LAN91C111型控制器在嵌入式以太網(wǎng)接口中的應(yīng)用

    摘要：嵌入式以太網(wǎng)不僅可用于工業(yè)現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)上網(wǎng)功能，而且還可以用于信息家電的以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，具有很好的發(fā)展前景。文章介紹基于TMS320LF2407型DSP的嵌入式系統(tǒng)與LAN91C111型自適應(yīng)10Mb/s/100Mb/s嵌入式以太網(wǎng)控制的接口電路及軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。

    關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理 LAN91C111 TCP/IP 嵌入式以太網(wǎng)

1 引言

在電子設(shè)備日趨網(wǎng)絡(luò)的背景下，目前廣泛使用的以太網(wǎng)及TCP/IP協(xié)議已經(jīng)成為事實(shí)上最常用的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)之一，它的高速、可靠、分層及可擴(kuò)充性使得它在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越靈活，很多情況下運(yùn)用以太網(wǎng)和TCP/IP能夠簡化結(jié)構(gòu)和降低成本。目前關(guān)于嵌入式以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案不是很多，其中大多是基于單片機(jī)的，缺點(diǎn)是速度慢、成本太高。DSP作為一種特殊的嵌入式微處理器系統(tǒng)，具有嵌入的協(xié)處理器和用于快速數(shù)據(jù)處理的并行數(shù)據(jù)通道，在嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中引入DSP技術(shù)可以使嵌入式以太網(wǎng)變得更快、更便宜、更容易進(jìn)行功能擴(kuò)充。本文介紹了基于TMS320LF2407型的嵌入式系統(tǒng)與LAN91C111型自適應(yīng)10Mb/s/100Mb/s嵌入式以太網(wǎng)控制芯片的接口電路和實(shí)現(xiàn)方法。

2 LAN91C111

LAN91C111是SMSC公司為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)推出的第三代快速以太網(wǎng)控制器。LAN91C111的芯片上集成了遵循SMSC/CD協(xié)議的MAC（媒體層）和PHY（物理層），符合IEEE802.3/802.U-100Base-Tx/10Base-T規(guī)范，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該以太網(wǎng)控制器的主要功能如下：

·自適應(yīng)地選傳輸速率，支持10Mb/s/100Mb/s；

·充分支持全雙工交換式以太網(wǎng)；

·支持突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸；

·8k字節(jié)的內(nèi)部存儲(chǔ)器用作接收發(fā)送的FIFO緩存；

·增強(qiáng)式能量管理功能；

·支持總線8位、16位、32位的CPU訪問；

·提前發(fā)送和接收。

LAN91C111以太網(wǎng)控制器遵循IEEE頒布的802.3以太網(wǎng)傳輸協(xié)議。其8-32位數(shù)據(jù)總線接口單元通過控制總線、地址總線和數(shù)據(jù)總線與外部的CPU相連。外部數(shù)據(jù)可以8位、16位或32位的方式與LAN91C111進(jìn)行交換。該電路還集成了EEPROM接口，自舉時(shí)再通過EEOROM接口輸入到芯片中，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)初始化?？偩€仲裁器（Arbiter）用來監(jiān)視以太網(wǎng)總線的數(shù)據(jù)交流情況，一旦發(fā)生阻塞，仲裁器一方面通過總線接口單元與外部CPU聯(lián)系，另一方面控制內(nèi)存控制單元（MMU），實(shí)現(xiàn)總線數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)。內(nèi)存控制單元可控制8kB動(dòng)態(tài)SRAM的存儲(chǔ)情況，實(shí)現(xiàn)與DMA控制器之間的數(shù)據(jù)聯(lián)絡(luò)。DMA控制器與總線控制器一起控制DMA與以太網(wǎng)協(xié)議處理器（EPH）之間的數(shù)據(jù)交換。以太網(wǎng)協(xié)議處理器（EPH）之間的數(shù)據(jù)交換。以太網(wǎng)協(xié)議處理器出來的數(shù)量最終經(jīng)過10Mb/s/100Mb/s的物理層（PHY）直接到達(dá)以太網(wǎng)總線。

