嵌入式系統(tǒng)以太網(wǎng)卡控制器LAN91C96

摘要：以LAN91C96為例，介紹嵌入式以太網(wǎng)控制器基本結構;結合PXA250(XScale)，分析嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡接口卡(NIC)軟硬件設計。 關鍵詞：嵌入式系統(tǒng) NIC 網(wǎng)絡接口卡 LAN91C96 引 言 　　當今社會已經(jīng)進入數(shù)字信息技術和網(wǎng)絡技術高速發(fā)展的后PC(Post-PC)時代，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛滲透到科學研究、工程設計、軍事技術、各類產(chǎn)業(yè)和商業(yè)文化藝術、娛樂業(yè)以及人們的日常生活等方方面面;而網(wǎng)絡技術的快速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)的廣泛應用，使得嵌入式產(chǎn)品有了更廣泛的前景。各種家電設備、 PDA、儀器儀表、工業(yè)生產(chǎn)中數(shù)據(jù)的采集與控制等設備正在逐漸走向網(wǎng)絡化，以共享互聯(lián)網(wǎng)絡中龐大的信息資源。嵌入式設備的網(wǎng)絡化開發(fā)有著廣闊的前景。 　　本文以SMSC公司的LAN91C96嵌入式以太網(wǎng)控制器為例，介紹嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡接口卡(NIC)的軟硬件設計。 1 以太網(wǎng)控制器LAN91C96簡介 　　LAN91C96是SMSC公司生產(chǎn)的專門用于嵌入式產(chǎn)品的10M以太網(wǎng)控制器。其優(yōu)良的性能、低功耗及小尺寸，使LAN91C96成為嵌入式NIC 中的主流產(chǎn)品。 圖1 1.1 主要特點 ◆ 支持IEEE802.3(ANSI8802-3)以太網(wǎng)標準 ◆ 全雙工收發(fā)方式，具有睡眠模式 ◆ 6KB的片上RAM ◆ 與處理器接口可采用PCMCIA、ISA或Motorola 68000 ◆ 支持先進的傳輸隊列管理 ◆ 硬件MMU ◆通過串行EEPROM選擇性配置 ◆ 全雙工傳輸模式 ◆可連接同軸電纜和雙絞線，支持10Base5、10Base2、10BaseT，并可自動檢測所連介質 ◆ 高級的電源管理特性 ◆ 支持“Magic Packet”電源管理技術 ◆ 低功耗的CMOS設計 1.2 內部框架 　　圖1是LAN91C96原理框圖。 　　LAN91C96網(wǎng)卡控制其內部集成了6KB的RAM，用來存放數(shù)據(jù)包。內部的MMU、判決器和DMA對數(shù)據(jù)包的傳輸發(fā)送進行有效的管理。 CSMA/CD(載波監(jiān)聽多路訪問/沖突避免)模塊集成了IEEE 802.3 MAC層協(xié)議，負責監(jiān)聽網(wǎng)絡情況和地址過濾，若目的地址是LAN91C96的地址、廣播地址或多播地址，則接收此數(shù)據(jù)包，否則拋棄。內部物理接口 (PHY)包含一個ENDEC和10BaseT Transceiver。編解碼器(ENDEC)負責曼徹斯特(Manchester)編解碼，并提供標準6腳連接單元接口(AUI)，外接同軸傳輸接收器，應用10Base2/5。傳輸數(shù)據(jù)時，10BaseT Transceiver負責把主控制器傳過來的反向不歸零碼(NRZ)數(shù)據(jù)轉換為Manchester數(shù)據(jù)，并以適當?shù)碾娖郊右则寗?接收時負責連接完整性測試。外接的串行電可擦除只讀ROM(EEPROM)中可存儲網(wǎng)卡的MAC地址，當OS啟動加載網(wǎng)卡時，以太網(wǎng)控制器就從EEPROM的固定地址中讀取 MAC地址并存儲在相應的寄存器中。

1.3 工作原理 　　LAN91C96內部6KB的RAM為數(shù)據(jù)包的傳輸接收提供緩沖，使全雙工工作模式下數(shù)據(jù)傳輸率可達10Mbps;MMU把RAM分成256B的頁，并負責為每個數(shù)據(jù)幀分配一個或多個頁。 　　當主處理器傳輸數(shù)據(jù)時，MMU首先根據(jù)數(shù)據(jù)大小為其在RAM中分配若干頁。在數(shù)據(jù)傳送到RAM時，此數(shù)據(jù)幀的幀號也在TX FIFO中排隊，然后此數(shù)據(jù)幀在輪到時傳送到PHY模塊進行Manchester編碼，最后根據(jù)CSMA/CD協(xié)議把此數(shù)據(jù)幀傳送到相應的介質上。 　　在介質上有數(shù)據(jù)時，LAN91C96將數(shù)據(jù)幀復制一份并傳送到ENDEC模塊進行Manchester解碼，而CSMA/CD模塊根據(jù)該數(shù)據(jù)幀頭的目的地址是否為本網(wǎng)卡MAC地址、廣播或多播地址來決定此數(shù)據(jù)幀的取舍。