基于ARM-LPC2368的網(wǎng)絡接口的設計與實現(xiàn)
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關鍵詞： 嵌入式系統(tǒng)，以太網(wǎng)，LPC2368，DP83848C
１ 引言
隨著Internet技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對信息共享的要求也不斷提高。目前，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)滲透到我們生活的每個角落，它與網(wǎng)絡的完美結(jié)合，為我們共享信息提供了很大的便利。PHILIPS公司的LPC2368是一款優(yōu)秀的微處理器，基于它的嵌入式系統(tǒng)如果沒有以太網(wǎng)接口，那么其應用價值也就會大打折扣。因此，就整個系統(tǒng)而言，以太網(wǎng)接口電路應是必不可少的，但同時也是相對較復雜的。
以太網(wǎng)接口電路主要由MAC控制器和物理層接口（Physical Layer，PHY）兩大部分構(gòu)成。LPC2368內(nèi)嵌一個以太網(wǎng)控制器，支持精簡的媒體獨立接口（Reduced Media Independent Interface，RMII）和帶緩沖DMA接口（Buffered DMA Interface，BDI），可在半雙工和全雙工模式下提供10M/100Mbps的以太網(wǎng)接入。因此，LPC2368內(nèi)部實際上己經(jīng)包含了以太網(wǎng)MAC控制，但并未提供物理層接口，所以，需要外接一片物理層芯片以提供以太網(wǎng)的接入通道。在這里選用National Semiconductor公司的DP83848C作為以太網(wǎng)物理層接口芯片，它提供了包括MII/RMII/SNI接口，可以很方便地與LPC2368連接。
２ LPC2368和DP83848C的介紹
2.1 微處理器LPC2368
LPC2368是基于ARM7TDMI-S內(nèi)核的32位微控制器，可在高達72MHz的頻率下操作，其功能強大且成本效率高，支持 10/100Ethernet、全速（12Mbps）USB 2.0 和 CAN 2.0B；具有高達512KB的片內(nèi)Flash、58KB的SRAM、10 位 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換器和一個 IRC 振蕩器，還帶有 SD 存儲卡接口可供選擇，100引腳LQFP封裝(14141.4mm)。廣泛應用于工業(yè)控制、POS系統(tǒng)、協(xié)議轉(zhuǎn)換、加密系統(tǒng)等領域[1]。
2.2 物理層芯片DP83848C
DP83848C是一個10/100Mb/s單端低功耗物理層器件，有幾種智能降功耗模式，包括有25MHz時鐘輸出,很容易通過外接變壓器和雙絞線媒體接口；支持兩種IEEE 802.3u MII和RMII Rev 1.2，方便了設計；集成的亞層支持10BASE-T和100BASE-TX以太網(wǎng)協(xié)議；低功耗小于270mW、3.3V MAC接口；可配置的SNI接口；48引腳LQFP封裝(7x7mm)。DP83848C作為一種以太網(wǎng)物理層收發(fā)器，廣泛應用于高端外圍設備、工業(yè)控制和工廠自動化操作、通用的嵌入式應用領域[2]。
３ 硬件部分設計
3.1 電路框圖
LPC2368與DP83848C連接比較簡單，直接通過RMII接口連接即可。連接好后，DP83848C再通過網(wǎng)絡隔離變壓器和RJ45接口接入傳輸媒體，其電路框圖如圖1所示。
圖 1 微控制器LPC2368與PHY芯片DP83848C的以太網(wǎng)接口電路框圖
3.2 以太網(wǎng)接口實際電路原理圖設計
DP83848C支持幾種MAC接口方式：（1）MII；（2）RMII (Reduced MII)；(3)10 Mb 串行網(wǎng)絡接口（Serial Network Interface，SNI）。在這里我們使用的是RMII接口方式，通過設置引腳pin39和pin6來確定，如表１所示。
表１：MII方式選擇
MII_MODE (pin39) | SNI_MODE (pin6) | MAC Interface Mode |
0 | 0或1 | MII Mode |
1 | 0 | RMII Mode |
1 | 1 | 10 Mb SNI Mode |
由表１可以看出，pin39應接上高電平，pin6應接上低電平。同時因為在芯片內(nèi)部pin6下拉，默認為0，所以只要設置pin39接上高電平即可，這樣微處理器LPC2368就可以同PHY芯片DP83848C通過RMII接口方式連接。它們之間通過RMII接口連接，芯片和控制器連接所使用的引腳數(shù)目會比較少，且數(shù)據(jù)傳送速率是每次2位，即頻率50MHz，所以需要一個50MHz的晶體振蕩器連接到pin34 X1腳。
在RMII方式下，主要使用到的引腳有：1串行管理：MDC（pin31）、MDIO（pin30）； 2MAC數(shù)據(jù)：TX_EN（pin2）、TXD[1:0]（pin4 pin3）、RX_ER（pin41）、CRS_DV（pin40）、RXD[1:0]（pin44 pin43）； 3時鐘：X1(pin34 ,RMII 參考時鐘是50MHz)、X2(pin33)。
