基于S3C44B0X的嵌入式以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)

在互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和局域網(wǎng)絡(luò)飛速發(fā)展的今天，計(jì)算機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的同時(shí)，各種家電設(shè)備、儀器儀表、工業(yè)生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)采集和控制正在走向網(wǎng)絡(luò)化。

以太網(wǎng)(Ethemet)由于它的普遍性及低廉的接口價(jià)格，因而已經(jīng)作為一種最通用的網(wǎng)絡(luò)，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和生活中。另一方面，嵌入式設(shè)備在價(jià)格、體積及實(shí)時(shí)性等方面是通用計(jì)算機(jī)無(wú)法比擬的，也已廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化控制、數(shù)據(jù)采集、通信網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。因此，嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)有著廣闊的前景，首先要解決的問(wèn)題就是嵌入式以太網(wǎng)接口問(wèn)題。

本文基于最常用的嵌入式處理器S3C44B0X和以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)器RTL8019AS來(lái)設(shè)計(jì)了一款嵌入式以太網(wǎng)接口。本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是，既可僅用于嵌入式以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)設(shè)備，方便簡(jiǎn)單，又可進(jìn)行擴(kuò)展其他模塊，必要時(shí)可以移植操作系統(tǒng)，應(yīng)用于其他復(fù)雜領(lǐng)域。本文從RTL8019AS的內(nèi)部結(jié)構(gòu)工作原理出發(fā)，介紹了基于 S3C44B0X的硬件接口電路，詳細(xì)說(shuō)明了基于硬件層的驅(qū)動(dòng)程序C語(yǔ)言的設(shè)計(jì)。

1以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)

一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)物理傳輸幀由7部分組成：PR(同步位)、SD(分隔位)、DA(目的地址)、SA(源地址位)、TYPE(類型字段)、DATA(數(shù)據(jù)段)、FCS(幀校驗(yàn))。

其傳輸幀結(jié)構(gòu)(及各部分長(zhǎng)度)如圖1所示。

除了數(shù)據(jù)段的長(zhǎng)度不定外，其他部分的長(zhǎng)度固定不變。數(shù)據(jù)段為46～1500字節(jié)。以太網(wǎng)規(guī)定整個(gè)傳輸包的最大長(zhǎng)度不能超過(guò)1514字節(jié)(14字節(jié)為DA、 SA、TYPE)，最小不能小于60字節(jié)。需填充時(shí)，填充字符的個(gè)數(shù)不包括在長(zhǎng)度字段中；超過(guò)1 500字節(jié)時(shí)，需拆成多個(gè)幀傳送。事實(shí)上，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，PR、SD、FCS及填充字段這幾個(gè)數(shù)據(jù)段由以太網(wǎng)控制器自動(dòng)產(chǎn)生；而接收數(shù)據(jù)時(shí)，PR、SD被跳過(guò)，控制器一旦檢測(cè)到有效的前序字段(即PR、SD)，就認(rèn)為接收數(shù)據(jù)開(kāi)始。

2芯片簡(jiǎn)介

S3C44B0X是三星公司使用ARM7TDMI核生產(chǎn)的16／32位RISC(精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī))處理器，它提供了豐富的內(nèi)置模塊，包括：8 kB Cache和內(nèi)部SRAM，LCD(液晶顯示器)控制器，2通道的UART，4通道的DMA(直接存儲(chǔ)器存取)，存儲(chǔ)器管理，帶PWM(脈寬調(diào)制)的定時(shí)器，I／O口，8通道10位的A／D轉(zhuǎn)換器，IIC、IIS總線，同步SIO接口和PLL(鎖相環(huán))倍頻器，可根據(jù)需要進(jìn)行接口擴(kuò)展，并且價(jià)格低廉，目前已被廣泛應(yīng)用于嵌入式領(lǐng)域中。

RTL8019AS是在嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用廣泛且性價(jià)比很高的網(wǎng)絡(luò)控制芯片。RTL8019AS的主要性能有：符號(hào)EthernetⅡ與IEEE 802.3(10Base5、10Base2、10BaseT)標(biāo)準(zhǔn)；全雙工，收發(fā)可同時(shí)達(dá)到10 Mbit／s的速率；內(nèi)置16 kB的SRAM，用于收發(fā)緩沖，降低對(duì)主處理器的速度要求；支持8／16位數(shù)據(jù)總線，8個(gè)中斷申請(qǐng)線以及16個(gè)I／O基地址選擇；支持UTP、AUI、 BNC自動(dòng)檢測(cè)，還支持對(duì)10BaseT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的自動(dòng)極性修正；允許4個(gè)診斷LED引腳可編程輸出。

