電子發(fā)燒友App
1.引言
隨著微電子技術和計算機技術的發(fā)展，嵌入式技術得到廣闊的發(fā)展，已成為現代工業(yè)控制、通信類和消費類產品發(fā)展的方向。以太網在實時操作、可靠傳輸、標準統(tǒng)一等方面的卓越性能及其便于安裝、維護簡單、不受通信距離限制等優(yōu)點，已經被國內外很多監(jiān)控、控制領域的研究人員廣泛關注，并在實際應用中展露出顯著的優(yōu)勢。本文提出了一種基于DM9000AE網絡接口芯片和32位三星ARM9處理器S3C2440嵌入式系統(tǒng)的以太網接口的設計方案，并在Windows CE操作系統(tǒng)上開發(fā)移植了網絡驅動程序實現網絡的接入。
2. DM9000AE工作原理
2.1 DM9000的主要特性和總體結構
DM9000AE是DEVICOM（***聯杰國際）研發(fā)的一款10/100M快速以太網控制芯片。DM9000AE實現以太網媒體介質訪問層（MAC）和物理層（ PHY）的功能，包括MAC數據幀的組裝/拆分與收發(fā)、地址識別、CRC編碼/校驗、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內部邏輯結構如圖1所示。
DM9000AE具有以下主要性能：①48管腳的LQFP封裝，管腳少體積小；②支持8/16位數據總線；③適用于10Base-T和100Base-T,10/100M自適應，適應不同的網絡速度要求，④內置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負擔，提高網絡速度；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響應時間，2.5V/3.3V低功耗。
圖1 DM9000AE內部邏輯結構
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，并可根據需要以單工或全雙工等模式運行。在系統(tǒng)上電時，處理器通過總線配置DM9000AE內部網絡控制寄存器 （NCR）、中斷寄存器（ISR）等，完成DM9000AE的初始化。隨后DM9000A進入數據收發(fā)等待狀態(tài)。
當處理器要向以太網發(fā)送數據幀時，先將數據打包成UDP或IP數據包，并通過8 bit或16bit總線逐字節(jié)發(fā)送到DM9000A的數據發(fā)送緩存中，然后將數據長度等信息填充到DM9000AE相應寄存器內，隨后發(fā)送使能命令，DM9000AE將緩存的數據和數據幀信息進行MAC組幀，并發(fā)送出去。
當DM9000AE接收到外部網絡送來的以太網數據時，首先檢測數據幀的合法性，如果幀頭標志有誤或存在CRC校驗錯誤，則將該幀數據丟棄，否則將數據幀緩存到內部RAM,并通過中斷標志位通知處理器，處理器收到中斷后對DM9000AE接收RAM的數據進行處理。
DM9000AE自動檢測網絡連接情況，根據網速設置內部的數據收發(fā)速率為10Mb/s或100 Mb/s.同時，DM9000AE還能根據RJ45接口連接方式改變數據收發(fā)引腳的方向，因此無論外部網線是采用對等還是交叉方式，系統(tǒng)均能正常通信。
3.網絡接口硬件電路設計
在嵌入式系統(tǒng)中增加以太網接口，通常由如下兩種方法實現。第一種方法采用帶有以太網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絡接口，通常這種處理器是面向網絡應用而設計的，通過內部總線的方法實現處理器和網絡數據的交換。另一種方法采用嵌入式處理器+網卡芯片結構。這種方法對嵌入式處理器沒有特殊要求，只要把以太網芯片連接到嵌入式處理器的總線上即可。此方法通用性強，不受處理器的限制，但是，處理器和網絡數據交換通過外部總線交換數據[3].
