基于DM9000AE的S3C2440嵌入式系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)

本文介紹了一個基于三星ARM9芯片S3C2440嵌入式系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口電路設(shè)計(jì)方案，采用了工業(yè)級以太網(wǎng)控制器DM9000AEP成功實(shí)現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換。論文在重點(diǎn)闡述了網(wǎng)絡(luò)接口電路基礎(chǔ)之上，對Windows CE系統(tǒng)控制軟件部分DM9000AEP的驅(qū)動程序和注冊表項(xiàng)進(jìn)行了具體分析。

隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式技術(shù)得到廣闊的發(fā)展，已成為現(xiàn)代工業(yè)控制、通信類和消費(fèi)類產(chǎn)品發(fā)展的方向。以太網(wǎng)在實(shí)時操作、可靠傳輸、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一等方面的卓越性能及其便于安裝、維護(hù)簡單、不受通信距離限制等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被國內(nèi)外很多監(jiān)控、控制領(lǐng)域的研究人員廣泛關(guān)注，并在實(shí)際應(yīng)用中展露出顯著的優(yōu)勢。本文提出了一種基于DM9000AE網(wǎng)絡(luò)接口芯片和32位三星ARM9處理器S3C2440嵌入式系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口的設(shè)計(jì)方案，并在Windows CE操作系統(tǒng)上開發(fā)移植了網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的接入。

2. DM9000AE工作原理
2.1 DM9000的主要特性和總體結(jié)構(gòu)

DM9000AE是DEVICOM（臺灣聯(lián)杰國際）研發(fā)的一款10/100M快速以太網(wǎng)控制芯片。DM9000AE實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)媒體介質(zhì)訪問層（MAC）和物理層（ PHY）的功能，包括MAC數(shù)據(jù)幀的組裝/拆分與收發(fā)、地址識別、CRC編碼/校驗(yàn)、MLT-3編碼器、接收噪聲抑制、輸出脈沖成形、超時重傳、鏈路完整性測試、信號極性檢測與糾正等。DM9000AE內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

DM9000AE具有以下主要性能：①48管腳的LQFP封裝，管腳少體積?。虎谥С?/16位數(shù)據(jù)總線；③適用于10Base-T和100Base-T，10/100M自適應(yīng)，適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)速度要求，④內(nèi)置16KB的SRAM，用于收發(fā)緩沖，降低對主處理器的速度要求；⑤支持IP /TCP /UDP加速，減輕了CPU負(fù)擔(dān)，提高網(wǎng)絡(luò)速度；⑥支持Back pressure半雙工流量控制，與IEEE802.3u兼容，支持IEEE802.3x全雙工流量控制；⑦20ns響應(yīng)時間，2.5V/3.3V低功耗。

圖1 DM9000AE內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)

2.2 工作原理

DM9000AE可與微處理器以8 bit或16 bit的總線方式連接，并可根據(jù)需要以單工或全雙工等模式運(yùn)行。在系統(tǒng)上電時，處理器通過總線配置DM9000AE內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)控制寄存器 （NCR）、中斷寄存器（ISR）等，完成DM9000AE的初始化。隨后DM9000A進(jìn)入數(shù)據(jù)收發(fā)等待狀態(tài)。

當(dāng)處理器要向以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，先將數(shù)據(jù)打包成UDP或IP數(shù)據(jù)包，并通過8 bit或16bit總線逐字節(jié)發(fā)送到DM9000A的數(shù)據(jù)發(fā)送緩存中，然后將數(shù)據(jù)長度等信息填充到DM9000AE相應(yīng)寄存器內(nèi)，隨后發(fā)送使能命令，DM9000AE將緩存的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)幀信息進(jìn)行MAC組幀，并發(fā)送出去。

當(dāng)DM9000AE接收到外部網(wǎng)絡(luò)送來的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)時，首先檢測數(shù)據(jù)幀的合法性，如果幀頭標(biāo)志有誤或存在CRC校驗(yàn)錯誤，則將該幀數(shù)據(jù)丟棄，否則將數(shù)據(jù)幀緩存到內(nèi)部RAM，并通過中斷標(biāo)志位通知處理器，處理器收到中斷后對DM9000AE接收RAM的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