RTL8019AS可分為以下幾部分功能模塊：

a)遠(yuǎn)程DMA接口：處理器與RTL8019AS收發(fā)緩沖的連接通道，處理器只需對(duì)遠(yuǎn)程DMA操作。

b)本地DMA接口：RTL8019AS與網(wǎng)線的連接通道，完成控制器與網(wǎng)線的數(shù)據(jù)交換。

c)MAC(介質(zhì)訪問(wèn)控制)邏輯：完成對(duì)遠(yuǎn)程DMA和本地DMA數(shù)據(jù)包傳輸、中斷的產(chǎn)生等自動(dòng)控制。

d)地址識(shí)別邏輯：將接收到的數(shù)據(jù)幀中的目的地址和地址寄存器中的地址進(jìn)行比較，判斷其是否為發(fā)到本地的幀。

e)CRC(循環(huán)冗余校驗(yàn))產(chǎn)生校驗(yàn)邏輯：在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，產(chǎn)生CRC碼，對(duì)接收幀進(jìn)行CRC。

f)協(xié)議PCA：負(fù)責(zé)實(shí)施以太網(wǎng)規(guī)范。

RTL8019AS內(nèi)部有16kB SRAM，分為64頁(yè)，256字節(jié)／頁(yè)，組成環(huán)形隊(duì)列作為收發(fā)緩沖區(qū)，只能按頁(yè)操作，頁(yè)地址從0x4000～0x7FFF。可以通過(guò)相關(guān)的寄存器讀寫(xiě)操作，可以對(duì)緩沖區(qū)進(jìn)行設(shè)置及狀態(tài)的讀取。由于接收緩沖區(qū)是按頁(yè)即256 B來(lái)操作的，與緩沖區(qū)地址有關(guān)的寄存器中只需存儲(chǔ)緩沖區(qū)的高16位地址即可。在本設(shè)計(jì)中，將前32頁(yè)(0x400～0x5fff)作為接收緩沖區(qū)，將后 32頁(yè)(0x6000～0x7ff)作為發(fā)送緩沖區(qū)。

RTL8019AS具有32位輸入輸出地址，地址偏移量為00H～1FH。其中，00H～0FH共16個(gè)地址為寄存器地址。遠(yuǎn)程DMA地址包括 10H～17H，都可以用來(lái)做遠(yuǎn)程DMA端口，只要用其中的一個(gè)就可以了。復(fù)位端口包括18H～1FH共8個(gè)地址，功能相同，用于RTL8019AS復(fù)位。RTL8019AS的內(nèi)部I／O基址是00H，但微處理器要訪問(wèn)8019的地址卻不是00H，該地址是由處理器與網(wǎng)絡(luò)控制器的連線決定的。

RTL8019AS寄存器分為4頁(yè)，即PAGE0～PAGE3，每一頁(yè)的地址偏移量均為0x00～0x1f由RTL8019AS的CR(命令寄存器)中的 PS1、PS0位來(lái)決定要訪問(wèn)的頁(yè)，每一頁(yè)中的寄存器由SA0～SA3尋址。第0頁(yè)和第1頁(yè)的寄存器很重要，用于數(shù)據(jù)收發(fā)的控制和中斷管理等，使用前必須對(duì)其進(jìn)行配置。第2頁(yè)和第3頁(yè)只用于診斷和其他一些配置，很少使用。

3設(shè)計(jì)思路

首先，S3C44B0X通過(guò)RTL8019AS的I／O口，對(duì)其相關(guān)寄存器進(jìn)行配置。在通信時(shí)，S3C44B0X與RTL8019AS的收發(fā)緩存器的數(shù)據(jù)交換由遠(yuǎn)程DMA控制，而RTL81019AS收發(fā)緩存器與以太網(wǎng)總線之間的數(shù)據(jù)交換由它的本地DMA控制。RTL8019AS通過(guò)中斷的方式通知 S3C44B0X數(shù)據(jù)收發(fā)的結(jié)果和狀態(tài)，S3C44B0X通過(guò)查詢中斷狀態(tài)寄存器的值，作出相應(yīng)處理。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4接口電路設(shè)計(jì)

接口電路如圖3所示。

S3C 44B0X的nOE、nWE分別與RTL8019AS的IORB、IOWB相連，控制數(shù)據(jù)的讀和寫(xiě)操作，低電平有效。RTL8019使用中斷0，對(duì)應(yīng)S3C4480的外部中斷1。

RTL8019AS RTL8019AS有3種工作方式：

a)跳線方式：I／O和中斷由跳線決定；
b)即插即用方式(PNP)：由軟件進(jìn)行自動(dòng)配置，使用這種方法時(shí)，系統(tǒng)的啟動(dòng)程序必須包含支持PNP的函數(shù)；
c)免跳線方式：I／O和中斷由外接的EEPROM93C46中的內(nèi)容決定。

