淺談AT91RM9200在以太網接口模塊應用

0 引 言

在Internet飛速發(fā)展的今天，網絡已經滲透到生活的方方面面，與網絡的結合已經成為嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。目前，ARM微處理器已經在多個領域中得到應用，各種基于ARM微處理器的設備應用數量已經遠遠超過了通用計算機，基于ARM微處理器的開發(fā)應用正成為數字時代的技術潮流。ARM（Advanced RISC Machines）是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設計了大量高性能、廉價、耗能低的RISC處理器、相關技術及軟件。技術具有性能高、成本低和能耗省的特點。適用于多種領域，比如嵌入控制、消費/教育類多媒體、DSP和移動式應用等。

l AT91RM9200簡介

AT91RM9200是基于ARM920T核的高性能、低功耗16/32位RISC（精簡指令集計算機）微處理器。其內部集成豐富的外設資源，適用于要求外設資源豐富、功耗低、工作嚴格穩(wěn)定的工業(yè)控制和野外儀器等方面。 從而為低功耗，低成本，高性能的計算機應用提供了一個單片解決方案。適用于要求外設資源豐富，功耗低，工作穩(wěn)定的工業(yè)控制等方面。

AT91RM9200處理器主要具有如下特點：1）低功耗：VDDCORE電流為30.4mA,待機模式電流為3.1mA.2）雙向、32位外部數據總線支持8位、16位、32位數據寬度讀寫，支持SDRAM、static Memory、Burst Flash、Compact FLASH和NAND Flash,滿足采集站對于數據的采集和處理要求。3）提供一系列符合工業(yè)標準的外設接口，如：USART、SSC、SPI、USB及I2C等。4）具有20通道外圍數據控制器（PDC或DMA），可以數據的傳輸更快，同時可以減輕CPU的負擔，以便實時響應其它的處理。5）支持USB 2.0（12Mbps）主機端口，可以方便在野外采集時另接存儲器，以便持續(xù)采集。 6）支持以太網10/100,可以很方便的實現(xiàn)采集之間的快速通信。

2 最小系統(tǒng)設計

硬件系統(tǒng)設計是嵌入式系統(tǒng)設計的基礎，ARM系統(tǒng)硬件平臺主要分為兩部分：一部分為基于ARM處理器的最小系統(tǒng)；另一部分為外圍擴展電路。系統(tǒng)只有在硬件最小系統(tǒng)調試穩(wěn)定的基礎上，才能靈活、輕松地擴展出其他外圍應用，所以最小系統(tǒng)是保證微處理器可靠工作所必須的基本電路。基于AT91RM9200微處理器的最小系統(tǒng)由微處理器、電源電路、時鐘電路、復位電路、JTAG接口、存儲器模塊、串行調試接口等電路組成。

2.1 電源電路設計

在系統(tǒng)中AT91RM9200需要1.8 V和3.3 V電源，另外，大部分外圍器件需要3.3 V電源，小部分外圍器件還需要5 V電源，假設輸入電壓為5 V直流穩(wěn)壓電源。為了得到可靠的3.3 V電壓，此處選用的電壓轉換芯片是NCPlll7ST33T3,它的輸入電壓為5 V,輸出電壓為3.3 V,最大輸出電流為0.8 A.同樣，為了得到可靠的1.8 V電壓，選用NCPlll7STl8T3,它的輸入電壓為5 V,輸出電壓為1.8 V,最大輸出電流為0.8 A.由于3.3 V和1.8 V屬于NCPlll7系列的2個固定輸出電壓，所以設計比較簡單，只需要在電路中與芯片并聯(lián)2個典型值為10 tLF、的濾波電容即可。

