以ARM9芯片和S3C2440嵌入式系統(tǒng)為核心的以太網(wǎng)接口電路設(shè)計(jì)

1.引言

隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式技術(shù)得到廣闊的發(fā)展，已成為現(xiàn)代工業(yè)控制、通信類(lèi)和消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品發(fā)展的方向。以太網(wǎng)在實(shí)時(shí)操作、可靠傳輸、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一等方面的卓越性能及其便于安裝、維護(hù)簡(jiǎn)單、不受通信距離限制等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被國(guó)內(nèi)外很多監(jiān)控、控制領(lǐng)域的研究人員廣泛關(guān)注，并在實(shí)際應(yīng)用中展露出顯著的優(yōu)勢(shì)。本文提出了一種基于DM9000AE網(wǎng)絡(luò)接口芯片和32位三星ARM9處理器S3C2440嵌入式系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口的設(shè)計(jì)方案，并在Windows CE操作系統(tǒng)上開(kāi)發(fā)移植了網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的接入。

2. DM9000AE工作原理

2.1 DM9000的主要特性和總體結(jié)構(gòu)

DM9000AE是DEVICOM（***聯(lián)杰?chē)?guó)際）研發(fā)的一款10/100M快速以太網(wǎng)控制芯片。DM9000AE實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)媒體介質(zhì)訪問(wèn)層（MAC）和物理層（ PHY）的功能，包括MAC數(shù)據(jù)幀的組裝/拆分與收發(fā)、地址識(shí)別、CRC編碼/校驗(yàn)、MLT-3編碼器、接收噪聲抑制、輸出脈沖成形、超時(shí)重傳、鏈路完整性測(cè)試、信號(hào)極性檢測(cè)與糾正等。DM9000AE內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

DM9000AE具有以下主要性能：①48管腳的LQFP封裝，管腳少體積??；②支持8/16位數(shù)據(jù)總線(xiàn)；③適用于10Base-T和100Base-T,10/100M自適應(yīng)，適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)速度要求，④內(nèi)置16KB的SRAM,用于收發(fā)緩沖，降低對(duì)主處理器的速度要求；⑤支持IP /TCP /UDP加速，減輕了CPU負(fù)擔(dān)，提高網(wǎng)絡(luò)速度；⑥支持Back pressure半雙工流量控制，與IEEE802.3u兼容，支持IEEE802.3x全雙工流量控制；⑦20ns響應(yīng)時(shí)間，2.5V/3.3V低功耗。

圖1 DM9000AE內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)

2.2工作原理

DM9000AE可與微處理器以8 bit或16 bit的總線(xiàn)方式連接，并可根據(jù)需要以單工或全雙工等模式運(yùn)行。在系統(tǒng)上電時(shí)，處理器通過(guò)總線(xiàn)配置DM9000AE內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)控制寄存器 （NCR）、中斷寄存器（ISR）等，完成DM9000AE的初始化。隨后DM9000A進(jìn)入數(shù)據(jù)收發(fā)等待狀態(tài)。

當(dāng)處理器要向以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)，先將數(shù)據(jù)打包成UDP或IP數(shù)據(jù)包，并通過(guò)8 bit或16bit總線(xiàn)逐字節(jié)發(fā)送到DM9000A的數(shù)據(jù)發(fā)送緩存中，然后將數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等信息填充到DM9000AE相應(yīng)寄存器內(nèi)，隨后發(fā)送使能命令，DM9000AE將緩存的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)幀信息進(jìn)行MAC組幀，并發(fā)送出去。

當(dāng)DM9000AE接收到外部網(wǎng)絡(luò)送來(lái)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)時(shí)，首先檢測(cè)數(shù)據(jù)幀的合法性，如果幀頭標(biāo)志有誤或存在CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤，則將該幀數(shù)據(jù)丟棄，否則將數(shù)據(jù)幀緩存到內(nèi)部RAM,并通過(guò)中斷標(biāo)志位通知處理器，處理器收到中斷后對(duì)DM9000AE接收RAM的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

DM9000AE自動(dòng)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)連接情況，根據(jù)網(wǎng)速設(shè)置內(nèi)部的數(shù)據(jù)收發(fā)速率為10Mb/s或100 Mb/s.同時(shí)，DM9000AE還能根據(jù)RJ45接口連接方式改變數(shù)據(jù)收發(fā)引腳的方向，因此無(wú)論外部網(wǎng)線(xiàn)是采用對(duì)等還是交叉方式，系統(tǒng)均能正常通信。