3 硬件電路組成

出于性價(jià)比的考慮，選用DSP控制器作為主CPU。TMS320LF2407是TI公司發(fā)布的一款高性價(jià)比的，適用于工業(yè)控制領(lǐng)域的DSP。該系列具有強(qiáng)大的指令系統(tǒng)、較強(qiáng)的靈活性、高速的數(shù)學(xué)處理功能及全新的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可廣泛用于通信、計(jì)算機(jī)、商業(yè)、工業(yè)、軍事等領(lǐng)域。TMS320LF2407是240X系列控制器中功能最強(qiáng)的一款，采用低功耗CMOS技術(shù)，具有30MI/s的執(zhí)行速率，片上還集成了豐富的外圍部件（EVM、A/D模塊、CAN、SCI、SPI及JTAG）。TMS320LF2407的工作頻率較高（40MHz），存貯空間較大（高達(dá)32k字的FLASH程序存儲(chǔ)器，可擴(kuò)展外部64k字存儲(chǔ)器，64k字I/O尋址空間），非常適合處理復(fù)雜的TCP/IP協(xié)議。

    由于LAN91C111是專為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，因此，其外圍電路相對(duì)比較簡單。它和沒有DMA傳輸性能的16位DSP（TMS320LF2407）及TG110-S050N2型電磁耦合變壓器構(gòu)成的嵌入式以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中，地址總線A1-A15相連。A0沒有被LAN91C111使用，懸空；數(shù)據(jù)總線D0-D15相連，用于16位數(shù)據(jù)傳輸。LAN91C111端D16-D32懸空；LAN91C111的片選信號(hào)AEN由DSP的外部I/O接口選通信號(hào)IS提供。二個(gè)元件的讀電平RD、寫電平WR分別相連。LAN91C111的中斷輸出信號(hào)INTRO送入DSP的外部中斷腳XINT1觸發(fā)中斷。嵌入式以太網(wǎng)通信模塊的電路原理如圖3所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 μC/OS II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的移植

μC/OS II是一種開放源碼的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，是一個(gè)可移植、可裁減、可固化的占先式多任務(wù)操作系統(tǒng)，已被應(yīng)用到多種微處理器中，其大部分源碼是用ANSI C語言編寫的。移植工作包括以下幾個(gè)內(nèi)容：

（1）用匯編語言改寫OS_CPU_A.ASM文件

該文件包括4個(gè)子程序：_OSStartHighRdy、OSCtxSw、OSIntCtxSw和OSTickISR。OSStartHighRdy()函數(shù)被OSStart()函數(shù)調(diào)用，功能是運(yùn)行優(yōu)先級(jí)最高的就緒任務(wù)；OSCtxSw()函數(shù)被OS Sched()函數(shù)調(diào)用，其功能是在任務(wù)級(jí)實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換，任務(wù)切換用31號(hào)軟中斷來實(shí)現(xiàn)；OSIntCtxSw()函數(shù)只能在中斷子程序里被OSIntExit()函數(shù)調(diào)用，由于中斷的產(chǎn)生可能引起任務(wù)切換，因此在中斷服務(wù)程序的最后會(huì)調(diào)用OSIntExit()函數(shù)調(diào)用，由于中斷的產(chǎn)生可能引起任務(wù)切換，因此在中斷服務(wù)程序的最后會(huì)調(diào)用OSIntExit()函數(shù)來檢查任務(wù)就緒狀態(tài)，如果滿足任務(wù)切換條件（在最后一層中斷里，并有高優(yōu)先級(jí)任務(wù)就緒），則OSIntExit()調(diào)用此函數(shù)實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換；時(shí)鐘節(jié)拍函數(shù)OSTickISR()的功能如下：TMS320LF2407有4個(gè)通用定時(shí)器，其中斷優(yōu)先級(jí)由高到低分別為T1、T3、T2、T4，可根據(jù)實(shí)際需要選擇基中的一個(gè)來實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘節(jié)拍。需要注意的是：調(diào)用_OSIntEnter前不能開中斷。如果在調(diào)用_OSIntEnter前就開中斷，有可能在OSIntNesting加1前就被中斷。若發(fā)生這種情況，則當(dāng)高優(yōu)先級(jí)的中斷調(diào)用OSIntExit()而退出時(shí)，應(yīng)直接從高優(yōu)先級(jí)中斷里切換到任務(wù)，而不是反回到_OSTickISR(假設(shè)_OSTickISR是最后一層中斷)，其根本原因就在于_OSTickISR還沒有來得及將OSIntNesting加1就被中斷了。在用戶的其他中斷服務(wù)程序中也應(yīng)該防止此類錯(cuò)誤。

