基于ARM微处理器的嵌入式以太网接口设计

　　　　电子设备日趋网络化的背景下，作为目前广泛使用的以太网以及TCP/IP 协议已经成为事实上最常用的网络标准之一，它以高速、可靠、分层以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。但是，目前关于嵌入式以太网的设计方案不是很多，在这不多的方案中，大多是基于单片机或DSP 的。两者都存在要外扩很多外设的问题，并且前者速度太慢，后者成本又太高，这在一些对设备尺寸要求很小的场合是不行的。

　　本设计中，采用了基于ARM内核的微处理器S3C44BOX为基础的嵌入式系统与10MB 以太网控制芯片RTL8019AS 的接口电路和实现方法。

　　S3C44BOX芯片的介绍S3C44BOX 是基于ARM7TDMI 内核的16/32位RISC处理器。功能强大，目前已广泛应用于手持设备、因特网设备、网络、调制解调设备等领域。其主要特点如下。

　　1)拓展存储控制器(带FP/EDO/SDRAM 控制器，片选逻辑)。

　　2)8KBCache/SRAM。

　　3)LCD控制器(可直接控制DSTN/STN 的各种灰度/256 彩色LCD 屏，最大支持分辨率为1600 1 600)。

　　4)2通道UART，波特率可高达115200B/s，并内置16字节FIFO，同时兼容Irdal.0规范。

　　5)I2C和I2S接口(音频数据接口)。

　　6)71个通用I/O 端口和8 个外部中断。

　　7)5路PWM 定时器和1 路内部定时器。

　　8)8通道10位ADC(采样速率为100Kbit/s)。

　　9)2路GDMA/2路外围DMA 。

　　10)电源控制器。

　　11)看门狗。

　　12)实时时钟。

　　硬件电路组成

　　本方案硬件电路使用的芯片主要有微处理器S3C44BOX、RTL8019AS、74LV138和FB2022(网卡变压器)，其硬件框图如附图所示。处理器S3C44BOX与RTL8019AS的接口采用UTP RJ-45接口。RTL8019AS与主机有三种接口工作模式：

　　＊跳线方式，网卡的I/O和中断由跳线决定。

　　＊即插即用方式，由软件进行自动配置plug and play。

　　＊免跳线方式，网卡的I/O和中断由外界的93C46里的内容决定。[page]

　　在嵌入式应用场合，如果不使用93C46的话，可以降低成本，同时又减少连线，因此，本文采用第1 种方式即跳线方式，即通过设置RTL8019AS的65脚jp为高电平(接到Vcc或通过一个10kΩ的上拉电阻)来实现。

　　RTL8019AS是性价比高且带有即插即用功能的全双工以太网控制器，它的主要特点包括：符合EthernetⅡ与IEEE802.3标准；全双工，收发可同时达到10Mbit/s的速率；内置16KB的SRAM，用于收发缓冲，减低对主处理器的要求；支持UTP、AUI、BNC自动检测，还支持对10BaseT拓扑结构的自动极性修正；允许4个诊断LED 引脚编程输出。RTL8019AS内部有2个RAM区：1块16KB，地址为0x4000～0x7fff；1块32 B，地址为0x0000～0x001f。RAM 按页存储，每256 B为一页。

　　本方案中将RTL8019AS 的RAM 的前12 页(0x4000～0x4Bff)作为发送缓冲区，后52页(0x4c00～0x7fff)作为接收缓冲区，第0页只有32B，用来存储以太网的物理地址。

　　RTL8019AS 具有32 个输出/ 输出地址，地址偏移量为00H～1FH。其中00H～0FH 具有16 个地址为寄存器的地址，寄存器分为page0～page3，由RTL8019AS 中的命令寄存器CR中的PS1 和PS0 位来决定要访问的页。复位端口包括18H～1FH 共8 个地址，用于RTL8019AS 的复位。

　　软件设计

　　编写控制以太网接口程序的步骤。

　　(1)μC/OS Ⅱ实时操作系统的移植

　　μc/os Ⅱ是一种开放源码的实时嵌入式操作系统，是一个可移植，可裁减，可固化的占先式多任务操作系统，已被应用到多种微处理器上，其大部分源码是ANSI C 语言编写的。

