據(jù)幀開始發(fā)送。

(4)檢查網(wǎng)絡狀態(tài)寄存器NSR(01H)的TX2END和TX1END位，判斷此幀數(shù)據(jù)是否發(fā)送完。

數(shù)據(jù)幀發(fā)送流程圖如圖5所示。

3.1.3 數(shù)據(jù)幀接收

當DM9000A數(shù)據(jù)接收使能后，DM9000A就會自動接收數(shù)據(jù)。DM9000A接收到的數(shù)據(jù)先保存在地址從0x0C00～0x3FFF的13 KB內(nèi)部SRAM緩存空間中，它是一個環(huán)形結(jié)構(gòu)。

利用寄存器MRCMDX(FOH)和寄存器MRCMD(F2H)可獲取緩存中的數(shù)據(jù)幀信息。接收到的數(shù)據(jù)幀格式如圖6所示。

其中第1個字節(jié)是接收數(shù)據(jù)標志字節(jié)，表征接收到數(shù)據(jù)幀是否有效。第2個字節(jié)是接收數(shù)據(jù)幀的狀態(tài)字節(jié)，其中的內(nèi)容與接收狀態(tài)寄存器RSR中的內(nèi)容相同，可以用來判斷所接收的數(shù)據(jù)幀是否正常。第3，4個字節(jié)是接收到數(shù)據(jù)的長度字節(jié)，其中低位在前，高位在后。從第5個字節(jié)開始的數(shù)據(jù)才是真正數(shù)據(jù)幀內(nèi)容。

數(shù)據(jù)接收過程如下：

(1)檢查中斷狀態(tài)寄存器：ISR(FEH)，若PRS位為1，說明有新的數(shù)據(jù)幀接收，寫1清除PRS位;若為0，說明無數(shù)據(jù)，直接返回。

(2)讀取第1個字節(jié)，即接收數(shù)據(jù)標志字節(jié)。如果該字節(jié)為01，則表示接收下來的是有效數(shù)據(jù)幀;如果該位為00則表示沒有數(shù)據(jù)到達，或數(shù)據(jù)已經(jīng)接收完成;如果既不是01又不是00，則認為有異常發(fā)生，這時就要將DM9000A芯片重啟以使芯片恢復到正常狀態(tài)。

(3)讀取第2個字節(jié)，即接收狀態(tài)字節(jié)。根據(jù)接收狀態(tài)字節(jié)判斷所接收的數(shù)據(jù)幀是否正常。

(4)讀取第3，4字節(jié)，即數(shù)據(jù)幀長度字節(jié)。

(5)讀取真正的數(shù)據(jù)幀內(nèi)容。

(6)根據(jù)獲取的長度信息，判斷是否讀完一幀。如果讀完，接著讀下一幀，直到遇到首字節(jié)是00H的幀，說明接收數(shù)據(jù)已讀完。

數(shù)據(jù)幀接收流程如圖7所示。

3.2 上層通信協(xié)議程序設(shè)計

TCP/IP協(xié)議模型可以分為四個層次，從下到上依次為：鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層。每一層都有不同的功能，低一層為高一層提供服務。

標準的TCP/IP協(xié)議棧對處理器的計算、存儲要求比較高，然而，DSP系統(tǒng)的計算資源和存儲資源通常是非常有限，在DSP中實現(xiàn)標準的TCP/IP協(xié)議棧將占用大量系統(tǒng)資源，不利于DSP其他方面的應用，因此必須對它進行簡化并優(yōu)化，盡可能做到代碼精簡，降低存儲開銷。本系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)了TCP/IP通信協(xié)議的必要部分，包括：ARP，IP，ICMP，TCP，UDP等協(xié)議。

ARP(地址解析協(xié)議)為IP地址到對應的硬件地址之間提供動態(tài)映射。IP協(xié)議是TCP/IP協(xié)議的核心，所有的TCP，UDP，ICMP的數(shù)據(jù)都是以IP數(shù)據(jù)格式傳輸?shù)?。ICMP(網(wǎng)絡控制報文)是用來傳遞差錯報文以及其他需要注意的信息，有各種類型的ICMP報文，本文只用到ICMP的請求回顯(類型字段為8、代碼字段為0)。TCP提供一種面向連接的、可靠的字節(jié)流服務，交換數(shù)據(jù)之前必須先建立一個TCP連接，即“三次握手”UDP是一個簡單的面向數(shù)據(jù)報的傳輸層協(xié)議，它把應用程序傳給IP層的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，但是并不保證他們能到達目的地。在鏈路層，當DM9000A完成一個以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀接收后，將其讀入暫存數(shù)組，檢查以太網(wǎng)幀類型字段，該字段值為0x0806，表示數(shù)據(jù)幀為ARP幀;該字段的值為0x0800，表示數(shù)據(jù)幀為IP幀。接著，分別交由ARP協(xié)議處理模塊或IP協(xié)議處理模塊。編程時使用框架如下：

if(完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀接收)

{ if(以太網(wǎng)類型字段==0x0806)

{ARP處理模塊}

if(以太網(wǎng)類型字段==0x0800)

{IP處理模塊}

}

網(wǎng)絡層收到的為ARP數(shù)據(jù)報，ARP根據(jù)操作字段(ARP請求為1，ARP應答為2)，或者發(fā)送ARP應答或者更新ARP地址映射表。若為IP數(shù)據(jù)報，IP協(xié)議處理模塊對數(shù)據(jù)包解析后，IP首部協(xié)議字段若為1就將數(shù)據(jù)交給ICMP協(xié)議處理模塊，若為6則交給TCP處理模塊，若為17則交給UDP處理模塊。傳輸層得到UDP的報文后，按照UDP協(xié)議中的端口，分別送給不同的應用層序。若傳輸層得到的是TCP報文，則要根據(jù)TCP的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖進行處理。在TCP或UDP的處理模塊中，根據(jù)目的端口號，分別將數(shù)據(jù)送往不同的用戶應用程序。其工作流程如圖8所示。

4 結(jié)語

本文把高度集成、低成本的快速以太網(wǎng)控制器DM9000A與數(shù)據(jù)處理能力強大、高運行速度的DSP(TMS320F28335)相結(jié)合，設(shè)計出了一種DSP的以太網(wǎng)接口。實驗結(jié)果表明，DSP系統(tǒng)可以通過該接口實現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信，經(jīng)自行裁剪的TCP/IP協(xié)議棧，不僅實現(xiàn)了IP，ARP，ICM P，TCP和UDP協(xié)議，而且提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。該接口具有硬件接口簡單、外圍器件少、運行穩(wěn)定可靠、性價比高等特點，同時也能夠滿足測試、采集等高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的要求，符合當今DSP設(shè)備趨于網(wǎng)絡化發(fā)展的方向。