（计算机应用技术专业论文）基于arm嵌入式系统的tcpip协议栈的设计与开发.pdf

at h e s i ss u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g d e s i g na n di m p l e m e n t o fe m b e d d e d t c p i pb a s e do na r m m a j o r：c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n i q u e c a n d i d a t e ：s u ny u a n - z h i s u p e r v i s o r ：r a nq u a n w u h a ni n s t i t u t e o f t e c h n o l o g y w u h a n ，h u b e i4 30 0 7 4 ，p r c h i n a a p r i l ，2 0 0 9 _ riir ll-r1ti詹i叶klri 摘要 以太网以及t c p i p 协议己经是非常常用的网络标准。本论文研究的 是在基于r t l 8 0 1 9 a s 以太网芯片的嵌入式网络终端中实现t c p i p 协议 族。本文针对应用最广泛的以a r m 系列单片机为核心的嵌入式系统，设 计了一种合适该类系统使用的轻型t c p i p 协议栈。 开发环境采用的是a d s l 2 ，硬件平台主要是l p c 2 2 1 0 ，网络接口芯 片r t l 8 0 1 9 a s 等组成。整个协议栈的设计是围绕着t c p i p 协议为中心 进行的。协议中的物理层和数据链路层的m a c 子层是由r t 8 0 1 9 a s 网络 接口芯片来完成的。嵌入式操作系统采用非商业嵌入式操作系统u c o s i i 。实现嵌入式操作系统在l p c 2 2 1 0 芯片上的移植，是整个系统构 架中的基础部分。 主要研究内容和结论如下： ( 1 ) 对a r m 7 t d m i 核的体系结构进行深入分析，搞清楚基于 a r m 7 t d m i 核的微处理器l p c 2 2 1 0 的内核结构、存储系统、中断系统 和系统控制模块。 ( 2 ) 研究了网络芯片r t l 8 0 1 9 a s ，分析了网卡芯片的内部寄存器组 和工作原理。 ( 3 ) 分析研究实时操作系统l ac o s i i 的组成结构和内核工作原理。 对l - tc o s i i 的内核、任务处理、时间处理、任务同步与通信、c p u 管理 等等进行了移植。 ( 4 ) 重点对t c p i p 协议进行深入的研究，并根据嵌入式系统的特 点及功能，对使用的t c p i p 协议作必要的简化。从而实现了一个简化的 t c p i p 系统。 最后，给出了对系统的客观、全面的评价，并对进一步改进提出了 建议。 关键词：嵌入式，a r m ，t c p ip ，以太网 一一 武汉工程大学硕士学位论文 二二_ 二= 二二一一 n a b s t r a c t a b s t r a c t e t h e r n e ta n dt c p i pp r o t o c o li st h em o s tc o m m o n l yu s e dc r i t e r i ao ft h e n e t w o r k i nt h i sp a p e r , w es t u d yt h er e a l i z a t i o no ft c p i pp r o t o c o ls u i t ei n r t l 8 0 19 a se t h e r n e t b a s e de m b e d d e dn e t w o r kt e r m i n a t i o n c h i p i n t h i s p a p e r t h em o s tw i d e l yu s e di ns i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e ra st h ec o r ea r m f a m i l yo fe m b e d d e ds y s t e m s ，d e s i g no f s u c has y s t e ms u i t a b l el i g h tt c p i p p r o t o c o ls t a c k d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ti sa d s1 2 ，m a i n l yb yt h eh a r d w a r ep l a t f o r m l p c 2 2 1 0 ，n e t