基于PC104總線(xiàn)的嵌入式以太網(wǎng)卡設計

引言

近幾年來(lái)，PC機技術(shù)向嵌入式應用領(lǐng)域滲透的步伐逐漸加大，嵌入式PC機以其超小的體積、極低的功耗散熱，無(wú)需機箱和底板就可直接疊裝組合成各種系統而受到用戶(hù)的歡迎，因而具有巨大的應用潛力。早期的嵌入式PC機產(chǎn)品是基于8位和16位的ISA總線(xiàn)的標準化母板的PC機，后來(lái)又開(kāi)發(fā)出多種小型化嵌入式PC產(chǎn)品。當前，國際上小型化嵌入式PC產(chǎn)品中，較有代表性的當數PC104，其尺寸僅為9.14cm9.65cm，不用插板和總線(xiàn)母板，模塊之間采用層疊式封裝。PC104與ISA規范完全兼容。因此，用戶(hù)能夠充分利用目前被廣泛認可的PC結構體系、現有的軟硬件資源，提供自己的需求組合成更多的功能，開(kāi)發(fā)出新型的PC104產(chǎn)品，以大大縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期及成本。

隨著(zhù)信息網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)現場(chǎng)應用中往往存在大量的設備上網(wǎng)的需求。目前，為了實(shí)現網(wǎng)絡(luò )化系統，工業(yè)設備都必須以網(wǎng)絡(luò )終端的形式出現在系統中。由于工業(yè)控制系統設備的多樣性和分布性，智能模塊方式的嵌入式終端已成為主流設備控制方式，而這種網(wǎng)絡(luò )終端大多用單片機或數字信號處理器來(lái)實(shí)現。在功能單一及性能要求不高的情況下，采用8位或16位的MCU往往滿(mǎn)足了現場(chǎng)要求。隨著(zhù)硬件成本的降低及市場(chǎng)上需要更大功率、復雜而功能豐富的嵌入應用的增加，在嵌入式處理器的高端產(chǎn)品市場(chǎng)上，32位機器得到了很大的成長(cháng)空間。典型的有Advanced RISC Machines公司的ARM系列、IBM及Motorola公司的PowerPC、Silicon Graphics公司的MIPS芯片等。Intel公司也在它原有的X86系列中專(zhuān)門(mén)增加了一種產(chǎn)品系列386EX，其軟件與其它X86微處理器保持完全一致。基于此，本文提出了一種利用Intel 386EX嵌入式微處理器設計智能以太網(wǎng)擴展模塊NP104的方法。利用此模塊，可以實(shí)現工業(yè)現場(chǎng)應用中基于PC104或工業(yè)PC的智能電子設備快速上網(wǎng)的需求。

1 基本組成及功能概述

NP104是一款支持PC104總線(xiàn)的智能以太網(wǎng)擴展模塊。NP104占用PC104總線(xiàn)（或ISA總線(xiàn)）上的一段存儲器空間（約4KB），通過(guò)高速雙口RAM與主系統交換數據。NP104智能網(wǎng)絡(luò )擴展模塊的主要功能包括以下兩方面：實(shí)時(shí)接收系統CPU提交的數據，按照TCP/IP協(xié)議進(jìn)行封裝，通過(guò)板的以太網(wǎng)控制接口發(fā)往目的地；自動(dòng)接收網(wǎng)絡(luò )上發(fā)來(lái)的數據，并進(jìn)行解包得到應用數據，放入雙口RAM供系統CPU讀取。

NP104主要針對基于PC104或工業(yè)PC的智能電子設備，需要快速實(shí)現設備網(wǎng)絡(luò )化的應用領(lǐng)域而設計的。由于是通過(guò)雙口RAM與系統CPU交換數據，客戶(hù)只需在現有設備中加插1張NP104板卡，在程序中增加簡(jiǎn)單的幾行代碼，即可實(shí)現通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳送數據的目的，最大限度地縮短新產(chǎn)品的入市時(shí)間。另外，NP104支持DOC2000大容量電子盤(pán)，可實(shí)現嵌入式Web服務(wù)器等高級網(wǎng)絡(luò )應用。

