Am79C940網(wǎng)絡(luò)接口控制器在MC68360系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：在以MC68360為核心的某型網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備中，采用Am79C940作為網(wǎng)絡(luò)接口。設(shè)計(jì)Am79C940和MC68360的接口硬件電路，使用MC68360的2個(gè)IDMA通道在中斷控制方式下，分別從Am79C940收/發(fā)數(shù)據(jù)。通過建立中斷服務(wù)例程和緩沖鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于Nucleus操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序。運(yùn)行實(shí)測表明接口工作性能穩(wěn)定可靠，滿足實(shí)際應(yīng)用要求。
關(guān)鍵詞：Am79C940；MC68360；網(wǎng)絡(luò)接口；Nucleus操作系統(tǒng)；驅(qū)動(dòng)程序

1 引言
在開發(fā)某型號網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備，采用Freescale 683XX系列MC68360為系統(tǒng)主處理器。MC68360是一款性能比較強(qiáng)大的處理器，集成了支持包括HDLC、UART在內(nèi)多種通信控制協(xié)議的I／O通道，非常適合通信數(shù)據(jù)處理功能。但是，由于其內(nèi)部缺少以太網(wǎng)絡(luò)接口，無法滿足網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)用功能，因此，需要尋求設(shè)計(jì)外部網(wǎng)絡(luò)接口。這里提出采用Am79C940網(wǎng)絡(luò)接口器件與MC68360接口，通過中斷控制和DMA方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)方案。

2 Am79C940簡介
Am79C940是一款用于提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活性的網(wǎng)絡(luò)接口控制器MACE(Media Access Controller for Ethernet)，包括了IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議里的介質(zhì)訪問控制層(MAC)和物理信號層(PLS)，支持25 MHz鐘頻，適用于由一個(gè)中央處理器通過DMA方式來訪問多個(gè)分散I／O外設(shè)組成的系統(tǒng)。Am79C940具有以下特點(diǎn)：支持IEEE 802．3／ANSI 8802-3和以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)；高速16位同步總線接口，允許2或3個(gè)周期操作選擇；獨(dú)立的接收(128字節(jié))和發(fā)送(136字節(jié))FIFO；直接讀寫內(nèi)部寄存器和FIFO；支持DMA控制器或I／O處理器對FIFO直接訪問；外部地址檢測和過濾功能(EADI)；內(nèi)/外自環(huán)功能。
Am79C940采用先進(jìn)的模塊化結(jié)構(gòu)和通用接口的設(shè)計(jì)，BIU(總線接口單元)是主系統(tǒng)和FIFO之間的接口，提供了系統(tǒng)控制信號和對內(nèi)部所有寄存器的訪問。有2個(gè)地址獨(dú)立的數(shù)據(jù)收/發(fā)FIFO，允許在寫XMTFIFO的同時(shí)，RCVFIFO接收；在其內(nèi)部FIFO對于BIU來說是16位寬，但是，對外通過驅(qū)動(dòng)地址總線和CS、R/W來進(jìn)行16位或8位的讀寫操作，高低字節(jié)順序可通過寄存器設(shè)置。Am79C940內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在Am79C940上電后典型的初始化步驟如下：寫B(tài)IUCC寄存器來改變字節(jié)交換模式，設(shè)置發(fā)送開始點(diǎn)XMTSP；寫IMR中斷寄存器來設(shè)置中斷屏蔽；設(shè)置UTR寄存器的loop工作模式；寫PLSCC寄存器的PORTSEL位和ENDPLSIO位來選擇10BASE-T接口；設(shè)置IAC內(nèi)部地址組態(tài)寄存器的ADDRCHG和PHYADDR位，然后將網(wǎng)絡(luò)MAC地址寫入PADR寄存器；最后，寫MACCC寄存器，允許接收和發(fā)送。需要注意的是操作必須保證在系統(tǒng)上電后有1 ms延時(shí)再進(jìn)行，以保證MACE鎖相環(huán)路穩(wěn)定，否則將無法正常收發(fā)數(shù)據(jù)。