w o r ki n t e r f a c e s ，s u c ha sc h i pc o m p o n e n t sr t l 8 0 1 9 a s t h e e n t i r ep r o t o c o ls t a c ki sd e s i g n e da r o u n dt h et c p | i p p r o t o c o lf o rt h ec e n t e r a g r e e m e n to ft h ep h y s i c a ll a y e ra n dd a t al i n kl a y e ro ft h em a cs u b l a y e rb y t h en e t w o r ki n t e r f a c e c h i pr t 8 0 1 9 a sd o n e e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m u s i n gn o n c o m m e r c i a le m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m c o s i i e m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e mo nac h i pl p c 2 2 1 0t r a n s p l a n t a t i o n ，t h ee n t i r es y s t e mi st h e b a s i cp a r to ft h ef r a m e w o r k m a i nc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a n a l y s et h ea r m 7 t d m i c o r ea r c h i t e c t u r ei n - d e p t h ，s t u d y m i c r o p r o c e s s o r sb a s e d o nt h ea r m 7 t d m ic o r el p c 2 2 1 0 s t r u c t u r e s ，s t o r a g e s y s t e m s ，i n t e r r u p ts y s t e ma n dt h es y s t e mc o n t r o lm o d u l e ( 2 ) s t u d yt h en e t w o r kc h i pr t l 8 0 19 a s ，a n da n a l y s et h ei n t e r n a lc h i p r e g i s t e rc a r da n dh o w i tw o r k s ( 3 ) w ea n a l y s et h ec o m p o s i t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h er e a l t i m e o p e r a t i n gs y s t e mf l c o s - i ik e r n e l o ff l c o s i ik e r n e l ，t a s kp r o c e s s i n g ，t i m e ， t a s ks y n c h r o n i z a t i o na n dc o m m u n i c a t i o n ，c p um a n a g e m e n t ，e t c h a v eb e e n t r a n s p l a n t e d ( 4 ) w e f o c u so nt h et c p i pp r o t o c o lt oc o n d u c ti n d e p t hr e s e a r c h ， a n di na c c o r d a n c ew i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fe m b e d d e d s y s t e m sa n df u n c t i o n s ， o nt h eu s eo ft h et c p i pp r o t o c o lt os i m p l i f yt h en e c e s s a r y i no r d e rt o n l a c h i e v eas i m p l i f i e dt c p i p s y s t e m f i n a l l y , t h es y s t e mi sg i v e na l lo b j e c t i v ea n dc o m p r e h e n s i v ea p p r a i s a l ， a n dm a d er e c o m m e n d a t i o n st of u r t h e r i m p r o v e k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；a r m ；t c p i p ；e t h e r n e t i v ， j 1 ， 目录 目录 摘j 要i a b s t 】5 l a i ：? 