2.2 時鐘電路設計

時鐘電路為AT91RM9200和其他外設電路提供工作時鐘。處理器內部帶有鎖相環(huán)電路，所以外接頻率比較低的晶體振蕩器，該設計用晶體振蕩器Y1（20 MHz）作為系統(tǒng)的主時鐘振蕩器。處理器內部還帶有實時時鐘電路，還需要外接32.768 kHz的晶體振蕩器。振蕩器產生的主時鐘和慢時鐘經過微處理器內部2個鎖相環(huán)后，產生系統(tǒng)所需的各種主時鐘、外設時鐘以及USB器件工作時鐘。振蕩器（英文：oscillator）是用來產生重復電子訊號（通常是正弦波或方波）的電子元件。其構成的電路叫振蕩電路。能將直流電轉換為具有一定頻率交流電信號輸出的電子電路或裝置。種類很多，按振蕩激勵方式可分為自激振蕩器、他激振蕩器；按電路結構可分為阻容振蕩器、電感電容振蕩器、晶體振蕩器、音叉振蕩器等；按輸出波形可分為正弦波、方波、鋸齒波等振蕩器。廣泛用于電子工業(yè)、醫(yī)療、科學研究等方面。

2.3 復位電路設計

AT91RM9200有2個獨立的復位信號，即系統(tǒng)復位信號NRST與調試復位信號NTRSI,都是低電平有效。系統(tǒng)上電后，AT91RM9200必須執(zhí)行一個上電復位，在過渡狀態(tài)下，它的強制復位信號為低，直到電源電壓和振蕩器工作頻率穩(wěn)定為止。此外，NRST和NTRST還可以手動復位，以方便用戶調試程序。

2.4 存儲器模塊設計

存儲器模塊包括NOR FLASH存儲器和SDRAM存儲器。

NOR FLASH存儲器用于存儲系統(tǒng)運行所需的程序和重要數據，即使掉電，程序和數據也不會丟失。該設計中所用芯片是Atmel公司生產的AT49BNl614T,以保持與AT91RM9200的兼容性，其存儲容量為2 MB,工作電壓為3.3 V,采用56引腳TSOP封裝，具有16位數據寬度。AT91RM9200需要以下引腳與之對應相連：A[1:21],D[0:15],NCSO/BFCS,NRST,BFRDY,BFWE,BFOE.

SDRAM存儲器的作用是存放系統(tǒng)運行時的程序和數據，掉電后該部分程序和數據會丟失。SDRAM:Synchronous Dynamic Random Access Memory,同步動態(tài)隨機存儲器，同步是指 Memory工作需要同步時鐘，內部的命令的發(fā)送與數據的傳輸都以它為基準；動態(tài)是指存儲陣列需要不斷的刷新來保證數據不丟失；隨機是指數據不是線性依次存儲，而是自由指定地址進行數據讀寫。SDRAM從發(fā)展到現(xiàn)在已經經歷了四代，分別是：第一代SDR SDRAM,第二代DDR SDRAM,第三代DDR2 SDRAM,第四代DDR3 SDRAM.（顯卡上的DDR已經發(fā)展到DDR5） 設計中使用兩片數據寬度為16位的SDRAM并為一個具有32位數據寬度的SDRAM模塊，以充分發(fā)揮微處理器32位數據寬度的高性能。AT91RM9200需要以下引腳與HY57V561620對應相連：D[0:31],A[2:11],A[13:14],NBS0,N:BSl,NBS2,NBS3,SDCKE,SDCK,SDCS,RAS,CAS,SDWE.這里特別注意：A12引腳不使用。