在本設(shè)計(jì)中，為了降低啟動(dòng)程序和接口電路的復(fù)雜性，選擇跳線方式，故JP接高電平。

X1、X2分別為20 MHz晶振的輸入輸出端。LED0～2分別連接3個(gè)發(fā)光二極管，指示網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)傳輸和發(fā)送的情況。 20F001為網(wǎng)卡濾波器，內(nèi)部包含一對(duì)低通濾波器和一對(duì)隔離變壓器，其輸出TX+／-、RX+／- 與RJ45的信號(hào)口相連

由于在本設(shè)計(jì)中RTL8019AS的AEN與S3C44B0X的nGCS2相連，所以對(duì)應(yīng)S3C44B0X的存儲(chǔ)器的起始地址0x0600-0000；并且，由于RTL8019AS的IOS0～IOS3接地，在跳線模式下，當(dāng)IOS0～IOS1為0000時(shí)，RTL8019AS的基址為0300H。因此，在本設(shè)計(jì)中，S3C44B0X訪問(wèn)RTL8019AS的基址就是0x0600-0300。

5驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

5.1程序設(shè)計(jì)思路

在本設(shè)計(jì)方案中，驅(qū)動(dòng)程序主要包含3個(gè)函數(shù)，即系統(tǒng)的初始化函數(shù)、接收數(shù)據(jù)包函數(shù)、發(fā)送數(shù)據(jù)包函數(shù)。初始化部分完成RTL8019AS在使用之前的初始化工作，包括設(shè)置相關(guān)工作模式的寄存器、分配和初始化接收和發(fā)送緩沖區(qū)、初始化網(wǎng)卡接收地址等。

MAR0-MAR7-多點(diǎn)地址寄存器：這8個(gè)寄存器的值是根據(jù)多播地址數(shù)組的值生成的，提供對(duì)多播地址的過(guò)濾，過(guò)濾掉一些不屬于自己接收多播數(shù)據(jù)包。

這里均設(shè)為FFH，接所有多播地址的數(shù)據(jù)包：

下面6條語(yǔ)句設(shè)置MAC地址，寄存器為PAR0～PAR5：實(shí)際地址寄存器，這些寄存用來(lái)對(duì)目標(biāo)地址數(shù)據(jù)包進(jìn)行比較，以確定接收或者拒絕接收。地址放在數(shù)組add[6]中。

5.2數(shù)據(jù)的傳輸和發(fā)送

數(shù)據(jù)的傳輸和發(fā)送由本地DMA傳輸和與遠(yuǎn)程DMA傳輸兩部分完成，前者大部分工作由RTL8019AS自動(dòng)完成，我們要做的是設(shè)置收發(fā)緩沖區(qū)的大小及指針變量，這些工作在RTL8019AS的初始化時(shí)已完成，因此只需要編寫(xiě)遠(yuǎn)程DMA讀寫(xiě)函數(shù)。對(duì)遠(yuǎn)端DAM口的讀寫(xiě)，不同的只是數(shù)據(jù)傳輸方向，這里，僅以讀操作為例，即編寫(xiě)從RTL8019AS接收緩沖區(qū)取數(shù)據(jù)包到S3C4480X。(注意：遠(yuǎn)程DMA的寫(xiě)函數(shù)，即向RTL8019AS發(fā)送緩沖區(qū)寫(xiě)數(shù)據(jù)函數(shù) --send_data()省略。)

5.3以太網(wǎng)接口通信函數(shù)流程

這里采用中斷和查詢相結(jié)合的方式來(lái)決定是否發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。當(dāng)RTL8019AS的ISR(中斷狀態(tài)寄存器)的任意一中斷位置位時(shí)，S3C4B0X都要對(duì)其進(jìn)行中斷相應(yīng)(在這里只關(guān)注第0中斷位和第1中斷位，即分別反映RTL8019AS已正確接收到數(shù)據(jù)和已成功發(fā)送數(shù)據(jù)包，因此在初始化函數(shù)中將其他位屏蔽)。這時(shí)要對(duì)ISR進(jìn)行訪問(wèn)，來(lái)判斷是何種中斷，進(jìn)而作出相應(yīng)的響應(yīng)，如圖4所示。

6結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)軟硬件的調(diào)試，并已成功地進(jìn)行以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸。由于S3C4480X出眾的性價(jià)比及豐富的外圍接口，通過(guò)擴(kuò)展本設(shè)計(jì)可以應(yīng)用到嵌入式儀器儀表、工業(yè)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)、嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制等許多領(lǐng)域。