基于ARM微处理器的嵌入式以太网接口设计

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  电子设备日趋网络化的背景下,作为目前广泛使用的以太网以及TCP/IP 协议已经成为事实上最常用的网络标准之一,它以高速、可靠、分层以及可扩充性使得它在各个领域的应用越来越灵活,很多情况下运用以太网和TCP/IP,能够简化结构和降低成本。但是,目前关于嵌入式以太网的设计方案不是很多,在这不多的方案中,大多是基于单片机或DSP 的。两者都存在要外扩很多外设的问题,并且前者速度太慢,后者成本又太高,这在一些对设备尺寸要求很小的场合是不行的。

  本设计中,采用了基于ARM内核的微处理器S3C44BOX为基础的嵌入式系统与10MB 以太网控制芯片RTL8019AS 的接口电路和实现方法。

  S3C44BOX芯片的介绍S3C44BOX 是基于ARM7TDMI 内核的16/32位RISC处理器。功能强大,目前已广泛应用于手持设备、因特网设备、网络、调制解调设备等领域。其主要特点如下。

  1)拓展存储控制器(带FP/EDO/SDRAM 控制器,片选逻辑)。

  2)8KBCache/SRAM。

  3)LCD控制器(可直接控制DSTN/STN 的各种灰度/256 彩色LCD 屏,最大支持分辨率为1600 1 600)。

  4)2通道UART,波特率可高达115200B/s,并内置16字节FIFO,同时兼容Irdal.0规范。

  5)I2C和I2S接口(音频数据接口)。

  6)71个通用I/O 端口和8 个外部中断。

  7)5路PWM 定时器和1 路内部定时器。

  8)8通道10位ADC(采样速率为100Kbit/s)。

  9)2路GDMA/2路外围DMA 。

  10)电源控制器。

  11)看门狗。

  12)实时时钟。

  硬件电路组成

  本方案硬件电路使用的芯片主要有微处理器S3C44BOX、RTL8019AS、74LV138和FB2022(网卡变压器),其硬件框图如附图所示。处理器S3C44BOX与RTL8019AS的接口采用UTP RJ-45接口。RTL8019AS与主机有三种接口工作模式:

  *跳线方式,网卡的I/O和中断由跳线决定。

  *即插即用方式,由软件进行自动配置plug and play。

  *免跳线方式,网卡的I/O和中断由外界的93C46里的内容决定。

硬件框图

  在嵌入式应用场合,如果不使用93C46的话,可以降低成本,同时又减少连线,因此,本文采用第1 种方式即跳线方式,即通过设置RTL8019AS的65脚jp为高电平(接到Vcc或通过一个10kΩ的上拉电阻)来实现。

  RTL8019AS是性价比高且带有即插即用功能的全双工以太网控制器,它的主要特点包括:符合EthernetⅡ与IEEE802.3标准;全双工,收发可同时达到10Mbit/s的速率;内置16KB的SRAM,用于收发缓冲,减低对主处理器的要求;支持UTP、AUI、BNC自动检测,还支持对10BaseT拓扑结构的自动极性修正;允许4个诊断LED 引脚编程输出。RTL8019AS内部有2个RAM区:1块16KB,地址为0x4000~0x7fff;1块32 B,地址为0x0000~0x001f。RAM 按页存储,每256 B为一页。

  本方案中将RTL8019AS 的RAM 的前12 页(0x4000~0x4Bff)作为发送缓冲区,后52页(0x4c00~0x7fff)作为接收缓冲区,第0页只有32B,用来存储以太网的物理地址。

  RTL8019AS 具有32 个输出/ 输出地址,地址偏移量为00H~1FH。其中00H~0FH 具有16 个地址为寄存器的地址,寄存器分为page0~page3,由RTL8019AS 中的命令寄存器CR中的PS1 和PS0 位来决定要访问的页。复位端口包括18H~1FH 共8 个地址,用于RTL8019AS 的复位。