2.5 JTAG接口電路設計

JTAG是英文Joint Test Action Group（聯(lián)合測試行為組織）的詞頭字母的簡寫，該組織成立于1985 年，是由幾家主要的電子制造商發(fā)起制訂的PCB 和IC 測試標準。JTAG 建議于1990 年被IEEE 批準為IEEE1149.1-1990 測試訪問端口和邊界掃描結構標準。該標準規(guī)定了進行邊界掃描所需要的硬件和軟件。自從1990 年批準后，IEEE 分別于1993 年和1995 年對該標準作了補充，形成了現(xiàn)在使用的IEEE1149.1a-1993 和IEEE1149.1b-1994.JTAG 主要應用于：電路的邊界掃描測試和可編程芯片的在線系統(tǒng)編程JTAG也是一種國際標準測試協(xié)議（IEEE 1149.1兼容），主要用于芯片內部測試?，F(xiàn)在多數的高級器件都支持JTAG協(xié)議，如DSP、FPGA器件等。標準的JTAG接口是4線：TMS、TCK、TDI、TDO,分別為模式選擇、時鐘、數據輸入和數據輸出線。 相關JTAG引腳的定義為：TCK為測試時鐘輸入；TDI為測試數據輸入，數據通過TDI引腳輸入JTAG接口；TDO為測試數據輸出，數據通過TDO引腳從JTAG接口輸出；TMS為測試模式選擇，TMS用來設置JTAG接口處于某種特定的測試模式；TRST為測試復位，輸入引腳，低電平有效。GND JTAG調試接口設計是否標準，直接影響到硬件平臺是否能夠連接ARM仿真器。所以在設計時，有以下幾點需要注意：

（1）盡可能按照標準的20針接口設計。如果設計成14針接口，一定要嚴格按照14針接口對應于20針接口的對應關系來設計。

（2）nTRST和nRESET、引腳不用時，要用10 kΩ的電阻拉高，否則JTAG上這兩個引腳的信號不確定，會造成ARM調試器不能正常連接目標系統(tǒng)。

（3）JTAG上輸出的信號都要用10 kΩ的電阻拉高。

2.6 UART、串行接口電路設計

AT91RM9200的UASRT作為同步/異步串行接口，在調試狀態(tài)下作為調試串口；在正常工作狀態(tài)下為一般串行口使用，可以通過RS 232實現(xiàn)與其他設備的通信。該設計中的UART、接口芯片是MAX3232,其工作電壓為3.3 V,16引腳SOIC封裝。其最為簡單且常用的是三線制接法，即地線，接收數據線和發(fā)送數據線三腳對應相連。

在完成以上幾部分電路設計后，基于AT91RM9200的嵌入式系統(tǒng)就具有了安全可靠的工作條件，也為下面的擴展以太網接口設計打下了良好的基礎。

3 以太網接口設計

在ARM系統(tǒng)中，以太網接口是與遠程機進行通信及調試的基礎，還可以進行內部局域網和互聯(lián)網間的通信。而基于ARM的系統(tǒng)若沒有以太網接口，其應用價值就會大打折扣。因此，就整個嵌入式系統(tǒng)而言，以太網接口電路是必不可少的，但同時也是相對復雜的。

從硬件的角度看，以太網接口電路主要由MAC控制器和物理層接口（PHY）兩大部分構成。該設計中所用到的以太網接口芯片RTL8019AS,其內部結構包含這兩部分。RTL8019AS是一款高集成度的以太網控制芯片，具有8/16位總線模式，集成了IEEE802.3協(xié)議標準的MAC層和PHY層的性能，與NE2000相兼容，支持以太網全雙工通信方式；支持UTP,AUI和BNC自動檢測，支持16位I/O基本地址選項和額外I/O地址輸入/輸出完全解碼方式；支持存儲器瞬時讀寫，收發(fā)可同時達到10 Mb/s的速率，內置16 KB的SRAM,可以方便地與微處理器進行連接。它支持多種嵌入式處理器芯片，內置有FIFO緩存器用于發(fā)送和接收數據。

3.1 以太網接口工作原理

使用RTL8019AS作為以太網的物理層接口，它的基本工作原理是：在收到由主機發(fā)來的數據包后，偵聽網絡線路。如果線路忙，它就等到線路空閑為止，否則，立即發(fā)送該數據幀。在發(fā)送過程中，首先為數據包添加幀頭（包括前導字段和幀開始標志），然后生成CRC校驗碼，最后將此數據幀發(fā)送到以太網上。

在接收過程中，它將從以太網收到的數據包在經過解碼、去幀頭和地址校驗等步驟后緩存在片內。在CRC校驗通過后，它會根據初始化配置情況，通知RTL8019AS收到了數據包。最后，用某種傳輸模式（I/O模式、Memory模式、DMA模式）傳到ARM系統(tǒng)的存儲區(qū)中。