3.網(wǎng)絡(luò)接口硬件電路設(shè)計(jì)

在嵌入式系統(tǒng)中增加以太網(wǎng)接口，通常由如下兩種方法實(shí)現(xiàn)。第一種方法采用帶有以太網(wǎng)接口的嵌入式處理器。這種方法要求嵌入式處理器有通用的網(wǎng)絡(luò)接口，通常這種處理器是面向網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，通過(guò)內(nèi)部總線(xiàn)的方法實(shí)現(xiàn)處理器和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的交換。另一種方法采用嵌入式處理器+網(wǎng)卡芯片結(jié)構(gòu)。這種方法對(duì)嵌入式處理器沒(méi)有特殊要求，只要把以太網(wǎng)芯片連接到嵌入式處理器的總線(xiàn)上即可。此方法通用性強(qiáng)，不受處理器的限制，但是，處理器和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換通過(guò)外部總線(xiàn)交換數(shù)據(jù)[3].

本設(shè)計(jì)采用的是S3C2440這款通用的嵌入式微處理器上擴(kuò)展以太網(wǎng)接口的方式，即第二種方式。S3C2440A處理器與DM9000AE連接的結(jié)構(gòu)如圖2所示，DM9000AE通過(guò)總線(xiàn)與處理器相連，中斷與處理器外部中斷相接。

圖2 S3C2440A處理器與DM9000AE連接的結(jié)構(gòu)

S3C2440A微處理器是一款由Samsung半導(dǎo)體公司為手持設(shè)備和各種多用途應(yīng)用設(shè)計(jì)，基于ARM920T內(nèi)核的16/32位RISC的低功耗、高集成度的微處理器，采用五級(jí)流水線(xiàn)和哈佛結(jié)構(gòu)，289腳FBGA封裝，.S3C2440在包含ARM920T核的同時(shí)，增加了豐富的外圍資源，主要包括1個(gè)LCD控制器；3個(gè)通道的UART;4個(gè)通道的DMA;4個(gè)具有PWM功能的16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器和1個(gè)16位內(nèi)部定時(shí)器，支持外部時(shí)鐘源；8通道的10位ADC;觸摸屏、IIC總線(xiàn)、IIS總線(xiàn)、SD卡和MMC卡、攝像頭接口；130位通用I/O口和24位外部中斷源。

DM9000AE以太網(wǎng)接口電路如圖的連接如圖3所示。處理器利用片選DM_CS和地址線(xiàn)BADDR分別連接DM9000AE芯片的CS引腳和CMD引腳，S3C2440的數(shù)據(jù)線(xiàn)BDATA[15:0]與DM9000AE的數(shù)據(jù)線(xiàn)SD[15:0]連接，用來(lái)實(shí)現(xiàn)DM9000與S3C2440之間的數(shù)據(jù)傳輸；S3C2440的DM_IOR引腳連接DM9000AE的讀引腳IOR#,DM_IOW引腳連接DM9000AE的寫(xiě)引腳IOW#;同時(shí)，DM9000AE占用S3C2440的中斷引腳EINT7,使得S3C2440能夠響應(yīng)DM9000AE的中斷。DM9000AE與網(wǎng)絡(luò)的連接由接收信號(hào)線(xiàn)RX+、RX-和發(fā)送信號(hào)線(xiàn)TX+、TX-通過(guò)隔離變壓器E-2023與以太網(wǎng)水晶接頭RJ_45相連。隔離變壓器的主要作用是將嵌入式系統(tǒng)與外部線(xiàn)路相隔離，防止干擾和燒壞元器件，實(shí)現(xiàn)帶電的插拔功能。

圖3 以太網(wǎng)接口電路

4.網(wǎng)絡(luò)接口模塊的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用Windows CE操作系統(tǒng)，具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持功能，Windows CE支持包括TCP / IP在內(nèi)的Internet的所有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。Windows CE的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序都遵循NDIS（Network Driver Interface Specification,網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)接口規(guī)范），NDIS提供了兩個(gè)抽象層，用來(lái)把網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序和協(xié)議棧相連。NDIS模型的示意圖圖4所示。

圖4 NDIS模型的示意圖

DM9000AE在windows CE下的驅(qū)動(dòng)程序就是基于這個(gè)模型而編寫(xiě)，被編譯成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，以用戶(hù)態(tài)下的DLL文件形式存在。入口函數(shù)為DriverEntry（）。DM9000驅(qū)動(dòng)的工作流程如圖5所示。

