嵌入式Internet以太网接口的设计与实现

摘要： 基于DSP和较新的自适应10M/100M嵌入式以太网控制器芯片LAN91C111，介绍了嵌入式系统的软硬件实现方法。

在电子设备日趋网络的背景下，目前广泛使用的以太网及TCP/IP协议已经成为事实上最常用的网络标准之一，它的高速、可靠、分层及可扩充性使得它在各个领域的应用越来越灵活，很多情况下运用以太网和TCP/IP能够简化结构和降低成本。目前关于嵌入式以太网的设计方案不是很多，其中大多是基于单片机的，缺点是速度慢、成本太高。DSP作为一种特殊的嵌入式微处理器系统，具有嵌入的协处理器和用于快速数据处理的并行数据通道，在嵌入式网络设备中引入DSP技术可以使嵌入式以太网变得更快、更便宜、更容易进行功能扩充。本文介绍了基于TMS320LF2407型的嵌入式系统与LAN91C111型自适应10Mb/s/100Mb/s嵌入式以太网控制芯片的接口电路和实现方法。

1 LAN91C111嵌入式以太网控制器芯片

LAN91C111是SMSC公司推出的为嵌入式应用系统设计的第三代快速以太网控制器。在LAN91C111芯片上集成了CSMA/CD协议的媒体层（MAC）和物理层（PHY），其系统结构图如图1所示。该以太网控制器的主要功能特性如下。

（1）自适应地选择传输速率，支持10M/100Mbps。

（2） 8KB的内部存储器用于接收和发送的缓存。

（3） 支持突发数据传输。

（4） 提前发送和接收功能。

（5） 支持总线8位、16位和32位的CPU访问。

该以太网控制器遵循的标准与协议为IEEE颁布的802.3以太网传输协议。8～32位数据总线接口单元由控制总线、地址总线和数据总线与外部的CPU控制芯片相连。该单元还集成了E2PROM接口，所有内部寄存器的初始值可先放在E2PROM中，自举时通过E2PROM接口输入到芯片中，实现自动初始化。总线仲裁器（Arbiter）监视以太网总线的数据交流情况，一旦发生阻塞，一方面通过总线接口单元与外部CPU联系，另一方面控制内存控制单元（MMU），实现总线数据协调。内存控制单元控制8KB动态SRAM的存储情况，实现与DMA控制器之间的数据联络。DMA控制器与总线控制器一起控制数据在DMA与以太网协议处理器（EPH）之间的交换。由以太网协议处理器输出的数据最终经过10M/100M的物理层直接到达以太网总线。

2 硬件电路组成

出于性价比的考虑，采用了DSP控制器作为主CPU。TMS320LF2407是TI公司发布的240X系列中功能最强的一种控制器，有很大的存储空间（高达32K字的Flash程序存储器，可扩展外部64K字存储器和64K字I/O寻址空间），非常适合于处理复杂的TCP/IP协议。

由于LAN91C111是为嵌入式系统设计，其外围电路相对比较简单，其硬件接口框图如图2所示。LANC91C111内部寄存器可通过地址线A0~A15来访问。地址总线A1~A15与DSP的A1~A15相连，A0没有被悬空；数据总线D0~D15与DSP的D0~D15相连，可以传输16位数据。D16~D32悬空（因为LF2407是16位数据总线）；LAN91C111的片选信号AEN由DSP的外部I/O接口选通信号IS提供。二元件的读电平RD和写电平WR分别相连。LAN91C111端的中断输出信号INTR0送入DSP的外部中断脚XINT1 触发中断。TG110-S050N2是针对10M/100M以太网的变压滤波器。LAN91C111模块的Protel原理图。

3 软件设计

编写控制以太网接口程序的步骤如下。

3.1 μC/OSⅡ实时操作系统的移植

μC/OSⅡ是一种开放源码的实时嵌入式操作系统，具有很好的实时性。它是可移植、可裁减、可固化的占先式多任务操作系统，其大部分源码由ANSI C语言编写。

移植工作包括以下几个内容：（1）用汇编语言改写OS_ CPU_ A.ASM。（2）用Ｃ语言改写OS_CPU_Ｃ。C。（3）编写OS_ CPU.H。（4）适当处理OSMapTbl[ ]和OSUnMapTbl[ ]。

①OS_ CPU_ A.ASM文件包括4个子程序：OSStart-HighRdy、OSCtxsw、OSIntCtxSw和OSTickISR。

1）OSStartHighRdy（）函数

当程序执行内核的OSStart函数时，表示多任务系统开始启动， OSStart函数将调用OSStartHighRdy函数从最高优先级任务的TCB块中获得该任务的堆栈指针，通过该指针，依次从该任务的任务堆栈中恢复CPU的现场。由于任务在堆栈初始化时，已经设定了弹出到程序指针寄存器PC的是该任务函数的入口地址，因此，OSStartHighRdy函数只需依次弹出任务栈内容到处理起寄存器，该任务便将得以运行。

2）OSCtxSw（）函数

该函数是任务级的上下文切换函数，当任务被阻塞而主动请求CPU开始任务调度时执行，其过程是将当前任务的的CPU现场保存到该任务堆栈中去，然后从 OSTCBHighRdy中获得更高优先级任务的堆栈指针，再从该指针指向的堆栈中恢复此任务的CPU现场，使之继续执行，从而完成一次任务级别的切换。表2为OSCtxSw函数