3.2 硬件電路設計

用RTL8019AS芯片設計的以太網控制器相關電路，可以通過RJ45連上以太網，在判斷網卡芯片是否工作正常時，有兩個依據，一是看狀態(tài)指示LED是否有閃爍；二是用專用網絡監(jiān)聽工具軟件進行監(jiān)聽。在本設計中用兩個LED指示燈表示接收和發(fā)送狀態(tài)，當有網絡連接且收發(fā)數據包時，LED閃爍。此外，網卡芯片單獨不能工作，還必須有一個網絡變壓器在RJ45接口和網卡芯片中間進行電平轉換，該設計中所用的電平轉換器是20F001N.另外要特別注意，由于RTL8019AS的復位引腳是高電平有效，而AT91RM9200的NRST引腳是低電平有效，所以不能直接將兩個引腳進行連接。該設計所用的解決方法是：在兩引腳間加上一個共發(fā)射極的三極管，利用它的反相作用，來達到兩個復位引腳間的電平匹配。同時，為了提高數據的傳輸速率，需要將網卡芯片設計成16位的數據通道，這就要求將RTL8019AS的IOCSl6B引腳用電阻上拉來達到設計目的。RTL8019AS與AT91RM9200進行連接還需要以下引腳：NOE,NEW,NCS2,D[O:15],一條中斷線IRQ0以及地址線A[O:4]（設計RTL8019AS的I/O基地址為300H,所以只需要SA[O:4]接A[O:4],而A[5:19]只需要接地即可）。至此，硬件電路已經設計完畢，整個電路的結構框圖如圖1所示。

4 軟件設計

4.1 以太網口初始化

初始化第一步是復位以太網口。以太網口復位分為硬件復位和軟件復位。硬件復位通過給RTL8019AS的RESET引腳發(fā)送一個復位脈沖；軟件復位通過寫端口達到復位，也就是給18~1F之間的任意一個寄存器寫入任意一個數，就使得以太網口復位。第二步是設置一些寄存器的初始值，寄存器保存本機的物理地址，只有和寄存器保存的物理地址相同的以太網幀才被接收（RCR寄存器中PRO=O）。

以太網口第一次復位必須是硬件復位，硬件復位以后要經過大約10 ms的等待才能對以太網口操作，特別是發(fā)送和接收操作。

4.2 以太網口存儲及初始化

RTL8019AS內部RAM地址范圍從0x0000~0x7FFFF,其中0x4000~Ox7FFF用作接收和發(fā)送緩沖區(qū)。緩沖區(qū)是按頁管理的，256 b為一頁，這樣接收發(fā)送緩沖頁面是0x40~0x7F.發(fā)送緩沖區(qū)的起始頁在TPSR寄存器中設置，接收緩沖區(qū)的起始頁在PSTART寄存器中設置，PSTART實際上也表明了發(fā)送緩沖區(qū)的結束頁。接收緩沖區(qū)的結束頁是PSTOP.所以發(fā)送緩沖區(qū)的頁從TPSR到PSTART-1,接收緩沖區(qū)的頁從PSTART到PSTOP-1.一般設置如下：

使發(fā)送緩沖區(qū)可以容納下兩個最大以太網幀（最大為1 514 B），第一個幀放在SEND_START_PAGEO起始頁，第二個幀放在SEND_START_PAGE1起始頁，剩下的緩沖區(qū)都作為接收緩沖區(qū)。

RTL8019AS內部RAM是雙口 RAM,因為它要支持兩個獨立的操作：一個是用戶CPU讀取RAM中的內容，對這個操作RTL8019AS提供一個讀寫口，也就是寄存器中的Remote DMA Port;另一個是RTL8019AS內部控制電路把從網絡接收的數據寫入RAM中，這時RAM稱為Local DMA.RTL8019AS通過Local DMA寫入RAM是不需要用戶干涉的，它通過Remote DMA Port讀寫RAM.