圖1是NP104的硬件功能框圖。從圖1可知，NP104是一個(gè)基于Intel 386EX的完整嵌入式系統，其主要技術(shù)指標如下：

*僅使用PC104的XT總線(xiàn)部分，可與所有PC104主板或帶PC104接口的工控PC主板配合使用；

*系統CPU對NP104上的雙口RAM讀寫(xiě)速度不低于500 KB/s，保證PC104讀寫(xiě)速度不影響網(wǎng)絡(luò )傳輸速度；

*NP104上386EX的工作時(shí)鐘為40MHz，一般指令周期100ns，滿(mǎn)足絕大部分應用的需求；

*標準10Mbps以太網(wǎng)接口，10Base-T連接方式；

*雙口RAM占用的存儲器空間可配置；

*可使用PC104的IRQ5中斷資源，以便快速響應通信請求；

*標準PC104板卡尺寸（96mm90mm）。

NP104內部主要技術(shù)指標為：

*48MHz Intel386EX高性能、32位微處理器；

*512KB Flash存儲器，帶磁盤(pán)文件驅動(dòng)軟件接口；

*10Base-T以太網(wǎng)控制接口，NE2000兼容；

*1個(gè)標準RS232C串口（9線(xiàn)）；

*可直接支持M-System公司的DiskOnChip2000系列大容量電子盤(pán)芯片；

*供電電壓：5（10.05）V，工作電流570mA；

*標準PC104尺寸：96mm90mm，提供標準安裝孔；

*工作溫度-10～65℃，工作濕度為5%～95%，滿(mǎn)足國際GB7261第21章規定的電子產(chǎn)品濕熱試驗要求；

*NP104可保證不影響其嵌入的整機對圖像GB6162規定的干擾試驗以及國際GB/T14598.10規定的參級快速瞬變干擾試驗的通過(guò)。

2 系統設計說(shuō)明

NP104內部是一個(gè)以386EX為核心的嵌入式系統，通過(guò)雙口RAM與PC104主CPU進(jìn)行數據交換。以下把NP104擴展板內CPU稱(chēng)為386EX，PC104上的系統CPU稱(chēng)為主CPU。作為10 Mbps以太網(wǎng)接口，采用8位數據總線(xiàn)寬度即可滿(mǎn)足應用需求。雙口RAM器件選用4K8bit的IDT7134LA，器件封裝為PLCC52。

雙口RAM數據區定義如表1所列。

從表1可看出，雙口RAM被分成2個(gè)基本部分，分別對應主CPU從NP104板中讀取來(lái)自于網(wǎng)絡(luò )的應用數據，以及主CPU把應用數據寫(xiě)入NP104緩沖區，NP104按照命令作相應的操作。以下詳細描述每一數據段的功能定義。

表1

（1）初始化過(guò)程

主CPU對輸入緩沖區進(jìn)行初始化，順序如下：①輸入數據包準備好狀態(tài)字節清零；②信號燈字節清零，即空閑；③根據需要設備中斷使能位；④初始化狀態(tài)置為0x12345678。386EX對輸出緩沖區進(jìn)行初始化，順序如下：①輸出數據包準備好狀態(tài)字節清零；②信號燈字節清零，即空閑狀態(tài)；③根據需要設備中斷使能位；④初始化狀態(tài)置為0x12345678。

（2）信號燈和狀態(tài)字節的定義及操作

為了保證雙邊CPU都充分發(fā)揮其作用，發(fā)生在NP104板上雙口RAM的數據通信，不采用阻塞式的握手線(xiàn)方式，而是采用非阻塞式的信號燈的通信方式?；静僮髟瓌t為：當CPU要對某一緩沖區數據進(jìn)行讀或寫(xiě)操作時(shí)，需首先檢查相應的信號燈字節，若信號燈處于空閑，則把信號燈設置為忙。之后，就可對相應緩沖區進(jìn)行操作了，操作完成后，再把信號燈設置為空閑。如果僅僅是查詢(xún)狀態(tài)，不需要操作信號燈。對緩沖區進(jìn)行任何操作的前提是緩沖區的初始化狀態(tài)字（長(cháng)整型）已被設置為0x12345678。

（3）系統主CPU與386EX數據通信過(guò)程

在PC104系統主CPU與NP104通信過(guò)程中，主CPU與386EX通過(guò)雙口RAM進(jìn)行數據的收發(fā)工作。系統CPU向輸出緩沖寫(xiě)入數據，則386EX從輸出緩沖區讀取數據。相應地，386EX從網(wǎng)絡(luò )中接收數據并寫(xiě)放輸入緩沖區中，然后，系統CPU從輸入緩沖區中讀取數據。這里，輸入及輸出緩沖區都是相對于系統主CPU而言的。

（4）中斷使能字節及使用

NP104卡支持主CPU采用中斷方式來(lái)讀取輸入緩沖區的數據，之前主CPU需進(jìn)行設置相應的中斷使能位為1的操作。當386EX把RcvDatRdy置1時(shí)，NP104卡有專(zhuān)門(mén)的硬件邏輯檢測這一操作，從而設置對主CPU的中斷請求線(xiàn)IRQ#為1；當主CPU把RcvDatRdy清0時(shí)，NP104卡將使中斷請求線(xiàn)IRQ#復0。相應地，386EX也可以采用中斷方式來(lái)讀取輸出緩沖區的數據，之間386EX需進(jìn)行設置相應的中斷使能位1的操作。當主CPU把SndDatRdy置1時(shí)，NP104卡有專(zhuān)門(mén)的硬件邏輯檢測這一操作，并設置對386EX的中斷請求線(xiàn)INT3（IRQ7）為1；當386EX把SndDatTdy清0時(shí)，NP104卡將使中斷請求線(xiàn)INT3復為0。