DM9000AE自動檢測網(wǎng)絡(luò)連接情況，根據(jù)網(wǎng)速設(shè)置內(nèi)部的數(shù)據(jù)收發(fā)速率為10Mb/s或100 Mb/s。同時，DM9000AE還能根據(jù)RJ45接口連接方式改變數(shù)據(jù)收發(fā)引腳的方向，因此無論外部網(wǎng)線是采用對等還是交叉方式，系統(tǒng)均能正常通信。

3.網(wǎng)絡(luò)接口硬件電路設(shè)計(jì)

在嵌入式系統(tǒng)中增加以太網(wǎng)接口，通常由如下兩種方法實(shí)現(xiàn)。第一種方法采用帶有以太網(wǎng)接口的嵌入式處理器。這種方法要求嵌入式處理器有通用的網(wǎng)絡(luò)接口，通常這種處理器是面向網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，通過內(nèi)部總線的方法實(shí)現(xiàn)處理器和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的交換。另一種方法采用嵌入式處理器＋網(wǎng)卡芯片結(jié)構(gòu)。這種方法對嵌入式處理器沒有特殊要求，只要把以太網(wǎng)芯片連接到嵌入式處理器的總線上即可。此方法通用性強(qiáng)，不受處理器的限制，但是，處理器和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換通過外部總線交換數(shù)據(jù)[3]。

本設(shè)計(jì)采用的是S3C2440這款通用的嵌入式微處理器上擴(kuò)展以太網(wǎng)接口的方式，即第二種方式。S3C2440A處理器與DM9000AE連接的結(jié)構(gòu)如圖2所示，DM9000AE通過總線與處理器相連，中斷與處理器外部中斷相接。

圖2 S3C2440A處理器與DM9000AE連接的結(jié)構(gòu)

S3C2440A微處理器是一款由Samsung半導(dǎo)體公司為手持設(shè)備和各種多用途應(yīng)用設(shè)計(jì)，基于ARM920T內(nèi)核的16/32位RISC的低功耗、高集成度的微處理器，，采用五級流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，289腳FBGA封裝，。S3C2440在包含ARM920T核的同時，增加了豐富的外圍資源，主要包括1個LCD控制器；3個通道的UART；4個通道的DMA；4個具有PWM功能的16位定時/計(jì)數(shù)器和1個16位內(nèi)部定時器，支持外部時鐘源；8通道的10位ADC；觸摸屏、IIC總線、IIS總線、SD卡和MMC卡、攝像頭接口；130位通用I/O口和24位外部中斷源。

DM9000AE以太網(wǎng)接口電路如圖的連接如圖3所示。處理器利用片選DM_CS和地址線BADDR分別連接DM9000AE芯片的CS引腳和CMD引腳，S3C2440的數(shù)據(jù)線BDATA[15:0]與DM9000AE的數(shù)據(jù)線SD[15:0]連接，用來實(shí)現(xiàn)DM9000與S3C2440之間的數(shù)據(jù)傳輸；S3C2440的DM_IOR引腳連接DM9000AE的讀引腳IOR#,DM_IOW引腳連接DM9000AE的寫引腳IOW#；同時，DM9000AE占用S3C2440的中斷引腳EINT7，使得S3C2440能夠響應(yīng)DM9000AE的中斷。DM9000AE與網(wǎng)絡(luò)的連接由接收信號線RX+、RX-和發(fā)送信號線TX+、TX-通過隔離變壓器E-2023與以太網(wǎng)水晶接頭RJ_45相連。隔離變壓器的主要作用是將嵌入式系統(tǒng)與外部線路相隔離，防止干擾和燒壞元器件，實(shí)現(xiàn)帶電的插拔功能。

圖3 以太網(wǎng)接口電路

4.網(wǎng)絡(luò)接口模塊的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用Windows CE操作系統(tǒng)，具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持功能，Windows CE支持包括TCP / IP在內(nèi)的Internet的所有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。Windows CE的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序都遵循NDIS（Network Driver Interface Specification，網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動接口規(guī)范），NDIS提供了兩個抽象層，用來把網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序和協(xié)議棧相連。NDIS模型的示意圖圖4所示。