　　移植工作包括以下几个内容：a.设置：OS_CPU.H 中与处理器和编译器相关的代码。b.用C 语言改写OS_CPU_C.C 中６个与操作系统相关的简单函数。c. 用汇编语言改写OS ＿CPU ＿A..ASM 中的4 个与处理器相关的函数。[page]

　　1)OS＿CPU.H 文件包括#define、typedef定义与CPU相关信息。因不同的处理器有不同的字长，所以μC/OS Ⅱ的移植包括一系列的类型定义，以确保可移植性。如INT16U 数据类型总是代表16 位无符号整数，将μC/OS Ⅱ移植到32 位处理器上，也就意味着INT16U 实际上为无符号短整型数而不是无符号整型数。

　　2)OS ＿CPU ＿C.C 文件OSTaskCreatHook()、OSTaskDelHook()、OSTaskSwhook()、OSTaskStatHook()、ＯSTaskCreakHook()，这些函数为用户定义，实际需要修改的只有OSTaskStkIinit()函数。OSTaskStkIinint()用来初始化任务堆栈，初始状态的堆栈模拟发生一次中断后的堆栈结构。由于在ARM 中堆栈是按32 位数据类型来进行操作，所以堆栈数据类型OS ＿STK 声明为32 位无符号整数。

　　3)OS ＿CPU ＿A.ASM 文件这里要实现4 个汇编函数改写：多任务启动函数中调用OSSTartHightRdy()、任务切换函数OSCtxSw()、中断任务切换OSIntCtxSw()和时钟节拍服务函数OSTickISR()。任务切换函数OSCtxSw()，由任务切换函数OS ＿TASK ＿SW()进入。如果任务执行了某个函数，其结果改变了当前任务的状态[如OSTaskSuspend()、OSTimeDly()]，或者是改变了别的任务的状态[OSTaskResum()、O S T i m e D l y R e s u m e ( ) ]都要引起新的任务调度函数[OSSched()]执行OS ＿TASK ＿SW()。OSIntCtxSw()是在ISR中被调用的，其代码与OSCtxSw () 类似。OSStartHightRdy()由OSStart ()函数调用，功能是运行优先级最高的任务。OSTickISR()是时钟节拍中断，用户应该在OSStart()运行

　　后，μC/OS Ⅱ启动运行的第一个任务中初始化节拍中断。

　　(2)初始化RTL8019AS

　　初始化部分完成RTL8019AS 在使用之前的初始化工作，设置相关工作模式的寄存器，分配和初始化接收和发送缓冲区，初始化网卡接收地址。

　　(3)传输数据包

　　发送部分只要把数据写入缓冲区， 启动执行命令，RTL8019AS 自动发送。一般在RAM 内开辟2 个以太网数据包的空间作为发送缓冲区。作为一个集成的以太网芯片，数据的发送校验，总线数据包的碰撞检测与避免是由芯片自己完成的。只需要配置发送数据的物理层地址、源地址、目的地址、数据包类型以及发送的数据就可以了。

　　(4)接收数据包

　　它是完成数据接收任务，RTL8019AS 接收到以太网数据包后自动将其存在接收缓冲区并发出中断信号，S3C44BOX在中断程序里通过D M A 就可接收到数据，即通过远端D M A把数据从RTL8019AS 的RAM 空间，读回ARM 中处理。这里主要是对一些相关的寄存器进行操作。RTL8019AS 芯片具有性价比高，连接方便等特点，是进行嵌入式以太网设计时的首选的控制芯片。本文介绍了以S3C44BOX 处理器为核心，用RTL8019AS 作为网络接口芯片的嵌入式以太网接口的具体软硬件方法。产品的性能高，价格适中，不仅可用于工业现场实现现场节点的自动上网功能，而且可以用于信息家电的以太网接口，可以实现远程控制，在网上就可以控制家中的电器，具有很好的发展前景。