LAN91C111型控制器在嵌入式以太網(wǎng)接口中的應用
加入技術(shù)交流群
摘要：嵌入式以太網(wǎng)不僅可用于工業(yè)現場(chǎng)實(shí)現現場(chǎng)節點(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)現遠程控制，具有很好的發(fā)展前景。文章介紹基于TMS320LF2407型DSP的嵌入式系統與LAN91C111型自適應10Mb/s/100Mb/s嵌入式以太網(wǎng)控制的接口電路及軟硬件實(shí)現方法。
關(guān)鍵詞：數字信號處理 LAN91C111 TCP/IP 嵌入式以太網(wǎng)
1 引言
在電子設備日趨網(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 )標準之一，它的高速、可靠、分層及可擴充性使得它在各個(gè)領(lǐng)域的應用越來(lái)越靈活，很多情況下運用以太網(wǎng)和TCP/IP能夠簡(jiǎn)化結構和降低成本。目前關(guān)于嵌入式以太網(wǎng)的設計方案不是很多，其中大多是基于單片機的，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，具有嵌入的協(xié)處理器和用于快速數據處理的并行數據通道，在嵌入式網(wǎng)絡(luò )設備中引入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)行功能擴充。本文介紹了基于TMS320LF2407型的嵌入式系統與LAN91C111型自適應10Mb/s/100Mb/s嵌入式以太網(wǎng)控制芯片的接口電路和實(shí)現方法。
2 LAN91C111
LAN91C111是SMSC公司為嵌入式應用系統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規范，其系統結構如圖1所示。該以太網(wǎng)控制器的主要功能如下：
自適應地選傳輸速率，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)數據傳輸；
8k字節的內部存儲器用作接收發(fā)送的FIFO緩存；
增強式能量管理功能；
支持總線(xiàn)8位、16位、32位的CPU訪(fǎng)問(wèn)；
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位數據總線(xiàn)接口單元通過(guò)控制總線(xiàn)、地址總線(xiàn)和數據總線(xiàn)與外部的CPU相連。外部數據可以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(guò)EEOROM接口輸入到芯片中，從而實(shí)現自動(dòng)初始化?？偩€(xiàn)仲裁器（Arbiter）用來(lái)監視以太網(wǎng)總線(xiàn)的數據交流情況，一旦發(fā)生阻塞，仲裁器一方面通過(guò)總線(xiàn)接口單元與外部CPU聯(lián)系，另一方面控制內存控制單元（MMU），實(shí)現總線(xiàn)數據協(xié)調。內存控制單元可控制8kB動(dòng)態(tài)SRAM的存儲情況，實(shí)現與DMA控制器之間的數據聯(lián)絡(luò )。DMA控制器與總線(xiàn)控制器一起控制DMA與以太網(wǎng)協(xié)議處理器（EPH）之間的數據交換。以太網(wǎng)協(xié)議處理器（EPH）之間的數據交換。以太網(wǎng)協(xié)議處理器出來(lái)的數量最終經(jīng)過(guò)10Mb/s/100Mb/s的物理層（PHY）直接到達以太網(wǎng)總線(xiàn)。
3 硬件電路組成
出于性?xún)r(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?xún)r(jià)比的，適用于工業(yè)控制領(lǐng)域的DSP。該系列具有強大的指令系統、較強的靈活性、高速的數學(xué)處理功能及全新的內部結構，可廣泛用于通信、計算機、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的一款，采用低功耗CMOS技術(shù)，具有30MI/s的執行速率，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32k字的FLASH程序存儲器，可擴展外部64k字存儲器，64k字I/O尋址空間），非常適合處理復雜的TCP/IP協(xié)議。
由于LAN91C111是專(zhuān)為嵌入式系統設計的，因此，其外圍電路相對比較簡(jiǎn)單。它和沒(méi)有DMA傳輸性能的16位DSP（TMS320LF2407）及TG110-S050N2型電磁耦合變壓器構成的嵌入式以太網(wǎng)結構如圖2所示。圖中，地址總線(xiàn)A1-A15相連。A0沒(méi)有被LAN91C111使用，懸空；數據總線(xiàn)D0-D15相連，用于16位數據傳輸。LAN91C111端D16-D32懸空；LAN91C111的片選信號AEN由DSP的外部I/O接口選通信號IS提供。二個(gè)元件的讀電平RD、寫(xiě)電平WR分別相連。LAN91C111的中斷輸出信號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 軟件設計
4.1 μC/OS II實(shí)時(shí)操作系統的移植
