基于LAN91C111的嵌入式以太網接口設計

隨著CPU性能的大幅度提升， 嵌入式系統(tǒng)的設計已經進入了更廣泛的領域。隨著FPGA的不斷發(fā)展和規(guī)模的進一步強大， SOPC的應用也越來越廣泛。由于SOPC的可編程特性很受嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員的青睞， 因此， 隨著信息產業(yè)和微電子技術的發(fā)展， 可編程嵌入式系統(tǒng)設計已經成為信息產業(yè)最熱門的技術之一， FPGA正以各種電子產品的形式進入人們日常生活的各個角落。

　　以太網以其良好的通用性和帶寬性能成為新一代工業(yè)控制網絡的焦點， 目前， 關于嵌入式以太網的設計方案大部分是基于單片機的。由于單片機的速度慢， 而FPGA作為一種特殊的嵌入式微處理器系統(tǒng)， 則具有快速處理數據的能力。因此， 在嵌入式網絡設備中引入FPGA技術， 可以使嵌入式以太網的速度更快。為此， 本文介紹基于FPGA 的嵌入式系統(tǒng)與LAN91C111 型自適應10Mb/100Mb嵌入式以太網的接口電路與實現方法。

　　1 硬件設計

　　1.1 FPGA的特點

　　本系統(tǒng)的主控芯片采用ALTERA公司CycloneII系列的EP2C35F484。FPGA內部集成有鎖相環(huán)，可以把外部時鐘倍頻， 其核心頻率可以到幾百兆， 同時具有豐富的IO資源， 可以方便連接外設。FPGA的并行執(zhí)行程序方式具有處理更復雜功能的能力， 而且內部嵌有SOPC和DSP?？删幊蘏OPC是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)， 具有靈活的設計方式， 而且可裁剪、可擴充， 同時軟硬件在系統(tǒng)可編程功能。

　　1.2 嵌入式以太網控制器LAN91C111

　　以太網控制芯片所選用的SMSC 公司LAN91C111芯片是專門用于嵌入式產品的10M/100M第三代快速以太網控制器。該器件具有可編程、CRC校驗、同步或異步工作方式， 且具有低功耗CMOS設計和小尺寸等特點， 是設計嵌入式以太網網絡接口的良好選擇。LAN91C111的原理框圖如圖1所示。

圖1 LAN91C111的原理框圖

　　LAN91C111集成了CSMA/CD (帶碰撞的載波偵聽多路接入) 協(xié)議的MAC (媒體層) 和PHY (物理層)。其主要特點是支持IEEE802.3/802 U以太網標準、自適應10M/100M， 全雙工/半雙工收發(fā)方式、有8KB的片上FIFO存儲器、支持8位或16位或32位總線方式、支持先進的傳輸隊列管理、有串行EEPROM選擇性配置口、并支持突發(fā)數據傳輸、支持全雙工交換式以太網、增強式能量管理功能和低功耗的CMOS設計。

　　總線接口模塊是由數據總線、地址總線、控制總線以8位、16位、或32位形式與外部數據進行交互。LAN91C111以太網控制器遵循IEEE頒布的802.3 以太網傳輸協(xié)議， 內部集成有8KB 的RAM， 可通過內部的內存管理模塊、仲裁模塊和DMA共同管理數據包的發(fā)送與接收。其仲裁器監(jiān)視以太網總線的數據交流， 一旦發(fā)生阻塞， 仲裁器一方面通過總線接口單元與外部CPU聯(lián)系； 一方面控制內存控制單元， 實現總線的數據協(xié)調。

　　LAN91C111內部的RAM可以緩存數據， 在全雙工工作模式下， 數據傳輸速率可達到10M/100Mbps。

　　所有內部寄存器的初始值均放在EEPROM中， 自舉時可完成自動初始化。在數據傳輸過程中， 若以10Mbps速率傳輸， 則可采用Manchester編碼，并以兩層曼徹斯特代替三電平， 且沒有擾頻器和解擾頻器； 若以100Mbps速率傳輸， 則先將發(fā)送到RAM中的數據包以包號的形式存放在FIFO的發(fā)送隊列中， 然后按照規(guī)則逐個將數據包發(fā)送到PHY模塊進行4B-5B編碼， 發(fā)送數據端可將通過擾頻器整理后的4B-5B數據包變換成MLT-3后輸出。而在接收時， 則將數據包復制并發(fā)送到解擾頻器進行整理， 然后再發(fā)送到4B-5B解碼器進行解碼。

　　1.3 硬件連接

　　本設計在FPGA芯片EP2C35中嵌入了32位的NIOS II處理器。由于LAN91C111是專為嵌入式系統(tǒng)設計的， 因而其外圍電路相對比較簡單。圖2所示是其硬件連接圖， 圖中的地址線、數據線、控制線分別與FPGA相連。由于采用的是16位數據傳輸方式， 因此只用到數據總線的低16位?？刂凭€中的AEN為片選信號， INTR0為外部中斷信號， WR為讀寫信號， BE0-BE1為字節(jié)選擇端。