  软件设计

  编写控制以太网接口程序的步骤。

  (1)μC/OS Ⅱ实时操作系统的移植

  μc/os Ⅱ是一种开放源码的实时嵌入式操作系统,是一个可移植,可裁减,可固化的占先式多任务操作系统,已被应用到多种微处理器上,其大部分源码是ANSI C 语言编写的。

  移植工作包括以下几个内容:a.设置:OS_CPU.H 中与处理器和编译器相关的代码。b.用C 语言改写OS_CPU_C.C 中6个与操作系统相关的简单函数。c. 用汇编语言改写OS _CPU _A..ASM 中的4 个与处理器相关的函数。

  1)OS_CPU.H 文件包括#define、typedef定义与CPU相关信息。因不同的处理器有不同的字长,所以μC/OS Ⅱ的移植包括一系列的类型定义,以确保可移植性。如INT16U 数据类型总是代表16 位无符号整数,将μC/OS Ⅱ移植到32 位处理器上,也就意味着INT16U 实际上为无符号短整型数而不是无符号整型数。

  2)OS _CPU _C.C 文件OSTaskCreatHook()、OSTaskDelHook()、OSTaskSwhook()、OSTaskStatHook()、OSTaskCreakHook(),这些函数为用户定义,实际需要修改的只有OSTaskStkIinit()函数。OSTaskStkIinint()用来初始化任务堆栈,初始状态的堆栈模拟发生一次中断后的堆栈结构。由于在ARM 中堆栈是按32 位数据类型来进行操作,所以堆栈数据类型OS _STK 声明为32 位无符号整数。

  3)OS _CPU _A.ASM 文件这里要实现4 个汇编函数改写:多任务启动函数中调用OSSTartHightRdy()、任务切换函数OSCtxSw()、中断任务切换OSIntCtxSw()和时钟节拍服务函数OSTickISR()。任务切换函数OSCtxSw(),由任务切换函数OS _TASK _SW()进入。如果任务执行了某个函数,其结果改变了当前任务的状态[如OSTaskSuspend()、OSTimeDly()],或者是改变了别的任务的状态[OSTaskResum()、O S T i m e D l y R e s u m e ( ) ]都要引起新的任务调度函数[OSSched()]执行OS _TASK _SW()。OSIntCtxSw()是在ISR中被调用的,其代码与OSCtxSw () 类似。OSStartHightRdy()由OSStart ()函数调用,功能是运行优先级最高的任务。OSTickISR()是时钟节拍中断,用户应该在OSStart()运行后,μC/OS Ⅱ启动运行的第一个任务中初始化节拍中断。

  (2)初始化RTL8019AS

  初始化部分完成RTL8019AS 在使用之前的初始化工作,设置相关工作模式的寄存器,分配和初始化接收和发送缓冲区,初始化网卡接收地址。

  (3)传输数据包

  发送部分只要把数据写入缓冲区, 启动执行命令,RTL8019AS 自动发送。一般在RAM 内开辟2 个以太网数据包的空间作为发送缓冲区。作为一个集成的以太网芯片,数据的发送校验,总线数据包的碰撞检测与避免是由芯片自己完成的。只需要配置发送数据的物理层地址、源地址、目的地址、数据包类型以及发送的数据就可以了。

  (4)接收数据包

  它是完成数据接收任务,RTL8019AS 接收到以太网数据包后自动将其存在接收缓冲区并发出中断信号,S3C44BOX在中断程序里通过D M A 就可接收到数据,即通过远端D M A把数据从RTL8019AS 的RAM 空间,读回ARM 中处理。这里主要是对一些相关的寄存器进行操作。RTL8019AS 芯片具有性价比高,连接方便等特点,是进行嵌入式以太网设计时的首选的控制芯片。本文介绍了以S3C44BOX 处理器为核心,用RTL8019AS 作为网络接口芯片的嵌入式以太网接口的具体软硬件方法。产品的性能高,价格适中,不仅可用于工业现场实现现场节点的自动上网功能,而且可以用于信息家电的以太网接口,可以实现远程控制,在网上就可以控制家中的电器,具有很好的发展前景。

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