3 接口硬件設(shè)計(jì)
在硬件設(shè)計(jì)中，MC68360和Am79C940之間采用16位總線接口，Am79C940共有5個(gè)地址線ADD0～ADD4，對應(yīng)尋址內(nèi)部32個(gè)8位寄存器和2個(gè)16位的FIFO，因此，Am79C940內(nèi)部的寄存器地址需要乘以2映射到系統(tǒng)的邏輯地址空間，設(shè)計(jì)時(shí)采用CPU地址線A1～A5分別接ADD0～ADD4，高8低8字節(jié)選擇引腳BE0和BE1接地的方式。
考慮到MC68360實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的處理能力，以及Am79C940內(nèi)部FIFO的深度，為了提高網(wǎng)絡(luò)接口的工作效率，滿足系統(tǒng)應(yīng)用的要求，在MC68360和Am79C940之間必須采用中斷控制，DMA方式傳輸數(shù)據(jù)。Am79C940的INTR接MC68360的外部中斷IRQ4。MC68360帶有2個(gè)通用IDMA通道。其中IDMA1用于數(shù)據(jù)發(fā)送，IDMA2用于數(shù)據(jù)接收。每個(gè)IDMA通道有獨(dú)立的請求和響應(yīng)邏輯，IDMA1的DREQ1接Am79C940的發(fā)送申請TDTREQ，IDMA2的DREQ2接Am79C940的接收申請RTDTREQ。Am79C940的EOF(數(shù)據(jù)幀結(jié)束)是輸入/輸出雙向信號，當(dāng)接收數(shù)據(jù)時(shí)作為輸出，表明從FIFO中讀取幀的最后一個(gè)字節(jié)，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)作為輸入，表明向FIFO寫入幀的最后一個(gè)字節(jié)，因此，將IDMA傳輸結(jié)束信號DONE1和DONE2與R／W信號進(jìn)行邏輯組合后與EOF連接。10BASE-T接口的物理信號經(jīng)PE-68025適配轉(zhuǎn)換連接到RJ45上。圖2是MC68360和Am79C940的接口電路。

4 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件運(yùn)行環(huán)境是Nucleus操作系統(tǒng)，這是MentorGraphics公司開發(fā)的嵌入式RTOS產(chǎn)品，具有良好的可移植性和易用性。為此，設(shè)計(jì)了Am79C940的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序，網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)從網(wǎng)絡(luò)接口控制器讀取網(wǎng)絡(luò)上傳送來的數(shù)據(jù)包，以及將待發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入網(wǎng)絡(luò)接口控制器發(fā)送出去。通常，網(wǎng)絡(luò)接口使用中斷驅(qū)動(dòng)機(jī)制，一個(gè)中斷使CPU暫時(shí)將正常處理掛起，跳轉(zhuǎn)到設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序執(zhí)行；此時(shí)由設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序完成重置硬件中斷，準(zhǔn)備收／發(fā)下一幀數(shù)據(jù)等操作，使網(wǎng)絡(luò)接口繼續(xù)工作。因此，網(wǎng)絡(luò)接口驅(qū)動(dòng)程序總體按功能分為設(shè)備初始化和收發(fā)中斷處理兩大部分：
(1)設(shè)備初始化 通過系統(tǒng)創(chuàng)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)初始化任務(wù)來實(shí)現(xiàn)，主要完成Nucleus Net協(xié)議棧數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的初始化，向操作系統(tǒng)注冊用于處理收發(fā)的低級中斷；初始化網(wǎng)絡(luò)接口控制器的硬件寄存器和IDMA的硬件寄存器設(shè)置。
(2)收發(fā)中斷處理 通過創(chuàng)建一個(gè)MACE_LISR低級中斷服務(wù)例程，根據(jù)Am79C940的中斷狀態(tài)，進(jìn)行數(shù)據(jù)收／發(fā)的DMA操作，以及設(shè)置使事件標(biāo)志。
驅(qū)動(dòng)程序利用Nucleus的內(nèi)存管理特性，在初始化時(shí)建立一個(gè)空閑緩沖鏈表(MEM_Buffer_Freelist)，從網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)時(shí)，由中斷服務(wù)例程向空閑緩沖鏈申請一個(gè)接收緩沖塊，如果申請成功，將緩沖塊加入接收數(shù)據(jù)鏈表(MEM_Buffer_List)中，并且初始化緩沖塊的長度和數(shù)據(jù)存放指針，然后啟動(dòng)IDMA2通道，將Am79C940的RCVFIFO的數(shù)據(jù)讀入緩沖塊中，并激活一個(gè)高級中斷例程(HISR)設(shè)置一個(gè)Buffers_Available事件，通知上層TCP/IP協(xié)議棧處理接收到的數(shù)據(jù)包；往外發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將TCP/IP協(xié)議棧的數(shù)據(jù)加入發(fā)送緩沖隊(duì)列(device->dev_transq)，發(fā)送巾斷產(chǎn)生后先釋放掉隊(duì)列中已經(jīng)發(fā)送過的數(shù)據(jù)緩沖，并檢查如果隊(duì)列中還有新的數(shù)據(jù)等待發(fā)送，則啟動(dòng)IDMA1通道，將新數(shù)據(jù)寫入XMTFIFO發(fā)送出去。網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序的功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)總線工作時(shí)產(chǎn)生的總線異常錯(cuò)誤會(huì)引起IDMA通道結(jié)束工作，此時(shí)，造成收發(fā)數(shù)據(jù)丟失等異常情況。其解決辦法是設(shè)計(jì)一個(gè)IDMA_LISR低級中斷例程，在IDMA異常中斷時(shí)激活，對IDMA通道重新復(fù)位并初始化。