　　LAN91C111 中的ADS、LCLK、CYCLE、W/R、RDYRTN 信號應均加一個1kΩ 的上拉電阻。

　　TG100-S050N2是以太網的變壓濾波器。TX+ 、TX- 、RX+ 、RX- 分別與LAN91C111 的TPO+ 、TPO-、TPI+、YPI-相連。TG100-S050N2的CMT端也應接一個1kΩ的上拉電阻。RJ45 的TD+ 、TD-、RD+、RD-分別與TG100-S050N2的TD+、TD-、RD+、RD-相連。在TG100-S050N2的TCT和RCT亦應分別接一個75Ω的電阻和1nF的濾波電容。這樣即可在控制線的作用下完成FPGA與LAN91C111之間的數據通信。

圖2 系統(tǒng)硬件連接圖

　　2 軟件設計

　　ALTERA公司提供的硬件抽象層(HAL) 中封裝了系統(tǒng)中硬件的相關細節(jié)和驅動程序， 用戶可在HAL的基礎上方便地開發(fā)存儲等應用程序。

　　NIOS II IDE環(huán)境中集成有μCOS II和LWIP， 其中LWIP必須在μCOS的支持下使用。μC/OS II是一種免費公開源代碼， 結構小巧， 而且具有可剝奪實時內核的操作系統(tǒng)， 它可移植、可裁剪， 最多可管理64個任務， 其每個任務都擁有自己獨立的堆棧， 大部分源碼可使用ANSI C語言編寫， 整個軟件部分可在NIOS II IDE開發(fā)環(huán)境下完成。由于程序的內容較多， 本文著重介紹LAN91C111的初始化、發(fā)送數據、接收數據三個部分的軟件設計方法。

　　2.1 初始化

　　ALTERA提供有LWIP的NIOS II 端口， 其源代碼包含在NIOS II 開發(fā)工具包中。LWIP可為NIOS II處理器提供對以太網連接棧的快速、開源地訪問。ALTERA的LWIP端口包括套接字API封裝， 提供有標準的、文檔說明齊全的套接字API。LWIP協(xié)議棧的主要接口是標準的套接字接口。除了套接字接口以外， 還可調用lwip_stack_init ()函數和lwip_devices_init () 函數來對堆棧和驅動程序初始化。通過HAL 系統(tǒng)代碼可調用init_done_func ()、get_mac_addr () 和get_ip_addr() 函數來設置MAC地址和IP地址。為了初始化堆棧， 在調用OSStart啟動μC/OS II 調度程序之前應調用函數lwip_stack_init ( ) ， 其原型為voidlwip_stack_init ( int thread_prio， void(*init_done_func) (void*)， void *arg)。堆棧初始化后， 還必須調用函數init_done_func ()， 而該函數必須調用函數lwip_devices_init () 。利用函數lwip_devices_init () 可以對在system.h中定義的所有已安裝的以太網設備驅動程序進行注冊， 若返回一個非0值則表示注冊成功。注冊成功后，TCP/IP棧即可使用， 之后便可在程序中創(chuàng)建任務。該函數的參數是接收線程的優(yōu)先級。LWIP系統(tǒng)碼在設備初始化過程中， 可通過lwip_devices_init ( ) 函數調用函數get_mac_addr ( ) 和get_ip_addr ()。用戶通過編寫這些函數， 可在系統(tǒng)中將MAC和IP地址存放在任意位置， 從而代替在設備驅動程序中固定位置的硬編碼， 并增加系統(tǒng)的靈活性。設計時， 可以將MAC地址存放在Flash存儲器中， 也可以將MAC地址存放在片上內嵌的存儲器中。當所有的初始化都準備好后即可調用OSStart () 以啟動RTOS進行任務調度。這個過程需要設置以太網目的地址、以太網源地址、協(xié)議類型， 然后再按照所設置的協(xié)議類型來設置數據包。

　　2.2 數據的發(fā)送和接收

　　數據的接收和發(fā)送可采用中斷方式。中斷服務程序通過檢查LAN91C111的中斷狀態(tài)寄存器來判斷是發(fā)送中斷請求還是接收中斷請求。初始化完成后， 即可創(chuàng)建任務， 建立套接字， 綁定端口， 綁定完之后， 再*端口。當LAN91C111接收到數據包時， 可由EPH模塊察看此數據包的目的地址， 若為本網卡的MAC地址或廣播地址或多播地址， 則把此數據包傳送到LAN91C111的RAM中， 并向處理器發(fā)送中斷， 由處理器進行數據處理。由于采用的是TCP/IP協(xié)議， 接收數據應調用read () 函數來接收建立連接的套接字中的數據，并將其放入緩沖區(qū)。發(fā)送過程則是由FPGA將數據傳送到LAN91C111， 再由LAN91C111將接收到的數據封裝成數據包， 并檢測網絡， 當沒有數據傳輸時， 再將數據包傳輸到網絡中， 并向處理器發(fā)送中斷信號， 以表示數據傳送完畢。發(fā)送數據時通過調用write () 函數可將要發(fā)送的數據發(fā)送到指定連接的目的地址。

　　3 結束語

　　本文的整個設計使用了邏輯單元(LE) 5314個， 占用EP2C35F484芯片內部資源的16%， 這充分體現了FPGA資源的豐富性。在傳統(tǒng)設計中，通常選用單片機和低速網卡的設計方案， 這在實際應用中， 網絡速度相對較慢， 而本設計中選用高速的以太網控制芯片LAN91C111和高速的FPGA，極大地提高了系統(tǒng)的網絡數據處理能力，并可滿足網絡數據采集的需求。另外， 基于FPGA的NIOS II方案， 還可根據實際需要添加不同IP， 這也體現了SOPC的靈活性與可裁減性。