Pin27置高使得DP83848C以100Mbps的速率工作, LED顯示DP83848C的工作狀態(tài)。16ST8515為網(wǎng)絡隔離變壓器，其主要是起信號傳輸、阻抗匹配、波形修復、雜波抑制以及高電壓隔離等作用，以保護系統(tǒng)的安全。通過protel 99 SE畫出電路原理圖如圖２所示。
圖２ 以太網(wǎng)接口實際電路原理圖
4 軟件實現(xiàn)過程
軟件的實現(xiàn)主要有三個部分：系統(tǒng)的初始化、數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。
初始化部分完成以太網(wǎng)接口在使用之前的初始化工作，主要包括設置相關的寄存器、分配和初始化發(fā)送與接收緩沖區(qū)等。
4.1 以太網(wǎng)工作原理
在網(wǎng)絡接口層對應的數(shù)據(jù)包是完整的以太網(wǎng)幀格式的，因此要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收就必須按以太網(wǎng)IEEE802.3協(xié)議來進行，該協(xié)議所定義的幀結(jié)構(gòu)如表2所示。
表2：標準的以太幀格式
同步位 | 分隔位 | 目的地址 | 源地址 | 幀類型 | 數(shù)據(jù)段 | 填充 | 校驗位 |
56Bit | 8Bit | 48Bit | 48Bit | 16Bit | 1500Byte | 可選 | 32Bit |
每個網(wǎng)卡在出廠的時候有個全球固定的物理地址（MAC地址）。當總線上的一個節(jié)點發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀，總線上其他的網(wǎng)絡節(jié)點都拷貝該數(shù)據(jù)幀，每個節(jié)點檢查數(shù)據(jù)幀的目的物理地址，如果和自己的物理地址匹配的話，該節(jié)點的網(wǎng)卡就接受該數(shù)據(jù)幀傳給上層協(xié)議處理，反之如果不匹配，該節(jié)點就丟棄數(shù)據(jù)幀。
4.2 發(fā)送與接收數(shù)據(jù)幀
采用中斷的方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。
發(fā)送數(shù)據(jù)幀：將要發(fā)送的數(shù)據(jù)封裝成以太幀，并寫入發(fā)送緩沖區(qū)；檢測網(wǎng)絡中有無數(shù)據(jù)在傳送，即上一個幀是否發(fā)送完畢，如果網(wǎng)絡中仍有數(shù)據(jù)在傳送，則暫時不能發(fā)送幀，若網(wǎng)絡中沒有數(shù)據(jù)，則可以立即發(fā)送此幀；在發(fā)送該幀時，可同時封裝下一個數(shù)據(jù)幀，并將其寫入第二個發(fā)送緩沖區(qū)；當中斷服務程序檢測到第一個數(shù)據(jù)幀發(fā)送完畢時，則可發(fā)送下一個數(shù)據(jù)幀。重復以上過程，直到所有數(shù)據(jù)幀都發(fā)送完畢。發(fā)送數(shù)據(jù)幀的流程圖如圖3所示。
接收數(shù)據(jù)幀：等待直到有數(shù)據(jù)幀到達，將此數(shù)據(jù)幀保存到FIFO緩存中，然后察看該數(shù)據(jù)幀的目的地址，若為NIC的MAC地址或廣播地址，并且經(jīng)檢驗沒有出錯，則把此數(shù)據(jù)傳送到接收緩沖中，并向處理器提出中斷，將接收到的數(shù)據(jù)幀從 NIC本地緩存連續(xù)讀人到系統(tǒng)內(nèi)存中。接收數(shù)據(jù)幀的流程圖如圖４所示。
圖３ 發(fā)送數(shù)據(jù)幀流程圖
圖4 接收數(shù)據(jù)幀流程圖 |
5 結(jié)束語
本文講到了利用微處理器LPC2368和PHY芯片DP83848C來設計以太網(wǎng)接口。由于微控制器LPC2368和物理層芯片DP83848C的優(yōu)良性能，使得該接口電路具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功耗低等許多優(yōu)點，是實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡連接的不錯選擇。
本文作者創(chuàng)新點：使用功能強大的微處理器LPC2368，通過精簡的媒體獨立接口與物理層芯片進行連接，在保證同樣功能的情況下，使得布線更加簡單，可以大大減小設計時的出錯率。
參考文獻
[1]. LPC2364/6/8/78 User manual.
[2]. DP83848C User manual.
[3]. ARM微控制器基礎與實戰(zhàn)[M].北京:北京航空航天大學出版社, 2005.
[4]. 付沖,陳英,馬希敏,張永元.一種通用嵌入式系統(tǒng)以太網(wǎng)接口的設計與實現(xiàn)[J].山東大學學報,2005.6,35(3):93- 97.
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[7].微計算機信息-嵌入式與SOC（中旬）
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