（2）用C語言改寫OS CPU_C.C文件

本文件僅包括一個(gè)OSTaskStkInit()子程序。該函數(shù)可模仿TI公司的1$$SAVE庫函數(shù)對(duì)任務(wù)堆棧進(jìn)行初始化，被OSTaskCreate()函數(shù)和OSTaskCreateExt()函數(shù)所調(diào)用，該函數(shù)是用來返回任務(wù)堆棧初始化后的指針值。注意：TMS320LF2407A本身的堆棧（以下簡稱US）只有8級(jí)，無法作為系統(tǒng)堆棧使用，所以C編譯器將其內(nèi)部的二個(gè)突破口AR0，AR1保留，其中AR1作為堆棧指針SP，AR0用做堆棧中臨時(shí)變量指針FP（在匯編程序中不要使用這二個(gè)寄存器，如果必須使用，要關(guān)中斷，并注意保存和恢復(fù)）。編譯器將函數(shù)和中斷壓進(jìn)US的返回地址彈出放在SP（AR1）指南的堆棧中，并保留環(huán)境，不同的是函數(shù)只保留程序要使用的寄存器，中斷要調(diào)用I$$AVE保存所有寄存器，返回時(shí)要跳轉(zhuǎn)到（而不是調(diào)用）I$$REST（這兩個(gè)函數(shù)可以在RTS.SRC中看到源代碼）恢復(fù)寄存器，這二個(gè)函數(shù)就象8068里的中斷進(jìn)入和指令HRET，是移植OSTaskStkInit()函數(shù)的基礎(chǔ)。

（3）編寫OS_CPU.H文件

內(nèi)容可根據(jù)μC/OS-II中的“80×86”的內(nèi)容進(jìn)行修改，這里僅給出關(guān)鍵內(nèi)容：

#define OS STK GROWTH 0

#define OS ENTER CRITICAL() asm("SETC IN TM");

#define OS_EXIT CRITICAL() asm ("CLRC IN TM");

#define OS-ASKee SW() asm("INTR 31");

（4）適當(dāng)OSMap Tb1[]和OSUnMapTb1[]

移植時(shí)還需要對(duì)tic /OS-II的OSMapTb1[]和O-SunMapTb1[]二個(gè)表進(jìn)行適當(dāng)處理，否則會(huì)出現(xiàn)尋址錯(cuò)誤而使μC/OS-II無法正常運(yùn)行，這是移植能否成功的重要因素之一。由于TMS320LF2407的存儲(chǔ)器采用的是哈佛結(jié)構(gòu)，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器（或外擴(kuò)的ROM）位于程序區(qū)，因此，處理的方法如下：將tic /OS-II中OSMapTb1[]和OSUnMapTb1[]的數(shù)據(jù)類型從“INT8U const'改為‘INT8U’，并在鏈接器命令文件（.CMD）中將“.cinit”塊分配到Flash存儲(chǔ)器（或外擴(kuò)的ROM中，鏈接選項(xiàng)用“-C”（ROM初始化）。這樣，在程序運(yùn)行時(shí)將自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)區(qū)的RAM進(jìn)行初始化，即運(yùn)行時(shí)自動(dòng)將“.cinit”塊中的數(shù)據(jù)復(fù)制到數(shù)據(jù)區(qū)的RAM中。