【i i i 目录v 第1 章引言- 1 1 1 课题背景和意义一1 1 2 国内外研究现状2 1 3 课题研究内容和目标4 第2 章嵌入式以太网系统硬件构成研究7 2 1 核心处理器l p 0 2 2 10 和扩展电路7 ：2 2r t l 8 0 19 a s 1 2 2 2 1r t l 8 0 19 a s 的硬件结构1 2 2 2 2r t l 8 0 19 a s 的软件编程1 5 2 3l p 0 2 2 10 和r t l 8 0 19 a s 的连接1 9 第3 章# c o s i i 及其在l p c 2 2 1 0 上的移植2 1 3 1l jo o s - i i 2 1 3 1 1 嵌入式操作系统概述2 1 3 1 2uo o s - i i 的特点2 2 3 1 3uo o s - i i 内核的工作原理2 4 3 2l ao o s - i i 移植的条件和基本步骤2 5 3 3 移植概述2 6 3 4 移植的测试3 3 第4 章协议栈的实现3 5 4 1 嵌入式t o p lp 协议研究3 5 4 2t o p lp 在嵌入式系统中的取舍3 8 4 2 1 链路层的协议3 9 4 2 2 网络层协议3 9 4 2 3 传输层协议4 0 4 2 4 应用层协议4 0 4 3t o p ip 协议栈在嵌入式系统中的裁剪及总体设计4 1 4 3 嵌入式协议栈的实现4 3 4 3 1a r p 模块的实现4 3 4 3 2ip 模块的实现一4 7 4 3 2u d p 模块的实现5 1 v 武汉工程大学硕士学位论文 4 3 2ic m p 模块的实现5 5 4 4测试5 7 总结6 1 参考文献6 3 攻读硕士期间发表的论文6 7 致谢。6 9 第1 章引言 第1 章引言 1 1 课题背景和意义 i t 业界里有这样的一种说法，公元2 0 0 0 年通常被认为是科技史的一 个分水岭，2 0 0 0 年之前被称为是“p c 时代；而2 0 0 0 年之后则往往被 称为是“后p c 时代。在后p c 时代，数量巨大，形式多样的种种嵌入 式产品，已经迅速的开始取代p c 机，成为我们处理信息最重要的工具， d , n 手机、m p 3 、数码相机、机顶盒等微型数字化产品，大到智能家电、 网络家电、机器人，车载的电子设备、不知不觉中，嵌入式产品已经形 成了一个个充满巨大商机的大产业，而且成为整个软件业发展的支柱之 一。在数字化产品极度繁荣的“后p c 时代，而嵌入式系统则是所有各 类数字化i t 产品的核心。嵌入式系统，往往是指以实际应用为中心和目 的，将软件技术、计算机硬件技术、通信技术、微电子技术整合起来， 用一种“量身定做的方式嵌入到应用设备系统中的专用的计算机系 统。嵌入式系统一般是由嵌入式处理器、外围的硬件设备、嵌入式操作 系统和用户应用程序等4 个部分组成l l 】。 中国的手机、彩电和v c d 的产量和消费量都是世界第一，我国拥有 世界上最大的民用电子产品的消费市场，这些电子产品对嵌入式软件有 着巨大的需求，而这些需求则为嵌入式产业的发展提供了最好的土壤和 发展环境。嵌入式软件的最重要应用领域之一就是移动通信行业，整个 嵌入式软件应用规模的6 0 来自于手机。我国移动电话用户的规模已经 达到几亿户，移动电话的普及率已经很高，但是数字还远未饱和，预计 未来我国移动电话用户还会以每年2 0 以上的速度增长。嵌入式产业前 景广阔。 i n t e r n e t 现在作为社会最重要的信息基础设施，是信息交流和流通的 重要渠道。但目前大多数的嵌入式应用系统并没有和i n t e r n e t 连接，还处 于单独应用和信息孤立的阶段。在一些专用的汽车和工业应用中，为了 能够实现多个m c u 之间在信息上的交流，人们利用c a n 、r s 一4 8 5 、 r s 2 3 2 等总线技术将多个m c u 组成网，但是这种网络通信的有效半径 武汉j r 程大学硕士学位论文 并不大，而且往往与i n t e m e t 之间是孤立的。如果我们能够将这些嵌入式 系统与i n t e m e t 连接，则可以用一种方便、低廉的办法将信息传送到世界 的任何一个地方，从而能够实现资源和信息的共享，人们可以通过网络 随时随地地监控和优化生产的过程，从而更加安全、高效、可靠地进行 生产，这有可能极大的提高我们的生产效率。