基于LAN91C111的嵌入式以太网接口设计

I和LWIP， 其中LWIP必须在μCOS的支持下使用。μC/OS II是一种免费公开源代码， 结构小巧， 而且具有可剥夺实时内核的操作系统， 它可移植、可裁剪， 最多可管理64个任务， 其每个任务都拥有自己独立的堆栈， 大部分源码可使用ANSI C语言编写， 整个软件部分可在NIOS II IDE开发环境下完成。由于程序的内容较多， 本文着重介绍LAN91C111的初始化、发送数据、接收数据三个部分的软件设计方法。

　　2.1 初始化

　　ALTERA提供有LWIP的NIOS II 端口， 其源代码包含在NIOS II 开发工具包中。LWIP可为NIOS II处理器提供对以太网连接栈的快速、开源地访问。ALTERA的LWIP端口包括套接字API封装， 提供有标准的、文档说明齐全的套接字API。LWIP协议栈的主要接口是标准的套接字接口。除了套接字接口以外， 还可调用lwip_stack_init ()函数和lwip_devices_init () 函数来对堆栈和驱动程序初始化。通过HAL 系统代码可调用init_done_func ()、get_mac_addr () 和get_ip_addr() 函数来设置MAC地址和IP地址。为了初始化堆栈， 在调用OSStart启动μC/OS II 调度程序之前应调用函数lwip_stack_init ( ) ， 其原型为voidlwip_stack_init ( int thread_prio， void(*init_done_func) (void*)， void *arg)。堆栈初始化后， 还必须调用函数init_done_func ()， 而该函数必须调用函数lwip_devices_init () 。利用函数lwip_devices_init () 可以对在system.h中定义的所有已安装的以太网设备驱动程序进行注册， 若返回一个非0值则表示注册成功。注册成功后，TCP/IP栈即可使用， 之后便可在程序中创建任务。该函数的参数是接收线程的优先级。LWIP系统码在设备初始化过程中， 可通过lwip_devices_init ( ) 函数调用函数get_mac_addr ( ) 和get_ip_addr ()。用户通过编写这些函数， 可在系统中将MAC和IP地址存放在任意位置， 从而代替在设备驱动程序中固定位置的硬编码， 并增加系统的灵活性。设计时， 可以将MAC地址存放在Flash存储器中， 也可以将MAC地址存放在片上内嵌的存储器中。当所有的初始化都准备好后即可调用OSStart () 以启动RTOS进行任务调度。这个过程需要设置以太网目的地址、以太网源地址、协议类型， 然后再按照所设置的协议类型来设置数据包。

　　2.2 数据的发送和接收

　　数据的接收和发送可采用中断方式。中断服务程序通过检查LAN91C111的中断状态寄存器来判断是发送中断请求还是接收中断请求。初始化完成后， 即可创建任务， 建立套接字， 绑定端口， 绑定完之后， 再*端口。当LAN91C111接收到数据包时， 可由EPH模块察看此数据包的目的地址， 若为本网卡的MAC地址或广播地址或多播地址， 则把此数据包传送到LAN91C111的RAM中， 并向处理器发送中断， 由处理器进行数据处理。由于采用的是TCP/IP协议， 接收数据应调用read () 函数来接收建立连接的套接字中的数据，并将其放入缓冲区。发送过程则是由FPGA将数据传送到LAN91C111， 再由LAN91C111将接收到的数据封装成数据包， 并检测网络， 当没有数据传输时， 再将数据包传输到网络中， 并向处理器发送中断信号， 以表示数据传送完毕。发送数据时通过调用write () 函数可将要发送的数据发送到指定连接的目的地址。

　　3 结束语

　　本文的整个设计使用了逻辑单元(LE) 5314个， 占用EP2C35F484芯片内部资源的16%， 这充分体现了FPGA资源的丰富性。在传统设计中，通常选用单片机和低速网卡的设计方案， 这在实际应用中， 网络速度相对较慢， 而本设计中选用高速的以太网控制芯片LAN91C111和高速的FPGA，极大地提高了系统的网络数据处理能力，并可满足网络数据采集的需求。另外， 基于FPGA的NIOS II方案， 还可根据实际需要添加不同IP， 这也体现了SOPC的灵活性与可裁减性。