由網絡協(xié)議棧芯片W3100A構成的TCP/IP處理平臺

摘要：詳細介紹一種基于AT91M40800 ARM7處理器和W3100A芯片的網絡處理平臺的設計與實現。在概述嵌入式網絡的前景之后，提出一種TCP/IP網絡處理平臺的方案，并詳細分析這種平臺的硬件模塊設計、軟件模塊設計與實現。

關鍵詞：TCP/IP AT91M40800 網絡協(xié)議棧芯片 W3100A

引言

越來越多的人已經認知到后PC時代的到來，越來越多的嵌入式產品走到了現實應用的前臺。嵌入式產品從出生到繁榮一直秉承著與應用緊耦合這個宗旨。過去它們基本上都是獨立的工作，最多是通過485、CAN總線之類的互相交換信息；但隨著信息時代的信息大爆炸的到來，這些簡單的傳遞內部少量信息的方案已經不能夠能很地滿足實現的市場需求，越來越多的嵌入式產品有了與Internet互連、進入互聯(lián)網這個浩瀚的信息庫的要求。嵌入式Internet技術是一種將嵌入式設備接入Internet的技術。利用該技術可將Internet從PC機延伸到8位、16位、32位單片機，并實現基于Internet的遠程數據采集、遠程控制、自動報警、上傳/下載數據文件、自動發(fā)送E-mail等功能，大大擴展Intenrt的應用范圍和嵌入式產品觸及的領域。為此本人提出一種基于W3100A芯處的TCP/IP網絡處理開發(fā)平臺的方案，并予以實現。

1 嵌入式網絡處理平臺方案的介紹

目前，國內外嵌入式網絡處理平臺基本上是采用軟件來實現TCP/IP協(xié)議棧。這種方案在大批量生產時，具有成本低的優(yōu)點。因為用軟件設計的TCP/IP協(xié)議棧，是一次投次多次使用；但這種方案開發(fā)周期比較長，對開發(fā)人員的要求高，要求對操作系統(tǒng)和TCP/IP協(xié)議都要有一定程度的熟悉，并且高檔MCU和RTOS的價格也很高。為此本人提出了一種直接利用TCP/IP協(xié)議棧芯片的實現方案。它由W3100A、RTL8201、AT91M40800組成，如圖1所示。這種方案，盡管在大批量生產時成本高，因為每個智能設備都要嵌入TCP/IP協(xié)議棧芯片；但是在非大批量生產時個有設計簡單、靈活的特點，因為不需要實時操作系統(tǒng)的支持，并且在本人給出的各種工具和芯片廠商提供的函數庫的支持下可以實現上一種方案能實現的絕大部分功能。

2 W3100A的介紹

W3100A是TCP/IP協(xié)議芯片。它有如下特點：首先，自帶TCP/IP協(xié)議棧（如TCP、UDP、Ipver.4、ICMP、ARP、DLC、MAC協(xié)議）；其次，能同時支持四個獨立的連接通道，具有高速傳輸速率，同時，具有與MCU和物理層電路接口。雖然數據手冊中只提取了Intel和Motorola的MCU，但是經過筆者的實際證明，W3100A對Atmel的AT91M400800也能很好的支持。W3100A還提供了Socket應用程序編程接口，為那種需要進行因特網連接的智能設備，提供了一種簡便、廉價、高效的方案。其功能框圖如圖2所示。

W3100A的寄存器分成四類：①與控制寄存器相關的命令、狀態(tài)和中斷寄存器；②設置網關地址、子網掩碼、源IP地址、源硬件地址和超時變量的關系寄存器；③管理發(fā)送和接收數據的指針寄存器；④控制每個通道操作的通道寄存器。

W3100A的0X4000～0X5FFF為發(fā)送數據緩沖區(qū)，該緩沖區(qū)只能寫不能讀；0X6000～0X7FFF為接收數據緩沖區(qū)，只能讀不能寫。