NdisMInitializeWrapper（）函數(shù)的作用是通知NDIS 一個(gè)小端口網(wǎng)卡正在被初始化，此函數(shù)在ndis.dll中提供。然后對(duì)NDIS40_MINIPORT_CHARACTERISTICS結(jié)構(gòu)體變量初始化，主要是設(shè)置一些回調(diào)函數(shù)（MiniportInitialize（），MiniportReset（），MiniportInterruptHandler（），MiniportISRHandler（），MiniportQueryInformation（），MiniportSetInformation（），MiniportSend（）。接著就是通過(guò)NdisMRegisterMiniport（）函數(shù)利用NDIS40_MINIPORT_CHARACTERISTICS這個(gè)結(jié)構(gòu)體向NDIS系統(tǒng)進(jìn)行注冊(cè)。再接下來(lái)就是MiniportInitialize（），在其中有NIC_DRIVER_OBJECT類(lèi)的初始化，以及該類(lèi)的EDriverInitialize（）函數(shù)調(diào)用，在此函數(shù)中全面展開(kāi)了dm9000的所有初始化操作。

對(duì)DM9000的所有初始化操作的實(shí)現(xiàn)在dm9000.cpp文件中，主要也是通過(guò)DeviceEntry（）這個(gè)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在DeviceEntry（）這個(gè)函數(shù)中只做了一件事：new了一個(gè)C_DM9000類(lèi)的實(shí)例并return.緊接著就是C_DM9000的實(shí)例通過(guò)DeviceSetDefaultSettings（）；DeviceSetEepromFormat（）；DeviceRetriveConfigurations（hconfig）；EDeviceValidateConfigurations（）等等對(duì)DM9000AE進(jìn)行的一系列初始化操作。然后NIC_DRIVER_OBJECT指向DriverStart（），在DriverStart（）中C_DM9000只進(jìn)行了一個(gè)非常簡(jiǎn)單但最重要的操作就是它在此DeviceEnableInterrupt（）啟動(dòng)了中斷，接下來(lái)就是無(wú)休止的等待、接收、發(fā)送，DM9000就此開(kāi)始工作了。

圖5 DM9000驅(qū)動(dòng)的工作流程

在完成了驅(qū)動(dòng)程序之后，我們還需要在Platform.reg文件中對(duì)DM9000的注冊(cè)表項(xiàng)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置：

[HKEY_LOCAL_MACHINE\Comm\DM9000]

“DisplayName”=“Crystal DM9000 ISA Ethernet Controller”

“Group”=“NDIS”

“ImagePath”=“DM9000.DLL”

[HKEY_LOCAL_MACHINE\Comm\DM9000\Linkage]

“Route”=multi_sz:“DM90001”

[HKEY_LOCAL_MACHINE\Comm\DM90001\Parms]

“BusNumber”=dword:0

“BusType”=dword:0

“InterruptNumber”=dword:3E

“IoBaseAddress”=dword:D3000000

“RxMode”=“PIO”

“NetworkAddress”=“00-01-33-33-33-33”

[HKEY_LOCAL_MACHINE\Comm\DM90001\Parms\TcpIp]

“EnableDHCP”=dword:0

“DefaultGateway”=“192.168.126.1”

“UseZeroBroadcast”=dword:0

“IpAddress”=“192.168.126.100”

“Subnetmask”=“255.255.255.0”

“DNS”=“192.168.126.1”

[HKEY_LOCAL_MACHINE\Comm\Tcpip\Linkage]

“Bind”=multi_sz: “ppp”, “DM90001”

將設(shè)計(jì)的模塊與本地局域網(wǎng)連通，并分配MAC地址和IP地址，利用PC的ping程序，得到回應(yīng)，說(shuō)明ARP、IP、ICMP協(xié)議正常。利用自己編寫(xiě)的基于windows的應(yīng)用程序，向模塊發(fā)送連接請(qǐng)求，模塊返回正確的應(yīng)答信息，TCP協(xié)議正常。

5.結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了基于三星公司ARM9芯片S3C2440嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)方案，在實(shí)際應(yīng)用中該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠十分方便地實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)互連。由于采用了高性能的工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)控制器DM9000AE,系統(tǒng)通訊快速可靠，具有很高的實(shí)時(shí)性。在以太網(wǎng)日益普及的今天，此方案能夠給那些傳統(tǒng)不具備網(wǎng)絡(luò)通訊能力的嵌入式設(shè)備進(jìn)行智能化改造，也適用于新型智能儀器儀表和工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備的開(kāi)發(fā)，有著廣泛的應(yīng)用前景。