最近几年来i n t e m e t 技术正 在不断向嵌入式子系统和工业控制设计领域渗透，从而使得嵌入式系统 的设计迈进了一个崭新的时代。能够实现和i n t e r n e t 互联是当前嵌入式系 统发展的重要方向和热点领域。国内和国外已经有一些产品不断的出现。 实现嵌入式电子系统在基于t c p i p 协议之上的网际互联，以及对已有的 嵌入式系统进行远程的升级、系统监控维护和功能的动态升级，是硬件 设计的一个发展方向，也是目前嵌入式系统的设计者需要思考的个重 要问题【2 1 。 1 2 国内外研究现状 嵌入式的i n t e r n e t 技术是最近几年被提出来的一项新兴技术和概念， 对嵌入式t c p f l p 协议相关领域的研究是对嵌入式i n t e m e t 技术研究的一 个主要方面【3 】。而本课题所研究的主要内容就是如何在嵌入式系统中实现 t c p i p 协议栈，从而最终来实现嵌入式的i n t e m e t 技术。 为了能够专门讨论和制定嵌入式t c p i p 领域的标准以及开发相关的 技术，共同来推动这一市场，许多的国外大公司包括m i c r o c h i p ，e m w a r e ， m o t o r o l a 和p h i l i p s 在内的数十个公司联合成立了“嵌入式i n t e r n e t 联盟 ( e t i ) ”。现在e m w a r e 公司已经开发出了专门针对嵌入式设备的因特网解 决方案叫做e m i t ，即嵌入式微型网络技术；m i c r o c h i p 公司已经在i n t e r n e t 接入领域开发出了i p i c 系列的单片机；而诸如s i i 公司开发的t c p i p 协 议栈芯片、t d k 公司开发的i m o d e n 等产品则能够为嵌入式i n t e m e t 的实 现以及应用系统的开发提供了一系列可行的途径。而在工业测控领域， 于1 9 9 9 年成立的“工业以太网协会 ( i b q 则正在积极的专门致力于工业 以太网现场总线的研究与开发。惠普公司应用i e e e l 4 5 1 2 标准生产出来 的嵌入式以太网控制器能够支持t c 聊p 协议，具备1 0 b a s e t 接口，应 第1 章引言 用于驱动器、传感器等现场设备。此外，美国的o p t o 公司通过实现嵌 入式i n t e m e t 技术，成功的研制了以太网i o 系统“s n a pi o 系统，成 功的应用于楼宇智能化监控、工业过程控制等多项工程中1 4 1 。 嵌入式系统是专用的计算机，其目的就是要把系统变得更加的简单、 方便、普遍、适用。国内目前在嵌入式i n t e r n e t 技术方面的研究才刚刚开 始，大多数的研究还停留在理论阶段。中国计算机学会( c h i n ac o m p u t e r f e d e r a t i o n ) 在1 9 9 9 年举行办了“嵌入式系统及产业化在中国的发展前景” 研讨会，专家们探讨了嵌入式系统在未来的i t 设施中的地位，在当今计 算机产业中的地位，尤其关注了嵌入式i n t e r n e t 枝术问题，认为嵌入式设 备将是下一代网络设备中的主导力量。 嵌入式设备实现网络互联的前提是实现嵌入式t c p i p 协议栈。对于 这个课题，很多机构都对这个问题进行了研究。目前国外已经出现了诸 多的嵌入式t c p i p 协议栈，但是使用比较广泛的主要有如下几个： ( 1 ) 风河公司( w i n dr i v e r ) 的t c p i p 协议栈。风河公司以其v x w o r k s 嵌入式操作系统从而为人们所熟悉，是著名的嵌入系统的开发商。毋 v x w o r k s 嵌入式操作系统自身包含t c p i p 协议栈，主要用于工业、军事、 通讯等高端领域。其协议栈的基础是伯克利的4 4 版本的t c p i p 协议栈， 并根据嵌入式环境做了特殊的优化。在基站等无线通讯领域，交换机、 路由器等数据通信领域的应用比较广泛【5 j 。 ( 2 ) l i n u x 操作系统自身包含t c p i p 协议栈，支持完全的t c p i p 协 议，但是要占用大约大约3 0 k 字节的r a m 和1 0 0k b 的r o m 。这个开 销对于大部分嵌入式系统是无法承受的，所以它只能用在高档的服务器 上。 ( 3 ) l w l p 由瑞典计算机科学研究所开发的一种源码开放的t c p i p 协 议栈。l w l p 是t a p 协议栈的一个实现。l w l p 协议栈主要关注的是怎 么样减少内存的使用河代码的大小，这样就可以让1 w i p 适用于资源有限 的小型平台例如嵌入式系统。为了简化处理过程和内存要求，l w l p 对 a p i 进行了裁减，可以不需要复制一些数据。