W3100A與MCU的接口包括直接總線模式、非直接總線模式和I2C接口模式。第1種是15根地址線全部與MCU相連；第2種只要0、1兩根地址線與MCU相連，2、3地址線接高電平，剩下的地址線全部接地；第3種方式是把W3100A當作I2C設備來使用，其中8～14地址用來提供I2C設備的地址。這里使用了第2種方式與MCU相連。其中這些模式的選擇由MODE0、MODE1、MODE2三個引腳的電位所決定。

3 硬件電路設計

如圖1所法，本電路主要由基于ARM7的AT91M40800、W3100A、RTL8201來實現網絡的功能，但是本系統(tǒng)設計的目的是實現一個嵌入式TCP/IP網絡開發(fā)平臺，以便使工程師把精力從大量的底層細節(jié)開發(fā)轉移到面向應用的層面上來，所以硬件電路外擴了SDRAM、Flash、LED、KEYBARD、RS232等接口電路。其中Flash、SDRAM、W3100A分別占用CS0、CS1、CS2三個地址空間。LED、KEYBARD共占用CS4一個地址空間。SDRAM使用了16位數據線的方式，Flash、W3100A都使用了8位數據線的方式。AT91M40800接口電路如圖3所示。SDRAM、Flash都提供了較大的剩余空間，以便將來用戶在其上開發(fā)自己的用戶程序。其中Flash片選線為NCS0，8位數據總線寬度，初始化程序將其基地址定位在0x01000000，地址范圍是0x01000000～0x011FFFFF。系統(tǒng)使用了2片SDRAM，其片選線為NCS1，再使用SN74HC139D分別進行片選，初始化程序將其基地址定位在0x02000000，地址范圍是0x02000000～0x02FFFFFF。除此以外，AT91M40800還有8KB的內部RAM，32位數據總線寬度，在初始化結束后，重射定位在0x00000000。

W3100A片選線為NCS3，8位數據總線寬度，初始化程序將其基地址定位在0x0300000，其硬件連接如圖4所示。由于采用了第二種接入方式，只需用到四個地址寄存器地址，且偏移量分別為0x0c、0x0d、0x0e、0x0f，所以其地址范圍為0x0300000C～0x0300000F。W3100A與主MCU的通信采用中斷方式，其INT引腳接到AT91M40800的P9/IRQ0的引腳，以實現中斷觸發(fā)。其中W3100A與AT91M40800分別進行復位，以便分別調試。

圖3

為了便于用戶在平臺上開發(fā)自己的應用程序，本人在平臺上面實現了初始化和調試程序代碼。系統(tǒng)提供了兩個DB-9插頭，分別連接到AT91M40800的UART0和UART1：一個用于與筆者的調試程序實現通信，一個用于用戶其它調試應用。在系統(tǒng)上還使用了一個撥碼開關，以便用戶執(zhí)行自己的應用程序和對Flash進行編程保護，。

其中撥碼開關的1、2腳分別接高、低電平并且與AT91M40800的P23腳相連，以決定MCU初始化后執(zhí)行程序的起始地址；3、4腳分別接高電平和AT91M40800的NWR0/NWR引腳，并且與Flash的寫使能腳相連，以決定Flash是否可編程。

4 軟件模塊設計

本系統(tǒng)中軟件主要包括三大部分：AT91M40800的初始化代碼、監(jiān)控程序的目標板與PC平臺的實現、Flash的編程實現。

4.1 AT91M40800的初始化模塊

在這個模塊里，主要以目標板的硬件設計為基礎，實現MCU的寄存器初始化、異常向量表的初始化、異常處理程序和各種處理器模式下的堆棧的分配并實現重映射。然后，把系統(tǒng)運行權交給監(jiān)控程序或者是用戶的應用程序（由撥碼開關來實現）。其中寄存器初始化既包括ARM7核內的寄存器的初始化，也包括AT91M40800芯片內外圍寄存器的初始化，具體的有R15、EBL_CS0、EBL_CS1、EBL_CS2、EBL_CS3、AIC_SVR0、PIO_IDR、PIO_PDR、US_CR等。這里的代碼部分全部是用ARM的指令集來實現。為了增加源程序的可讀性、可移植性，將寄存器的地址和數據全部重定義命名，如addr_SVR8 EQU 0x0202000,CODE_SVR8 EQU 0x01010000,CODE_SVR8_END EQU 0x01011000。