μC/OS II是一種開(kāi)放源碼的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統，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，已被應用到多種微處理器中，其大部分源碼是用ANSI C語(yǔ)言編寫(xiě)的。移植工作包括以下幾個(gè)內容：
（1）用匯編語(yǔ)言改寫(xiě)OS_CPU_A.ASM文件
該文件包括4個(gè)子程序：_OSStartHighRdy、OSCtxSw、OSIntCtxSw和OSTickISR。OSStartHighRdy()函數被OSStart()函數調用，功能是運行優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)；OSCtxSw()函數被OS Sched()函數調用，其功能是在任務(wù)級實(shí)現任務(wù)切換，任務(wù)切換用31號軟中斷來(lái)實(shí)現；OSIntCtxSw()函數只能在中斷子程序里被OSIntExit()函數調用，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 )調用OSIntExit()函數調用，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 )調用OSIntExit()函數來(lái)檢查任務(wù)就緒狀態(tài)，如果滿(mǎn)足任務(wù)切換條件（在最后一層中斷里，并有高優(yōu)先級任務(wù)就緒），則OSIntExit()調用此函數實(shí)現任務(wù)切換；時(shí)鐘節拍函數OSTickISR()的功能如下：TMS320LF2407有4個(gè)通用定時(shí)器，其中斷優(yōu)先級由高到低分別為T(mén)1、T3、T2、T4，可根據實(shí)際需要選擇基中的一個(gè)來(lái)實(shí)現時(shí)鐘節拍。需要注意的是：調用_OSIntEnter前不能開(kāi)中斷。如果在調用_OSIntEnter前就開(kāi)中斷，有可能在OSIntNesting加1前就被中斷。若發(fā)生這種情況，則當高優(yōu)先級的中斷調用OSIntExit()而退出時(shí)，應直接從高優(yōu)先級中斷里切換到任務(wù)，而不是反回到_OSTickISR(假設_OSTickISR是最后一層中斷)，其根本原因就在于_OSTickISR還沒(méi)有來(lái)得及將OSIntNesting加1就被中斷了。在用戶(hù)的其他中斷服務(wù)程序中也應該防止此類(lèi)錯誤。
（2）用C語(yǔ)言改寫(xiě)OS CPU_C.C文件
本文件僅包括一個(gè)OSTaskStkInit()子程序。該函數可模仿TI公司的1$$SAVE庫函數對任務(wù)堆棧進(jìn)行初始化，被OSTaskCreate()函數和OSTaskCreateExt()函數所調用，該函數是用來(lái)返回任務(wù)堆棧初始化后的指針值。注意：TMS320LF2407A本身的堆棧（以下簡(jiǎn)稱(chēng)US）只有8級，無(wú)法作為系統堆棧使用，所以C編譯器將其內部的二個(gè)突破口A(yíng)R0，AR1保留，其中AR1作為堆棧指針SP，AR0用做堆棧中臨時(shí)變量指針FP（在匯編程序中不要使用這二個(gè)寄存器，如果必須使用，要關(guān)中斷，并注意保存和恢復）。編譯器將函數和中斷壓進(jìn)US的返回地址彈出放在SP（AR1）指南的堆棧中，并保留環(huán)境，不同的是函數只保留程序要使用的寄存器，中斷要調用I$$AVE保存所有寄存器，返回時(shí)要跳轉到（而不是調用）I$$REST（這兩個(gè)函數可以在RTS.SRC中看到源代碼）恢復寄存器，這二個(gè)函數就象8068里的中斷進(jìn)入和指令HRET，是移植OSTaskStkInit()函數的基礎。
（3）編寫(xiě)OS_CPU.H文件
內容可根據μC/OS-II中的“8086”的內容進(jìn)行修改，這里僅給出關(guān)鍵內容：
#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OSMap Tb1[]和OSUnMapTb1[]
移植時(shí)還需要對tic /OS-II的OSMapTb1[]和O-SunMapTb1[]二個(gè)表進(jìn)行適當處理，否則會(huì )出現尋址錯誤而使μC/OS-II無(wú)法正常運行，這是移植能否成功的重要因素之一。由于TMS320LF2407的存儲器采用的是哈佛結構，Flash存儲器（或外擴的ROM）位于程序區，因此，處理的方法如下：將tic /OS-II中OSMapTb1[]和OSUnMapTb1[]的數據類(lèi)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存儲器（或外擴的ROM中，鏈接選項用“-C”（ROM初始化）。這樣，在程序運行時(shí)將自動(dòng)對數據區的RAM進(jìn)行初始化，即運行時(shí)自動(dòng)將“.cinit”塊中的數據復制到數據區的RAM中。
按需配置OS-FG.H，修改CPU中斷向量表和外設向量表后，其他文檔的內容可根據實(shí)際需要進(jìn)行相應設置。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內部寄存器的值均設置為缺省值，CPU將根據需要設置其中的Configuration,Base和Individual Address寄存器，以保證電路正確工作。