l w l p 是l i g h tw e i g h t ( 轻型) i p 协议，有无操作系统的支持都可以运行。l w l p 实现的重点是在保持t c p 武汉工程大学硕士学位论文 协议主要功能的基础上减少对r a m 的占用，一般它只需要几百字节的 r a m 和4 0 k 左右的r o m 就可以运行，这使l w i p 协议栈适合在低端的 嵌入式系统中使用。 ( 4 ) u l p ( m i c r o i p ) 是由瑞典计算机科学研究所开发。u i p 最适合用于 8 1 6 位微控制器。u i p 的特点是简单易用，资源占用少。它去掉了许多 t c p i p 协议栈中不常用的功能，保留了网络通信所必要的一些协议。其 设计重点是i bi c m p 和t c p 协议的实现上，它将这三个模块合为一个整 体，将u d p 和a r p 协议作为可选的模块。 ( 5 ) t i ( 德州仪器公司) 开发的t c p i p 协议栈，n 公司为其 t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列d s p 专门设计的网络应用协议栈。该协议栈是基于 1 1 的d s pb i o s 编制的，适合于1 6 位的d s p 的应用。国内的东北大学的 c n c i 研究所开发了t h i nt c p i p 协议栈。该协议栈的最大特点是相当精 简，所占程序空间很小，大概只有2 5 k b y t e s 大小，所以适合于8 位机应 剧6 1 。 1 3 课题研究内容和目标 本文通过对大量中外文献的研究和分析，结合当前嵌入系统发展的 前沿技术，对嵌入式i n t e m e t 的软硬件进行了系统的学习和研究，主要完 成以下几个方面的研究工作： 首先研究了基于a r m t t d m i ( s ) 内核的处理器l p c 2 2 1 0 的硬件体系 结构，重点研究了网络接口部件以及r t l 8 0 1 9 a s 的软件编程。 其次研究了嵌入式操作系统uc o s i i 。主要研究嵌入式操作系统的 移植，包括拜uc o s i i 的配置和基于l p c 2 2 1 0 硬件的参数修改和u c 0 s i i 多任务编程。 最后研究了t c p i p 协议栈在基于uc o s i i 软件平台和r t l 8 0 1 9 a s 硬件的实现问题。在过程中参考了周立功单片机有限公司的z i 允i p 代码， 对协议栈做了简单的网络测试，如p i n g 命令、u d p 协议等。 本文实现了在资源受限的条件下，研究使嵌入式系统支持t c p i p 协 议的的策略及其具体实现方法，在a r m 芯片和嵌入式操作系统uc o s 翌! 皇呈! 室一 一_ 一 i i 上实现了微型t c p i p 协议栈，扩展了uc o s i i 对i n t e r n e t 网络的支持。 第2 章嵌入式以太网系统硬件构成研究 第2 章嵌入式以太网系统硬件构成研究 2 1 核心处理器l p c 2 2 10 和扩展电路 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器。设计者在选择 处理器时要考虑的主要因素有：处理性能、技术指标、功耗、软件支持 工具、是否内置调试工具、供应商是否提供评估板等。 a r m 微处理器目前包括下面几个系列，a r m 7 系列、a r m 9 系列、 i n t e r 的s t r o n g a r m 等。目前，应用比较多的是a r m 7 系列和a r m 9 系 列，a r m 9 系列适合比较高端的应用，如视频媒体、数字消费品、下一 代无线设备等；a r m 9 e 系列更是提供了增强的d s p 处理能力，非常适 合那些需要同时使用d s p 和微控制器的应用场合1 7 1 。相比之下，a r m 7 在满足系统需求的基础上具有便宜的价格，能够节约开发成本，也更适 合系统的需要。 l p c 2 2 1 0 是p h i l i p 公司基于一个支持嵌入式跟踪和实时仿真的 1 6 3 2 位a r m 7 t d m ic p u 的微控制器。对于对代码规模有严格控制的应 用可以使用1 6 位的t h u m b 模式【引，这种模式可以将代码规模降低超过 3 0 的同时而性能的损失却很小。l p c 2 2 1 0 有1 4 4 脚封装，功耗极低， 拥有多个3 2 位定时器和8 路1 0 位a d c 、p w m 输出以及多达9 个外部 中断。这些特征使它们特别适用于医疗系统、工业控制、p o s 机和访问 控制【9 1 0l p c 2 2 1 0 通过配置总线最多可提供7 6 个g p i o 。内置了宽范围 的串行通信接口使得它们非常适合于协议转换器、通信网关、嵌入式软 m o d e r n 和其它很多种类型的应用【1 0 】。 