按需配置OS-FG.H，修改CPU中斷向量表和外設(shè)向量表后，其他文檔的內(nèi)容可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。至此，μC/OS-II在TMS320LF2407上的移植就完成了。

4.2 LAN91C111的編程

4.2.1 初始化

上電后，LAN91C111內(nèi)部寄存器的值均設(shè)置為缺省值，CPU將根據(jù)需要設(shè)置其中的Configuration,Base和Individual Address寄存器，以保證電路正確工作。

4.2.2 發(fā)送數(shù)據(jù)包流程

（1）DSP向控制器發(fā)送ALLOCATE MEMORY命令（設(shè)置MMUCOM寄存器，通常設(shè)置為0x0020）,MMU為待發(fā)送的包在控制器內(nèi)部的packet buffer中分配存儲(chǔ)空間。

（2）DSP查詢Interrupt Status寄存器中的ALLOC INT位，直到該位被置成1，也可以設(shè)置Interrupt Mask中的ALLOC INT位，然后等待硬件中斷，這時(shí)，MMU已經(jīng)分配好存儲(chǔ)空間。而且TX packet number放在Allocation Result寄存器中。（3）將Allocation Result寄存器中的packet number:拷貝到Packet Number:寄存器中，設(shè)置Pointer寄存器（設(shè)置為TX；WR，AUTOINC，即0x4000）。然后將包中數(shù)據(jù)從upper layer發(fā)送隊(duì)列傳送到控制器的Data Register。要求依次寫入Status Word、Byte Count、destination address、source address、packet size、packet data、control word。

（4）DSP向控制器發(fā)送“ENQUEUE PACKET NUMBER TO TX FIFO”命令（設(shè)置MMUCOM寄存器，通常設(shè)置0x00C0），該命令將Packet Number寄存器中的packet number拷貝到TX FIFO，說明發(fā)送的包已放入隊(duì)列中。同時(shí)設(shè)置Transmit control寄存器中的TXENA位。同時(shí)設(shè)置Transmit control寄存器中的TXENA位，啟動(dòng)transmitter。到此為止，DSP的設(shè)置工作完成，它可以IDLE，直到接收到一個(gè)控制器產(chǎn)生的發(fā)送中斷。

（5）當(dāng)控制器傳送完包以后，memory中的第一個(gè)字（16bit）被CSMA/CD寫入相應(yīng)的Status Word，然后將TX FIFO中的packet number移到TX completion FIFO，當(dāng)TX completion FIFO不為空時(shí)產(chǎn)生中斷。

（6）DSP接收到中斷后，開始執(zhí)行中斷處理程序，它讀入Interrupt Status寄存器，如果產(chǎn)生發(fā)送中斷，則從FIFO ports寄存器讀入發(fā)送的包中的packet number，并將它寫入packet number寄存器。然后從memory中讀人Status Word（包括設(shè)置Pointer寄存器為TX、RD、AUTOINC，即0x6000，然后從數(shù)據(jù)寄存器中讀入包的Status Word），它是EPH寄存器的鏡像，再根據(jù)Status Word判斷包發(fā)送是否成功。如果成功，DSP則向控制器發(fā)送RELEASE命令（設(shè)置MMUCOM寄存器，設(shè)置為0x00A0），隨后控制器將釋放發(fā)送包所使用的存儲(chǔ)空間，同時(shí)設(shè)置TX INT Acknowledge寄存器，它將TX completion FIFO中的pecket unmber清除。有二種產(chǎn)生發(fā)送中斷的方案：每發(fā)送一個(gè)包產(chǎn)生一個(gè)中斷；每發(fā)送一個(gè)序列的包產(chǎn)生一個(gè)中斷。通過Control寄存器的Auto Release位來選擇這二種方案，而且這二種方案所使用發(fā)送中斷位也有所不同。

