LPC23xx的自适应以太网通信接口设计

以太网接口是嵌入式系统进行以太网通信的硬件基础。随着微电子技术的进步，许多嵌入式控制芯片集成了以太网控制器，这使得嵌入式系统中以太网接口的开发更为便利[1]。LPC23xx是NXP半导体公司(由Philips公司创建)于2006年12月前后推出的基于ARM7TDMIS内核的微控制器，与LPC21xx和LPC22xx相比，最为突出的特点是片上集成了10 Mbps/100 Mbps以太网控制器。

1 LPC23xx以太网控制器的结构和配置

　　如图1所示，LPC23xx以太网接口主要部分的功能如下[2]：


图1 LPC23xx以太网接口示意结构框图

　　① 控制寄存器，用于配置以太网控制器的工作方式、读取控制器的当前状态等；
　　② 总线接口，AHB总线与以太网控制器进行数据交换的接口；
　　③ 接收/发送DMA，实现接收/发送缓冲区到总线接口的批量数据传输；
　　④ 接收/发送缓冲区，与DMA协同工作，暂存接收/发送的数据；
　　⑤ 发送流量控制，在网络负载过大时插入以太网暂停帧以控制网络流量；
　　⑥ 接收过滤器，滤除以太网帧的控制部分，提取有效的数据；
　　⑦ MII(介质无关接口)/RMII(裁减的介质无关接口)，与外部PHY设备按规定的时序进行实时数据通信的接口；
　　⑧ MMII(MII管理接口)，配置PHY设备的工作方式，读取PHY设备的当前状态信息。

　　在使用LPC23xx的以太网控制器之前，用户须将正确的配置信息写入图1中的控制寄存器。其步骤如下：

　　① 清除LPC23xx以太网控制器的软件复位状态；
　　② 通过MMII对PHY设备进行正确的配置；
　　③ 选择与PHY设备的通信接口(RMII或MII)，受芯片尺寸所限，NXP已推出的LPC 2364、LPC 2366、LPC2368和LPC2378只有RMII的引脚；
　　④ 配置DMA引擎和收发缓冲区的首地址及长度；
　　⑤ 配置以太网接口的MAC(介质存取控制)地址，选择以太网速率(10 Mbps或100 Mbps)；
　　⑥ 使能接收/发送通道。

　　在以上6个步骤中，较为关键是对接收/发送缓冲区的配置(步骤④)，以下为详细的配置过程。为不影响以太网接口数据传输的实时性，一般选取LPC23xx以太网控制器专用的16 KB RAM作为收/发缓冲区的物理载体。按以太网帧的结构，可将收/发缓冲区分别划分为若干个相对独立的缓冲单元(也可以不划分)，每个单元对应着一个或多个描述符和状态符。描述符用来设置对应部分的首地址和控制信息，状态符存储着对应单元最新的状态信息。这些描述符和状态符在逻辑上分别组成一个环形阵列：描述符环形阵列的首地址由RxDescriptor(接收描述符基址寄存器) /TxDescrip tor(发送描述符基址寄存器)指定，大小由RxDecriptorNumber(接收描述符寄存器数量) /TxDescriptorNumber(发送描述符寄存器数量)指定；状态符的阵列首地址由RxStatus(接收状态基址寄存器) / TxStatus(发送状态基址寄存器)指定，大小与描述符阵列相同。在描述符阵列和状态符阵列形成后，就可以通过RxProducerIndex(接收产生索引寄存器) /TxProducerIndex(发送产生索引寄存器)、RxConsumerIndex(接收消耗索引寄存器) /TxConsumerIndex(发送消耗索引寄存器)对描述状态符阵列进行操作而实现数据的收/发。

2 网络数据接收和发送的控制

　　NXP公司在LPC23xx的用户指南(参考文献[2])中对其以太网控制器中数据的接收和发送有较为详细的介绍；但没有涉及描述符和状态符的环形阵列的概念，接收和发送的控制过程较为机械，本文在实际工程应用的基础上对此做了改进。以发送为例，图2为一个连续发送过程，将发送缓冲区分为4个单元，0和4、1和5、2和6、3和7是与这4个单元对应的描述符。发送过程如下：

　　① 如果上次数据发送完毕，就得到图2(a)所示的状态，此时TxProducerIndex=TxConsumerIndex
　　② 将要发送的数据写入4个缓冲单元中，将TxProduceIndex更新为4TxProducerIndex，即为图2(b)所示的状态，此后数据开始发送；
　　③ 等待上次发送结束(用中断或查询均可以实现等待)，得到图2(c)数据发送完毕的状态；
　　④ 若有后续的数据要发送，再将数据写入4个缓冲单元中，将TxProducerIndex更新为4TxProducerIndex，就得到图2(d)所示的状态，此后数据开始发送；
　　⑤ 重复以上过程，就得到了图2所示的连续发送过程。


图2 LPC23xx以太网控制器的连续发送过程

　　接收与发送过程类似。如果已经对LPC23xx控制器的接收通道进行了正确的配置，当4个缓冲单元(假定接收缓冲区也被划分为4个单元)满时，会产生中断。在中断服务程序中读取这4个缓冲单元，然后将RxConsumerIndex更新为4RxConsumerIndex，就完成了一次接收过程。需要指出的是，LPC23xx以太网控制器的接收和发送通道均需要先"产生"后"消耗"。对接收通道而言，以太网控制器是"产生者"，主机是"消耗者"；发送通道则恰好相反。