以下是l p c 2 2 1 0 的一些基本参数： 1 4 4 脚1 6 3 2 位的a r m 7 t d m i 微控制器。 拥有片内静态r a m ，大小为1 6 k 字节。 串行b o o t 装载程序可以通过u a r t 0 来实现在系统下载和编程。 o d b 部存储器接口可以把存储器配置成4 组，每组可达1 6 m b ，数据 宽度可配置为8 1 6 3 2 位。 e m b e d d e d l c e r t 接口使能断点和观察点。当前台任务使用片内 武汉工程大学硕士学位论文 r e a l m o n i t o r 软件调试时，中断服务程序可继续执行。 利用嵌入式跟踪宏单元( e t m ) 可以对执行程序进行高速实时而 无干扰的跟踪。 8 路1 0 位的a d 转换器，转换时间可以低至2 4 4 m s 。 p w m 单元( 6 路输出) 、3 2 位定时器2 个( 带4 路比较通道和4 路捕获) 、看门狗和实时时钟。 拥有多个串行接口，包括高速1 2 c 接口( 4 0 0k b i t s ) 、2 个1 6 c 5 5 0 工业标准的u a r t 和2 个s p i 接口。 中断向量控制器。可以配置优先级以及向量地址。 最多7 6 个通用i o 口( 可以承受5 v 的电压) ，1 2 个独立的外部中 断引脚( 拥有c a p 和e i n 功能) 。 通过操作片内p l l 可将c p u 操作频率达到最大6 0 m h z 。 片内晶振的频率范围：1 3 0m h z 。 2 个低功耗模式：空闲模式和掉电模式。 外部中断可以将处理器从掉电模式中唤醒。 可以通过个别禁止使能外部功能来优化功耗。 l p c 2 2 1 0 内部有个可以支持仿真的a r m 7 t d m ic p u 内核，内部 a r m 7 局部总线是与片内存储器控制器接口的，a m b a 高性能总线 ( a h b ) 是与中断控制器接口的，v l s i 外设总线( v p b ，a r ma m b a 总线的兼容超集) 是连接片内外设功能的。l p c 2 2 1 0 将a r m 7 t d m i 配 置为小端( 1 i t t l e e n d i a n ) 字节顺序。a h b 则外设分配了2 m 字节的地址 范围，它的地址被放置在4 g 字节的a r m 存储器空间的最顶端。每一个 a h b 外设都被分配了1 6 k 字节的地址空间。l p c 2 2 1 0 的外设功能( 中断 控制器除外) 都与v p b 总线相连接。将v p b 总线与a h b 总线相连的是 a h b 到v p b 的桥。v p b 外设同样也被分配了2 m 字节的地址范围，开 始的地方是从3 5 g b 的地址点。v p b 地址空间内为每个v p b 外设分配了 1 6 k 字节地址空间。管脚连接模块则控制片内外设与器件管脚的连接。用 软件可以控制该模块，以符合管脚在特定的应用中的需求与外设功能。 整体功能框图如图2 1 所示【1 1 l 。 第2 章嵌入式以太网系统硬件构成研究 图2 1l p c 2 2 1 0 功能框图 l p c 2 2 1 0 内部含有1 6 k b 的片内静态r a m ，s r a m 支持8 位、1 6 位 和3 2 位的访问，可以用作代码和数据的存储。l p c 2 2 1 0 没有片内f l a s h 但具备外部存储器控制器，外部存储器控制器可扩展b a n k 0 b a n k 3 这 4 个b a n k 的存储器组，每个存储器组空间的大小为1 6 m b 。通过这种方 式就可以连接外部f l a s h 或者其它类型的外部读写芯片。在当控制器复 位之后我们从用户的角度看到的整个地址空间的映射如图2 2 。 武汉工程大学硕士学位论文 4 0g b 3 7 5g b 3 5g b a h b 外没 v p 8 纷设 一一 缣瞅绦舛缔拜铭貉 b o o t 文 衄j ! 成r o m 彪鼢渺露童l 缳暾给， 内存潞嚣 1 6k l b ”晚移玉r a m o x f f f ff f f f 0 x f oo o o o o x e 0 0 00 0 0 0 o x 4 0 3 f f f 0 x 4 0 0 0o o o o 图2 - - 2 系统存储器映射 l p c 2 2 1 0 的外部静态存储器控制器可以最多同时支持4 个单独配置 的存储器组。每个单个的存储器组都可以支持r o m 、s r a m 、f l a s h e p r o m 、b u r s tr o m 存储器或者外部的i o 器件。每一个存储器组总线 宽度都可以为8 、1 6 或3 2 位。l p c 2 2 1 0 的管脚地址输出线是a 2 3 ：0 ， 专门用于4 个存储器组译码的是地址位a 2 5 ：2 4 。外部存储器的起始部 分就是4 个存储器组的有效区域。