4．2 監(jiān)控程序的實現

監(jiān)控程序可以實現以下幾個功能：顯示處理器各狀態(tài)下寄存器的值，修改指定地址的SDRAM、FlashROM中的內容，查看指定地址的存儲器中的內容，將用戶編寫的代碼下載到目標板指不定期地址的SDRAM、FlashROM中，從指定地址開始執(zhí)行用戶代碼，支持用戶設置的軟件中斷。

監(jiān)控程序包括兩部分：一是運行在目標板上的程序，二是運行在PC機上的應用程序。目標板上的程序實現與PC機上程序的交互操作，并按照PC機上程序的指令要求來完成讀寫寄存器、SDRAM、Flash和執(zhí)行指定地址的代碼程序。這段代碼也是用ARM指令集來實現的，它與PC機的交互是使用指定ASCII碼字符的方式來實現的。比如，按下PC機上的Memory按鈕以后，PC機將發(fā)送一個V字符，這些信息將以ASCII碼的方式通過串口發(fā)送到目標機上。當目標板上的監(jiān)控程序收到V字符后，馬上跳轉到Memory標號段，在這段程序中回應一個OK。PC機收到OK后，就發(fā)送地址信息，目標板上的監(jiān)控程序收到地址后緊接著就處理相應的要求。PC機端的應用程序是使用VB開發(fā)環(huán)境來實現的，其界面如圖5所示。它提供給用戶一個交互的界面。這樣開發(fā)工具給那些沒有昂貴的ARM仿真器的用戶提供了一個較為簡便的調試方法。

4.3 Flash的編程實現

Flash的編程作為一個獨立的代碼部分與調試程序代碼部分協(xié)同工作，使用C語言來實現，并最終與前兩個部分鏈部到一起。它主要由以下幾個部分組成：Flash編程模塊void Program(void);擦除整個Flash芯片Void EraseAll(void)；擦除扇區(qū)void EraseSector（void）；擦除一個扇區(qū)int OneSectorErase(ulong targetAddr)；空字節(jié)檢查int BlankCheck(ulong targetAddr,ulong targetSize);編程結果校驗int Verification（ulong targetAddr,ulong limit,ulong srcAddr）；等待延時int Wait(ulong tAddr).其中擦除與編程操作利用AM291V160D的指令字就可以完成?？兆止?jié)檢查是讀出Flash中的數據并且與0xFF比較得到結果。編程結果校驗是在編程結束后調用的函數，它是通過讀出Flash當中的數據與源數據相比較的方法來實現的，以確保編程結果正確。由于擦除操作與編程操作需要一定的時間，為了保證擦除與編程操作的正確性和判斷它們所處的階段，一般Flash芯片都提供三種判斷方法：一是應用引腳電平方式，二是采用TOGGLE位的方式，三是采用POLLING位的方式。這里在等待延時程序中采用TOGGLE位和超時判斷位DQ5相結合的方式來實現判斷擦除編程操作的具體狀態(tài)。具體的判斷算法流程可以參考AM291V160D的數據手冊。

4.4 函數庫的支持

用戶在開發(fā)自己的應用程序時，還有兩個強大的函數庫可以利用：一個是Atmel公司提供的AT91M開發(fā)庫（在Atmel公司的主頁上可以下載），另一個是Wiznet公司提供的W3100A的API函數（可在Wiznet公司的主頁下載）。

結語

用戶在采用此系統(tǒng)以后，可以免除對大量實時操作系統(tǒng)和底層TCP/IP協(xié)議細節(jié)的了解。應用本人提供的底層軟件、工具和芯片廠商提供的開發(fā)庫，將能夠靈活、快速地實現自己的嵌入式上網方案和應用。此方案為加快用戶的產品上市提供了一個不可多得的平臺。