讀RAM見RTLReadRam函數，代碼如下：

這個函數表示從address開始讀取size個字節(jié)的內容到buff指向的內存中。設置CR寄存器指令為：writereg（cr,（0x00 | er_remote_read | cr_start_com-mand））；然后從Remote DMA Port讀取size次，就得到所需的數據。

寫RAM函數，操作基本上和讀RAM函數差不多，只要將最后一步的讀size次改成寫size次就可以。

4.3 發(fā)送數據包

發(fā)送數據包的基本步驟如下：

（1）首先將發(fā)送的起始頁，一般是發(fā)送緩沖區(qū)內的頁（Ox40~Ox4b），寫入StartPage變量中。將要發(fā)送的數據寫入地址為StartPage《8開始的緩沖區(qū)中，然后等待上一次發(fā)送結束。對于過大或者過小的數據包，不發(fā)送；對于過小的幀，在發(fā)送時要填充。

TPSR為發(fā)送起始寄存器，將StartPage寫入TPSR寄存器，高字節(jié)寫入TBCRH（TBCRl），低字節(jié)寫入TBCRL（TBCRO）。當寫發(fā)送命令時，RTL8019AS將從TPSR《8地址開始發(fā)送size個字節(jié)的數據。

（2）發(fā)送數據幀：發(fā)送緩沖區(qū)可以存儲2個最大的以太網幀，一個起始頁為SEND_START_PAGEO,另一個起始頁SEND_START_PAGEl,兩個交替使用。發(fā)送數據幀時，CR寄存器設置為：writereg（cr,（（prepageOxCO）|cr_abort_compile_dma|cr_txp |cr_start_command]））；發(fā)送數據包函數代碼如下：

4.4 接收數據包

接收數據包的步驟如下：

（1）接收緩沖操作。當RTL8019AS接收到一個數據包后，自動將接收的數據包放到CURR頁。如果一頁放不下，則CURR加1;如果CURR=接收結束頁，則CURR自動變成接收開始頁，繼續(xù)寫入接收的數據。

（2）用戶讀取接收數據包。RTL8019AS通過Local DMA把接收的數據寫入接收緩沖區(qū)，并自動改變CURR和識別緩沖區(qū)的界限，這些都不需要用戶干預。

當一個無錯的數據接收完畢，則觸發(fā)中斷處理函數。然后讀取數據包到分配的內存，可以從接收字節(jié)計數器中得知讀取數據。這里要處理一種情況：如果接收的數據包存儲不是連續(xù)的，在這種情況下要分2次才能讀取1個完整的數據包，判斷是否存儲不連續(xù)的條件是：

bnry>Head[1]Head[1]!=RECEIVE_START_PAGE

其中：bnry是這個包的起始頁；Head[1]是下一個包的起始頁。

接收數據包函數與發(fā)送數據包函數相似，只需要修改相應寄存器配置即可。然后將接收的數據寫入網絡接口層的輸入隊列，如果寫入失敗則釋放內存。寫入后上層協(xié)議將提取這個數據包。最后網卡通過中斷控制器向ARM響應中斷，中斷完畢清除中斷標志。

5 結 語

ARM微處理器正以其極好的性價比和極低的功耗，與其他體系結構的微處理器進行激烈的競爭，其應用將進一步深入到各行各業(yè)?？梢灶A測，在將來的一段時期內，ARM微處理器將成為32位微處理器市場的統(tǒng)治者。了解、學習、掌握和應用ARM微處理器技術很有必要，也非常重要。在ARM系統(tǒng)采用高性能的以太網控制器，系統(tǒng)通信和調試快速、可靠，具有很高的實時性。該設計構造一個基于以太網的嵌入式系統(tǒng)的應用，該接口模塊的主要任務是完成與外界的信息交互，以達到網絡監(jiān)控的目的。在實際應用中，它運行穩(wěn)定，能夠十分方便地實現(xiàn)網絡互連。