当在b o o t 1 ：0 的控制下，b a n k0 可 以用来作为初始引导区域【1 2 1 。 如下是外部存储器组的地址范围： 1 0 第2 章嵌入式以太网系统硬件构成研究 b a n k地址范围配置寄存器 o8 0 0 0 0 0 0 0 8 0 f f f f f fb c f g o 18 1 0 0 0 0 0 0 - 8 1 f f f f f fb c f g l 28 2 0 0 0 0 0 0 8 2 f f f f f fb c f g 2 38 3 0 0 0 0 0 0 8 3 f f f f f fb c f g 3 c s o c s 3 分别是b a n k 0 b a n k 3 的片选信号，当i o 器件或片外存储 器是通过c s o 进行片选或者是由c s 0 与地址线进行译码来片选，哪么此 i o 器件或者片选存储器就属于b a n k 0 组，地址为被分配为8 0 0 0 0 0 0 0 - - 8 0 f f f f f f 。 a ii a 0a 1 7 4 4a 1 8 a 22 a la 1 6 4 3a 1 7 a 33 a 2a 1 5 4 2a 1 6 a 44 a 30 e 4 l n o e a 55 a 4u b 4 0b l s l c s 06 琵西 3 9b l s 0 d 07 d 0d 1 5 3 8d 1 5 d l8 d ld 1 4 3 7d 1 4 d 29 d 2d 1 3 3 6d 1 3 c 4 2 & 33 d 31 0 3 5d 1 2 h ”t l l d 3d 1 2 3 4 i ：1 2 v d dg n d ii 41 3 g n dv d d 3 3 一d 51 4 阴d i l 3 2d 1 ll d 61 5 d 5d 1 0 3 ld 1 0v 3 d 71 6 d 6d 9 3 0d 9 n w e1 7 d 7d 8 2 9d 8 a 61 8 谎n c 2 8 a 71 9 a 5a 1 4 2 7a 1 5 a 82 0 a 6a 1 3 2 6a 1 4 a 92 l a 7a 1 2 2 5a 1 3 a 8a l l 2 4a 1 2 a 1 0 2 2 2 3a l l a 9a 1 0 i s 6l l 2 5 6 1 6 a l a l 2 5 a 2 2 4 瓦广嚣 a 42 2 a 52 l a 62 0 a 81 8 a 98 a 1 07 a l l6 a 1 25 a 1 3 4 蜀下1 a 1 52 a 1 6l a 1 74 8 a 1 81 7 a 1 91 6 a 2 09 c s l2 6 n o e2 8 n w el l a 0 a l a 2 a 3 a 4 a 5 a 6 婚 a 8 a 9 a 1 0 a 1 l a 1 2 a 1 3 a 1 4 a 1 5 a 1 6 a 1 7 a 1 8 a 1 9 d 0 d l d 2 d 3 d 4 d 5 d 6 d 7 d 8 d 9 d 1 0 d 1 l d 1 2 d 1 3 d 1 4 d 1 5 c e v d d o ev s s 匹v s s s s t 3 9 v f l 6 0 2 9d o 3 1d l 页司 3 5d 3 3 8d 4 4 0d 5 4 4d 7 3 0d 8 3 4d 1 0 3 6d 1 1 3 9d 1 2 打_ 1 玎3 4 3d 1 4 4 5d l s v d d 33 图2 - - 3 外部存储器电路图 以太网网关需要一定的空间用于程序的运行和保存，所以需要在微 控制器l p c 2 2 1 0 的外部扩展存储空间，我们选择了4 m b i t 的s r a m 芯片 i s 6 1 l 、，2 5 6 1 6 a l 和1 6 m b i t 的f l a s h 芯片s s t 3 9 v f l 6 0 ，其接口电路如 图2 3 所示。 两片片外的存储器都是采用1 6 位的数据总线进行连接，我们将片选 信号c s 0 分配给s r a m ，将片选信号c s l 分配给f l a s h 。根据以上的 分配规则，r a m 地址范围为8 0 0 0 0 0 0 0 - - 一8 0 f f f f f f ，f l a s h 地址为 8 1 0 0 0 0 0 0 8 1 f f f f f f 。 1 1 武汉工程大学硕士学位论文 2 2r t l 8 0 1 9 a s 2 2 1r t l 8 0 19 a s 的硬件结构 r t l 8 0 1 9 a s 是由r e a l t e k 公司生产的拥有高集成度的专用以太网 接口芯片，能够很简单地实现p l u ga n dp l a y ( b p 插即用) 并且能够兼容 n e z 0 0 0 。