基于FPGA和LAN91C111的嵌入式以太網接口設計

摘要：介紹了SMSC公司生產的嵌入式以太網控制器LAN91C111的主要特點及工作原理，并從系統(tǒng)方案、硬件設計、軟件設計等方面，詳細介紹了基于ALTERA公司的NIOS II軟核處理器芯片LAN91C111芯片來實現以太網互聯通信的原理和方法。
關鍵詞：以太網；互聯網通信；LAN91C111；NIOS

0 引言
隨著CPU性能的大幅度提升，嵌入式系統(tǒng)的設計已經進入了更廣泛的領域。隨著FPGA的不斷發(fā)展和規(guī)模的進一步強大，SOPC的應用也越來越廣泛。由于SOPC的可編程特性很受嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員的青睞，因此，隨著信息產業(yè)和微電子技術的發(fā)展，可編程嵌入式系統(tǒng)設計已經成為信息產業(yè)最熱門的技術之一，FPGA正以各種電子產品的形式進入人們日常生活的各個角落。
以太網以其良好的通用性和帶寬性能成為新一代工業(yè)控制網絡的焦點，目前，關于嵌入式以太網的設計方案大部分是基于單片機的。由于單片機的速度慢，而FPCA作為一種特殊的嵌入式微處理器系統(tǒng)，則具有快速處理數據的能力。因此，在嵌入式網絡設備中引入FPGA技術，可以使嵌入式以太網的速度更快。為此，本文介紹基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)與LAN91C111型自適應10Mb／100Mb嵌入式以太網的接口電路與實現方法。

1 硬件設計
1．1 FPGA的特點
本系統(tǒng)的主控芯片采用ALTERA公司CycloneII系列的EP2C35F484。FPGA內部集成有鎖相環(huán)，可以把外部時鐘倍頻，其核心頻率可以到幾百兆，同時具有豐富的IO資源，可以方便連接外設。FPGA的并行執(zhí)行程序方式具有處理更復雜功能的能力，而且內部嵌有SOPC和DSP。可編程SOPC是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)，具有靈活的設計方式，而且可裁剪、可擴充，同時軟硬件在系統(tǒng)可編程功能。
1．2 嵌入式以太網控制器LAN91C111
以太網控制芯片所選用的SMSC公司LAN91C111芯片是專門用于嵌入式產品的10M／100M第三代快速以太網控制器。該器件具有可編程、CRC校驗、同步或異步工作方式，且具有低功耗CMOS設計和小尺寸等特點，是設計嵌入式以太網網絡接口的良好選擇。LAN91C111的原理框圖如圖1所示。

LAN91C111集成了CSMA／CD(帶碰撞的載波偵聽多路接入)協(xié)議的MAC(媒體層)和PHY(物理層)。其主要特點是支持IEEE802．3／802 U以太網標準、自適應10M／100M，全雙工／半雙工收發(fā)方式、有8KB的片上FIFO存儲器、支持8位或16位或32位總線方式、支持先進的傳輸隊列管理、有串行EEPROM選擇性配置口、并支持突發(fā)數據傳輸、支持全雙工交換式以太網、增強式能量管理功能和低功耗的CMOS設計。
總線接口模塊是由數據總線、地址總線、控制總線以8位、16位、或32位形式與外部數據進行交互。LAN91C111以太網控制器遵循IEEE頒布的802．3以太網傳輸協(xié)議，內部集成有8KB的RAM，可通過內部的內存管理模塊、仲裁模塊和DMA共同管理數據包的發(fā)送與接收。其仲裁器監(jiān)視以太網總線的數據交流，一旦發(fā)生阻塞。仲裁器一方面通過總線接口單元與外部CPU聯系；一方面控制內存控制單元，實現總線的數據協(xié)調。LAN91C111內部的RAM可以緩存數據，在全雙工工作模式下，數據傳輸速率可達到10M／100Mbps。所有內部寄存器的初始值均放在EEPROM中，自舉時可完成自動初始化。在數據傳輸過程中，若以10Mbps速率傳輸，則可采用Manchester編碼，并以兩層曼徹斯特代替三電平，且沒有擾頻器和解擾頻器；若以100Mbps速率傳輸，則先將發(fā)送到RAM中的數據包以包號的形式存放在FIFO的發(fā)送隊列中，然后按照規(guī)則逐個將數據包發(fā)送到PHY模塊進行4B-5B編碼，發(fā)送數據端可將通過擾頻器整理后的4B-5B數據包變換成MLT-3后輸出。而在接收時，則將數據包復制并發(fā)送到解擾頻器進行整理，然后再發(fā)送到4B-5B解碼器進行解碼。