4.2.2 發(fā)送數據包流程
（1）DSP向控制器發(fā)送ALLOCATE MEMORY命令（設置MMUCOM寄存器，通常設置為0x0020）,MMU為待發(fā)送的包在控制器內部的packet buffer中分配存儲空間。
（2）DSP查詢(xún)Interrupt Status寄存器中的ALLOC INT位，直到該位被置成1，也可以設置Interrupt Mask中的ALLOC INT位，然后等待硬件中斷，這時(shí)，MMU已經(jīng)分配好存儲空間。而且TX packet number放在A(yíng)llocation 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，設置Pointer寄存器（設置為T(mén)X；WR，AUTOINC，即0x4000）。然后將包中數據從upper layer發(fā)送隊列傳送到控制器的Data Register。要求依次寫(xiě)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（設置MMUCOM寄存器，通常設置0x00C0），該命令將Packet Number寄存器中的packet number拷貝到TX FIFO，說(shuō)明發(fā)送的包已放入隊列中。同時(shí)設置Transmit control寄存器中的TXENA位。同時(shí)設置Transmit control寄存器中的TXENA位，啟動(dòng)transmitter。到此為止，DSP的設置工作完成，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）當控制器傳送完包以后，memory中的第一個(gè)字（16bit）被CSMA/CD寫(xiě)入相應的Status Word，然后將TX FIFO中的packet number移到TX completion FIFO，當TX completion FIFO不為空時(shí)產(chǎn)生中斷。
（6）DSP接收到中斷后，開(kāi)始執行中斷處理程序，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(xiě)入packet number寄存器。然后從memory中讀人Status Word（包括設置Pointer寄存器為T(mén)X、RD、AUTOINC，即0x6000，然后從數據寄存器中讀入包的Status Word），它是EPH寄存器的鏡像，再根據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（設置MMUCOM寄存器，設置為0x00A0），隨后控制器將釋放發(fā)送包所使用的存儲空間，同時(shí)設置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(guò)Control寄存器的Auto Release位來(lái)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TX completion FIFO不為空時(shí)置1e;
TX EMPTY INT:當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(xiě)到TX completion FIFO中，而且它所使用的存儲空間被自動(dòng)釋放。
圖3
4．2．3 接收數據包流程
（1）DSP設置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請求存儲空間，并分派一個(gè)packet number，內部的DMA邏輯產(chǎn)生連續的地址，并將接收到的字寫(xiě)到memory中，如果超界，包被丟棄，存儲空間被釋放。當檢測到包的結束，Status Word被寫(xiě)到接收包的最前面，byte count寫(xiě)到第二個(gè)字。如果CRC校驗正確，packet number被寫(xiě)到RX FIFO，由于RX FIFO非空時(shí)，因此將產(chǎn)生RCV INT中斷；如果RCR校驗不正確，則存儲空間被釋放，而且不產(chǎn)生中斷。
（3）DSP接收到中斷后開(kāi)始執行中斷處理程序，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的內存或外存中。當處理結束，DSP向處理器發(fā)送REMOVE AND RELEASE FROM TOP OF RX命令（即設置寄存器MMUCOM為0x0060）以釋放使用的存儲空間和packet number。
5 結束語(yǔ)
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)。本設計利用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，該系統能夠正確地接入快速以太網(wǎng)，具備100/10Mbit/s、全雙工/半雙工自適應等多種功能，符合IEEE802.3/802.3μ-100Base-TX/1Obase-T規范，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(guò)以太網(wǎng)接入Internet，從而實(shí)現從Internet上監控嵌入式設備。對以太網(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?xún)r(jià)比和廣泛的應用領(lǐng)域。
評論