它具有冲突检测、曼彻斯特编码和重发等功能，其内部内嵌有 一个1 6 k b 的s r a m ，能够支持p n p 自动探测，具备有全双工的通信接 口，可以通过交换机实现在双绞线上同时的发送和接收数据，可以使得 其传输带宽能够从1 0 m b i t s 增加到2 0 m b i t s ，以上这些特征使得 r t l 8 0 1 9 a s 成为一个用来进行以太网通信的理想芯片【1 3 】。 在程序运行时和以太网数据的收发过程中，程序中所用到的最主要 的寄存器是c u r r 和b n r y ，它们工作原理如下： c u r r 是以太网控制器的写接收缓冲区的指针。当控制器被正确的 复位之后，就应该将它初始化设置为p s t a r t + i 。每当以太网控制器写 完接收缓冲区的一页，就将这个地址加1 ，由r t l 8 0 1 9 a s 自动操作 c u r r = c u r r + 1 ，；当加到最后的空页时，以太网控制器r t l 8 0 1 9 a s 自 动将c u r r 置为接收缓冲区的第一页。在当c u r r = b n r y 时，表示接收 缓冲区被全部存满而数据没有被用户读取，此时的r t l 8 0 1 9 a s 将会停止 往接收缓冲区里面写入数据，此时新收到的数据将会被丢弃而并非覆盖 原来的数据。这种情况叫做接收缓冲区溢出。 b n r y 则是指向在接收缓冲区中被读取的最后一页。在当控制器被 正确复位之后，刚开始的时候还没有接收到任何的数据包，所以b n r y 此时会被设置为指向第一个接收缓冲区的页面。b n r y 是必须由用户操 作的。每当用户从以太网控制器r t l 8 0 1 9 a s 中读取一页数据时，要将 b n r y 加1 ，然后将数据再写回b n r y 寄存器( 即b n r y = b n r y + 1 ) 。 在当b n r y 被加到最后面的空页时，要将b n r y 变成第一个接收页( 即 p s t a r t = b n r y ) 。 c u r r 和b n r y 的作用主要是用来方便的控制缓冲区的存取过 程，以保证能够顺序的写入和读出数据包。在当c u r r = b n r y + 1 时， 第2 章嵌入式以太网系统硬件构成研究 r t l 8 0 1 9 a s 的接收缓冲区里被认为没有数据，此时表示并没有收到任何 的数据包。用户可以通过这个方法来判断有无数据包可以读，如果上面 的条件不成立，此时表示接收到了新的数据包。每当用户读取一页数据， 哪么b n r y 则加1 ，一直到上述条件成立时，则表示所有数据包已经被 读完，这个时候会停止读取数据包。 根据数据链路不同，r t l 8 0 1 9 a s 的内部可被分为远程d m a 通道和 本地d m a 通道【1 4 1 。本地d m a 用来完成网线与控制器之间的数据交换， 控制器本身可完成这一过程；在远程d m a 的操作之下，数据可以自动的 被移动到主处理器的内存之中，操作机制是这样的： 主处理器通过先赋值远程d m a 字节计数器r b c r 0 及r b c r l 和起 始地址寄存器r s a r 0 、r s a r l ，然后通过r t l 8 0 1 9 a s 自己的的d m ai o 地址来读写指定的地址上的数据。主处理器收在发数据时只需要对远程 d m a 操作就可以了。主处理器如果要向网上发送数据，可以先将数据通 过远程d m a 送到r t l 8 0 1 9 a s 的发送缓存区，然后再发出传送命令就可 以完成向网上发送数据这一过程。当r t l 8 0 1 9 a s 接收到数据时，依次通 过m a c 比较、c r c 校验，然后再由f i f o 存到接收缓冲区，每当收满一 帧后，则以寄存器标志或中断的方式来通知主处理器。r t l 8 0 1 9 a s2 1 2 作 原理图如图2 4 所示。 内部慈线 图2 - 4r t l 8 0 1 9 a s2 1 2 作原理图 如图2 4 中，在接收时钟的控制下，接收逻辑将串行数据转换成字节 武汉t 程大学硕士学位论文 送入f i f o 和c r c ；在发送时钟的控制下，发送逻辑可以将f i f o 送来的 字节按位移出并且送到c r c ；在接收时，c r c 逻辑要对输入的数据进行 c r c 校验并将结果与帧尾的c r c 进行比较，如果不相同哪么该帧数据将 会被拒收，在发送时，c r c 会对帧数据产生c r c 校验并将其附加在数据 尾部进行发送；地址识别逻辑将预先设置的本地物理地址与接收帧的目的 地址进行比较，如果不相同并且不满足广播地址的设置要求，哪么该帧 数据将会被拒收；f i f o 逻辑则会通过对收发的数据作1 6 个字节的缓冲来 减少对本地d m a 请求的频率。r t l 8 0 1 9 a s 内置的1 6 k b 的s r a m 被分 成发送缓冲和接收缓冲两个部分【1 4 1 。 缓冲区以页为单位，每页