原创基于以太网的嵌入式系统网络接口卡的设计

 2008-8-23 14:20  1106 6 6 分类: 工程师职场

基于以太网的嵌入式系统网络接口卡的设计<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

摘要：介绍了以10M/100M自适应以太网控制器和DSP为基础的嵌入式系统以太网网络接口卡(NIC) 的接口电路及软硬件实现方法。
关键词: 嵌入式系统 NIC; 网络接口卡; LAN91C111 耦合隔离滤波器YL18-2050S
引言

当今社会己经进入数字信息技术和网络技术高速发展的后PC时代，嵌入式系统己经广泛渗透到科学研究、工程设计、军事技术、各类产业和商业文化艺术、娱乐业以及人们的日常生活等方方面面。随着网络技术的快速发展和互联网的广泛应用，各种家电设备、PDA、仪器仪表、工业生产中数据的采集与控制等设备正在逐渐走向网络化，以共享互联网络中庞大的信息资源。嵌入式设备的网络化开发有着广阔的前景。
本文以SMSC公司的LAN<?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />91C111嵌入式以太网控制器为基础，介绍嵌入式系统网络接口卡(NIC)的软硬件设计。

LAN91C111芯片介绍

LAN91C111是SMSC公司生产的专门用于嵌入式产品的10M/100M第三代快速以太网控制器。其优良的性能、低功耗及小尺寸，使LAN91C111逐渐成为嵌入式NIC中的主流产品，其主要性能为：

·支持IEEE 802.3(ANSI8802-3)以太网标准
·自适应地选择传输速率，支持10M/100Mbps
    ·充分支持全双工交换式以太网,具有睡眠模式
    ·8KB内部存储器用作接受发送的FIFO缓存
·提前发送和接受功能
    ·硬件MMU
    ·通过串行EEPROM选择性配置□
·全双工传输模式
    ·可连接同轴电缆和双绞线，支持100Base-Tx/10Base-T,并可自动检测所连介质
·低功耗的CMOS设计。

一个IEEE 802.3数据帧由以下几部分组成: 前导位(Preamle)、帧起始位(SFD)、目的地址(destination)、源地址(source)、数据长度(1ength)、数据((data)、帧校验字(FCS)。如图1所示，数据的数量范围46B ~1500B。如一组要传送的数据为46B，就用零补足；超过1500B时，需要拆成多个帧传送。前导位、帧起始位和帧校验字仅供控制器本身用，主处理器收到的数据帧的组成依次包括：接收状态((1 B)、下一帧的页地址指针 (1 B)、目的地址(6B),源地址(6B)、数据长度/帧类型(2B)、数据。数据长度/帧类型的值小于或等于1500B时，表示数据帧的长度；反之，表示数据帧的类型。如值依次为x08, 0x00，表示数据为IP包；值依次为0x08, 0x06，表示数据为ARP包。

前导位帧起始位目的地址源地址数据长度数据帧校验字
62B
2B
6B
6B
2B
46B~1500B
4B

<?xml:namespace prefix = v ns = "urn:schemas-microsoft-com:vml" />图1 IEEE802.3数据帧的组成

硬件电路

本设计采用的嵌入式处理器是TI公司的DSP(TMS320LF2407)。它采用低电耗CMOS技术，30MIPS的执行速率，片上还集成了丰富的外围部件（EVM、A/D模块、CAN、SCI、SPI及JTAG），工作频率40MHZ，有很大的存贮空间（高达32K字的FLASH程序存储器，可扩展外部64K字储存器，64K字I/O寻址空间），非常适合用来处理复杂的TCP/IP协议。
因为LAN91C111是为嵌入式系统设计,其外围电路相对比较简单。LANC91C111内部寄存器可通过对地址线A0, A1, A2, A3�牟僮骼捶梦剩刂纷芟逜1~A15 与DSP的A1~A15相连,A0没有被LAN91C111使用，悬空；数据总线D0~D15与DSP的D0~D15相连，用于16位数据传输，LAN91C111端D16~D32悬空(因为LF2407是16位数据总线)；LAN91C111端的片选信号AEN由DSP的外部I/O接口选通信号IS提供。两元件的RD、WR相连。LAN91C111端的中断输出信号INTRO送入DSP的外部中断引脚XINT1 触发中断。YL18-2050S，是针对10M/100M以太网的变压滤波器。
LAN91C111使用引脚TPIN+, TPIN-, TPOUT+和TPOUT-连接耦合隔离滤波器YL18-2050S利用RJ-45插头实现与以太网的连接。其硬件框图如图2所示。

图2 嵌入式以太网卡接口硬件框图

外接的93C46是1Kbit的串行EEPRCM 64 X 16阵列，按字访问，用来存储以太网卡的MAC地址。MAC地址是48bit，预先烧写在EEPROM的指定位置。每次当OS启动加载网卡时，以太网控制器LAN91C111就从EEPROM的固定地址中读取MAC地址并存储在相应的寄存器中。图3是嵌入式以太网卡的电路图。

图3 嵌入式以太网卡电路图

LAN91C111内部8KB的RAM为数据包的传输接收提供缓冲，使全双工工作模式下数据传输率可达10M/100Mbps;MMU把RAM分成256B的页，并负责为每个数据帧分配一个或多个页。当主处理器传输数据时，MMU首先根据数据大小为其在RAM中分配若干页。在数据传送到RAM时，此数据帧的帧号也在TX FIFO中排队，然后此数据帧在轮到时传送到PHY模块进行Manchester编码，最后根据CSMA/CD协议把此数据帧传送到相应的介质上。
在介质上有数据时，LAN91C111将数据帧复制一份并传送到ENDEC模块进行Manchester解码，而CSMA/CD模块根据该数据帧头的目的地址是否为本网卡MAC
地址、广播或多播地址来决定此数据帧的取舍。若地址匹配，MMU为其在RAM中开辟相应大小的空间，并以中断的方式告知主处理器。在数据帧被取走后，MMU释放此块内存。

软件设计

μc/osⅡ是一种开放源码的占先式多任务实时嵌入式操作系统，具有可移植性、实时性、模块化等特点，是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先级、多任务的操作系统，已被应用到多种微处理器上。本嵌入式设备运行μc/osⅡ操作系统。
对LAN91C111的软件操作采用中断处理方式:当系统有数据要传输时，首先把该数据传到LAN91C111,LAN91C111把数据封装成帧，加上前导字、校验字等部分，并检测到网络中没有数据在传输，才把此数据帧传输到网络中，并向系统提出中断，告知己成功传输数据;当LAN91C111接收到一数据帧时，首先由CSMA/CD模块察看此数据帧的目的地址，若为此网卡MAC地址、广播地址或多播地址，才向系统提出中断，并把此数据帧传到LAN91C111的数据寄存器中。系统对此包进行处理，察看是否校验字错误等，并剥去前导字，然后传给上层NDIS进行处理。