TX INT：當(dāng)TX completion FIFO不為空時(shí)置1e;

TX EMPTY INT:當(dāng)TX FIFO為空時(shí)置to；

AUTO RELEASE：如果置為1，發(fā)送包成功后，packet number不寫到TX completion FIFO中，而且它所使用的存儲(chǔ)空間被自動(dòng)釋放。

圖3

    （7）使用“每發(fā)送一個(gè)包產(chǎn)生一個(gè)中斷”方案時(shí)，AUTO RELEASE=0，該方案的流程如上文所述。使用“每發(fā)送一個(gè)序列的包產(chǎn)生一個(gè)中斷”方案時(shí)允許TX EMPTY INT和TX INT，AUTORELEASE=1，當(dāng)發(fā)送完FIFO中的最后一個(gè)包后，產(chǎn)生TX EMPTY INT中斷。若出現(xiàn)嚴(yán)重的發(fā)送錯(cuò)誤，則產(chǎn)生TX INT中斷，同時(shí)將發(fā)送失敗的包的packet number保存到FIFO Ports寄存器，這樣DSP就可以知道發(fā)送過程停止了。這種方案可以減少DSP的負(fù)擔(dān)，而且存儲(chǔ)空間的釋放也更迅速。當(dāng)AUTO RELEASE=1時(shí)，DSP不能得到成功發(fā)送包的packet number。

4．2．3 接收數(shù)據(jù)包流程

（1）DSP設(shè)置receive control寄存器中的RXEN位，允許接收包。

（2）含有正確地址的包被接收到，從MMU請(qǐng)求存儲(chǔ)空間，并分派一個(gè)packet number，內(nèi)部的DMA邏輯產(chǎn)生連續(xù)的地址，并將接收到的字寫到memory中，如果超界，包被丟棄，存儲(chǔ)空間被釋放。當(dāng)檢測(cè)到包的結(jié)束，Status Word被寫到接收包的最前面，byte count寫到第二個(gè)字。如果CRC校驗(yàn)正確，packet number被寫到RX FIFO，由于RX FIFO非空時(shí)，因此將產(chǎn)生RCV INT中斷；如果RCR校驗(yàn)不正確，則存儲(chǔ)空間被釋放，而且不產(chǎn)生中斷。

（3）DSP接收到中斷后開始執(zhí)行中斷處理程序，首先讀入Interrupt Status寄存器，如果產(chǎn)生接收中斷（RCV INT位為1），則可從FIFO ports寄存器得到接收包的packet number，而且可從data register將接收包傳送到DSP的內(nèi)存或外存中。當(dāng)處理結(jié)束，DSP向處理器發(fā)送REMOVE AND RELEASE FROM TOP OF RX命令（即設(shè)置寄存器MMUCOM為0x0060）以釋放使用的存儲(chǔ)空間和packet number。

5 結(jié)束語

以太網(wǎng)以其良好的通用性和突出的帶寬性能成為下一代工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的焦點(diǎn)。本設(shè)計(jì)利用LAN91C111型嵌入式以太網(wǎng)控制器和DSP組成嵌入式以太網(wǎng)通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠正確地接入快速以太網(wǎng)，具備100/10Mbit/s、全雙工/半雙工自適應(yīng)等多種功能，符合IEEE802.3/802.3μ-100Base-TX/1Obase-T規(guī)范，其嵌入式以太網(wǎng)接口支持RJ45和以太網(wǎng)的連接，可以通過以太網(wǎng)接入Internet，從而實(shí)現(xiàn)從Internet上監(jiān)控嵌入式設(shè)備。對(duì)以太網(wǎng)和快速以太網(wǎng)的自動(dòng)協(xié)商模式使LAN91C111具有很高的性價(jià)比和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。