4 運(yùn)行測試
按照設(shè)備設(shè)計(jì)要求，主要從以太網(wǎng)接口的物理功能，數(shù)據(jù)傳送性能，可靠性等方面來對以太網(wǎng)接口及驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行運(yùn)行測試。測試采用將2臺相同設(shè)備的接口用網(wǎng)線對連，設(shè)備只運(yùn)行驅(qū)動(dòng)程序，單向發(fā)(收)，即一臺只從固定緩沖區(qū)中讀取定長數(shù)據(jù)包重復(fù)發(fā)送，另一臺則只將數(shù)據(jù)包重復(fù)接收至固定緩沖。設(shè)備分別通過JTAG仿真器在PC機(jī)上進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤調(diào)試，得到部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所列。

可見單向發(fā)(收)最大數(shù)據(jù)傳輸數(shù)率接近10 Mb／s，接近硬件性能指標(biāo)；數(shù)據(jù)包較短時(shí)沒有接近10 Mb／s，是因?yàn)樵趥鬏斶^程中，如果操作次數(shù)比較頻繁，CPU處理時(shí)間占相當(dāng)大的比重，就會(huì)降低效率。通過較長時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸測試，經(jīng)監(jiān)測收發(fā)中斷產(chǎn)生正常，無數(shù)據(jù)包丟失、誤碼，能識別網(wǎng)絡(luò)異常(物理鏈路丟失等)情況，并在鏈路恢復(fù)后重新收發(fā)數(shù)據(jù)，因此接口及驅(qū)動(dòng)程序的功能正常，穩(wěn)定可靠。

5 結(jié)語
Am79C940網(wǎng)絡(luò)接口控制器件面向嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)，支持IEEE 802．3標(biāo)準(zhǔn)，提供16位系統(tǒng)總線接口可以比較方便實(shí)現(xiàn)與MC68360的連接，所有的數(shù)據(jù)傳輸都通過簡單的存儲器或I／O讀寫指令進(jìn)行，通過中斷和DMA方式和處理器進(jìn)行高速數(shù)據(jù)交換，尤其適用于存在多個(gè)分散I／O外設(shè)備和一個(gè)通過DMA方式訪問外設(shè)的中央處理器場合。利用Am79C940在MC68360微處理器系統(tǒng)上設(shè)計(jì)以太網(wǎng)接口，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)Nucleus操作系統(tǒng)上的驅(qū)動(dòng)程序，完成對以太網(wǎng)接口初始化和數(shù)據(jù)收發(fā)的中斷處理，通過建立緩沖鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層和硬件層的數(shù)據(jù)傳遞。