若地址匹配，MMU為其在RAM中開辟相應大小的空間，并以中斷的方式告知主處理器。在數(shù)據(jù)幀被取走后，MMU釋放此塊內存。 1.4 數(shù)據(jù)幀的構成 　　一個IEEE 802.3數(shù)據(jù)幀由以下幾個部分組成：前導位(preamle)、幀起始位(SFD)、目的地址(destination)、源地址(source)、數(shù)據(jù)長度(length)、數(shù)據(jù)(data)、幀校驗字(FCS)。如圖2所示，數(shù)據(jù)的數(shù)量范圍46"1500B，如一組要傳送的數(shù)據(jù)為46B，就用零補足;超過1500B時，需要拆成多個幀傳送。前導位、幀起始位和幀校驗字僅供控制器本身用，主處理器收到的數(shù)據(jù)幀的組成依次包括：接收狀態(tài)(1B)、下一幀的頁地址指針(1B)、目的地址(6B)、源地址(6B)、數(shù)據(jù)長度/幀類型(2B)、數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)長度/幀類型的值小于或等于1500B時，表示數(shù)據(jù)場的長度;反之，表示數(shù)據(jù)幀的類型。如值依次為 0x08、0x00，表示數(shù)據(jù)為IP包;值依次為0x08、0x06，表示數(shù)據(jù)為ARP包。 2 以太網(wǎng)卡設計方案 2.1 硬件設計方案 　　此設計方案采用的嵌入式處理器是Intel公司的PXA250(XScale)。該處理器是Intel為了滿足便攜式和嵌入式應用需求而優(yōu)化的微處理器。PXA250基于Intel XScale微體系結構，RISC架構，最高可以運行400MHz。 PXA250采用ARM指令、數(shù)據(jù)高速緩存、內存管理單元(MMU)和讀/寫緩沖器。另外，PXA250提供系統(tǒng)支持邏輯、多串行通信通道、彩色/灰度刻度LCD控制器、支持PCMCIA、通用I/O端口、USB、串口、紅外接口、JTAG、音頻等。 　　圖3是嵌入式以太網(wǎng)卡的原理圖。LANC91C96內部寄存器可通過對地址線A0、A1、A2、A3……的操作來訪問，LAN91C96內部寄存器寬度是16bit;而PXA250的訪問寬度是32bit，所以LANC91C96的A1、A2、A3……分別與PXA250的A2、A3、A4……相連。 LANC91C96的數(shù)據(jù)訪問寬度是16bit，所以其16根數(shù)據(jù)線與PXA250的低16根數(shù)據(jù)線相連。中斷INTR0與PXA250的GPIO11相連。 　　外接的93C46是1Kbit的串行EEPROM，64%26;#215;16陣列，按字訪問，用來存儲以太網(wǎng)卡的MAC地址。MAC地址是 48bit，預先燒寫在EEPROM的指定位置。每次系統(tǒng)啟動時，LAN91C96從EEPROM重讀出自己的MAC地址，存在指定的寄存器中。 EX2001是針對10M以太網(wǎng)的變壓濾波器。 圖3 2.2 軟件設計方案 　　該嵌入式設備運行Windows CE.net操作系統(tǒng)。Windows CE是一個搶先式多任務并具有強大通信和圖形顯示功能的Win32嵌入式操作系統(tǒng)，具有可移植性、實時性、模塊化等特點;是微軟專門為信息設備、移動應用、消費類電子產(chǎn)品、嵌入式應用設計的高性能操作系統(tǒng)。Windows CE是從整體上為有限資源的平臺設計的多線程、完整優(yōu)先級、多任務的操作系統(tǒng)。其模塊化設計允許它對于從掌上電腦到專用工業(yè)控制器的用戶電子設備進行定制。 　　對LAN91C96的軟件操作采用中斷處理方式：當系統(tǒng)有數(shù)據(jù)要傳輸時，首先把該數(shù)據(jù)傳到LAN91C96，LAN91C96把數(shù)據(jù)封裝成幀，加上前導字、校驗字等部分，并檢測到網(wǎng)絡中沒有數(shù)據(jù)在傳輸，才把此數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)骄W(wǎng)絡中，并向系統(tǒng)提出中斷，告知已成功傳輸數(shù)據(jù);當LAN91C96接收到一數(shù)據(jù)幀時，首先由CSMA/CD模塊察看此數(shù)據(jù)幀的目的地址，若為此網(wǎng)卡MAC地址、廣播地址或多播地址，才向系統(tǒng)提出中斷，并把此數(shù)據(jù)幀傳到 LAN91C96的數(shù)據(jù)寄存器中。系統(tǒng)對此包進行處理，察看是否校驗字錯誤等，并剝去前導字，然后傳給上層NDIS進行處理。 3 結 論 　　基于上述方案的嵌入式以太網(wǎng)卡可以穩(wěn)定地工作，實際網(wǎng)絡速度可以達到9Mbps(依網(wǎng)絡狀況而定)，并具有FTP等功能。