本設計采用的是S3C2440這款通用的嵌入式微處理器上擴展以太網接口的方式，即第二種方式。S3C2440A處理器與DM9000AE連接的結構如圖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連接的結構
S3C2440A微處理器是一款由Samsung半導體公司為手持設備和各種多用途應用設計，基于ARM920T內核的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構，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/計數器和1個16位內部定時器，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的數據線BDATA[15:0]與DM9000AE的數據線SD[15:0]連接，用來實現DM9000與S3C2440之間的數據傳輸；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DM9000AE的中斷。DM9000AE與網絡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，實現帶電的插拔功能。
圖3 以太網接口電路
4.網絡接口模塊的軟件設計
本系統(tǒng)采用Windows CE操作系統(tǒng)，具有強大的網絡支持功能，Windows CE支持包括TCP / IP在內的Internet的所有網絡協(xié)議。Windows CE的網絡驅動程序都遵循NDIS（Network Driver Interface Specification,網絡驅動接口規(guī)范），NDIS提供了兩個抽象層，用來把網絡驅動程序和協(xié)議棧相連。NDIS模型的示意圖圖4所示。
圖4 NDIS模型的示意圖
DM9000AE在windows CE下的驅動程序就是基于這個模型而編寫，被編譯成動態(tài)鏈接庫，以用戶態(tài)下的DLL文件形式存在。入口函數為DriverEntry（）。DM9000驅動的工作流程如圖5所示。
NdisMInitializeWrapper（）函數的作用是通知NDIS 一個小端口網卡正在被初始化，此函數在ndis.dll中提供。然后對NDIS40_MINIPORT_CHARACTERISTICS結構體變量初始化，主要是設置一些回調函數（MiniportInitialize（），MiniportReset（），MiniportInterruptHandler（），MiniportISRHandler（），MiniportQueryInformation（），MiniportSetInformation（），MiniportSend（）。接著就是通過NdisMRegisterMiniport（）函數利用NDIS40_MINIPORT_CHARACTERISTICS這個結構體向NDIS系統(tǒng)進行注冊。再接下來就是MiniportInitialize（），在其中有NIC_DRIVER_OBJECT類的初始化，以及該類的EDriverInitialize（）函數調用，在此函數中全面展開了dm9000的所有初始化操作。
對DM9000的所有初始化操作的實現在dm9000.cpp文件中，主要也是通過DeviceEntry（）這個函數來實現。在DeviceEntry（）這個函數中只做了一件事：new了一個C_DM9000類的實例并return.緊接著就是C_DM9000的實例通過DeviceSetDefaultSettings（）；DeviceSetEepromFormat（）；DeviceRetriveConfigurations（hconfig）；EDeviceValidateConfigurations（）等等對DM9000AE進行的一系列初始化操作。然后NIC_DRIVER_OBJECT指向DriverStart（），在DriverStart（）中C_DM9000只進行了一個非常簡單但最重要的操作就是它在此DeviceEnableInterrupt（）啟動了中斷，接下來就是無休止的等待、接收、發(fā)送，DM9000就此開始工作了。
圖5 DM9000驅動的工作流程
在完成了驅動程序之后，我們還需要在Platform.reg文件中對DM9000的注冊表項進行相應的設置：
[HKEY_LOCAL_MACHINE\Comm\DM9000]
“DisplayName”=“Crystal DM9000 ISA Ethernet Controller”
“Group”=“NDIS”
“ImagePath”=“DM9000.DLL”
[HKEY_LOCAL_MACHINE\Comm\DM9000\Linkage]
“Route”=multi_sz:“DM90001”
[HKEY_LOCAL_MACHINE\Comm\DM90001\Parms]
“BusNumber”=dword:0
“BusType”=dword:0
“InterruptNumber”=dword:3E
“IoBaseAddress”=dword:D3000000
“RxMode”=“PIO”
“NetworkAddress”=“00-01-33-33-33-33”
[HKEY_LOCAL_MACHINE\Comm\DM90001\Parms\TcpIp]
“EnableDHCP”=dword:0
“DefaultGateway”=“192.168.126.1”
“UseZeroBroadcast”=dword:0
“IpAddress”=“192.168.126.100”
“Subnetmask”=“255.255.255.0”
“DNS”=“192.168.126.1”
[HKEY_LOCAL_MACHINE\Comm\Tcpip\Linkage]
“Bind”=multi_sz: “ppp”, “DM90001”
將設計的模塊與本地局域網連通，并分配MAC地址和IP地址，利用PC的ping程序，得到回應，說明ARP、IP、ICMP協(xié)議正常。利用自己編寫的基于windows的應用程序，向模塊發(fā)送連接請求，模塊返回正確的應答信息，TCP協(xié)議正常。
5.結束語
本文詳細介紹了基于三星公司ARM9芯片S3C2440嵌入式系統(tǒng)的網絡接口設計方案，在實際應用中該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠十分方便地實現嵌入式系統(tǒng)的網絡互連。由于采用了高性能的工業(yè)級以太網控制器DM9000AE,系統(tǒng)通訊快速可靠，具有很高的實時性。在以太網日益普及的今天，此方案能夠給那些傳統(tǒng)不具備網絡通訊能力的嵌入式設備進行智能化改造，也適用于新型智能儀器儀表和工業(yè)自動化系統(tǒng)設備的開發(fā)，有著廣泛的應用前景。
工商網監(jiān)
評論