（5）資源分配說(shuō)明

雙口RAM在386EX的存儲空間映射區域為A8000H～A8FFFH；雙口RAM在PC104空間映射區域為D8000H～D8FFFH；512K電子盤(pán)的頁(yè)地址寄存器口地址為0X300H。

3 模塊驅動(dòng)程序設計及測試

嵌入式應用軟件典型的開(kāi)發(fā)方式是“宿主機/目標機”方式。首先，利用宿主機上豐富的資源及良好的開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)和仿真調試目標機上的軟件。然后，通過(guò)串行口或網(wǎng)絡(luò )將交叉編譯生成的目標代碼傳輸并裝載到目標機上。最后，目標機在特定的環(huán)境下運行。

PC104正常工作必須要有驅動(dòng)程序的支持。此驅動(dòng)程序采用ANSI C語(yǔ)言編寫(xiě)，由于系統PC兼容的程序運行環(huán)境，因此可以充分利用PC上現有的廉價(jià)軟件資源，而無(wú)需專(zhuān)門(mén)的開(kāi)發(fā)調試系統。程序在Borland C3.0集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下實(shí)現。通過(guò)與封裝好的TCP/IP協(xié)議棧的鏈接，NP104提供了雙口RAM的驅動(dòng)程序。驅動(dòng)程序由包含幾個(gè)源文件的工程文件通過(guò)編譯連接TCP/IP協(xié)議棧而生成.EXE文件，通過(guò)BC遠程下載到NP104硬件系統的電子盤(pán)中。系統BIOS對此.EXE文件進(jìn)行調用，一旦嵌入式擴展模塊的設備正常運行，系統就具備了網(wǎng)絡(luò )通信能力，其基本的程序流程框圖如圖2所示。由此可見(jiàn)，在系統正常工作狀態(tài)下，NP104一直處于循環(huán)檢查以太網(wǎng)及中斷響應主系統命令的狀態(tài)，以保證主系統設備與網(wǎng)絡(luò )的正常通信。相應地，對于主系統而言，NP104的接口驅動(dòng)程序包括12個(gè)功能調用，即雙口RAM初始化、初始化以太網(wǎng)接口、建立與關(guān)閉TCP連接、讀取TCP/IP網(wǎng)絡(luò )接口數據及發(fā)送數據至TCP/IP網(wǎng)絡(luò )接口等功能。本系統中的軟件是在基于DOS操作系統之上運行的，另外本系統亦可提供基于多任務(wù)RTOS如VRTX、DeltaOS的應用環(huán)境。

系統測試時(shí)，NP104與PC104主板構成基本環(huán)境，NP104與局域網(wǎng)相接，PC104主板上的測試程序（采用BC編寫(xiě)）通過(guò)調用NP104接口程序，與LAN上的上位機進(jìn)行通信。同時(shí)，在LAN上連接上位PC機，運行相應的測試程序（采用VC編寫(xiě)），以檢驗NP104的通信功能。在系統測試過(guò)程中，盡可能地考慮了通信過(guò)程中可能出現的各種異常情況，并采取了相應的處理措施。比如在通信過(guò)程中，NP104運行異常中止并重新復位運行后，此時(shí)PC104能夠及時(shí)檢查到NP104的復位信息；另外，當PC104主機出現異常重新啟動(dòng)后，可使用InitNP104（）函數重新啟動(dòng)NP104。在此函數中，通過(guò)軟件的方式實(shí)現了硬件的復位，以確保NP104正常通信。

結束語(yǔ)

利用Intel嵌入式微處理器386EX設計的基于PC104總線(xiàn)的智能網(wǎng)絡(luò )擴展模塊可以滿(mǎn)足基于PC104總線(xiàn)或工業(yè)PC的智能電子設備的快速上網(wǎng)需求，在中國電力科學(xué)研究院電力電子公司的現場(chǎng)應用中，利用此方法設計的模塊已能正常運行。隨著(zhù)嵌入式應用的日益深入，各種現場(chǎng)應用對高性能及實(shí)時(shí)性的求也不斷增加，RTOS將在嵌入式系統設計中占據主導地位，嵌入式Linux也將在嵌入式系統中得到越來(lái)越廣泛的應用?；赑owerPC、MIPS、StrongARM微處理器的產(chǎn)品也將不斷出現在未來(lái)的現場(chǎng)應用中。