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浙江工业大学硕士学位论文 基于嵌入式系统的以太网接口设计 摘要 随着计算机通信和网络技术的发展，在嵌入式系统中集成以太网 接口，来实现与其它计算机设备之间的高速数据传输就显得越来越重 要。本文首先介绍了目前嵌入式系统和以太网技术的基本情况以及以 太网在嵌入式系统中的应用现状。然后结合1 0 m 以太网接口芯片 d m 9 0 0 8 以及1 0 1 0 0 m 以太网接口芯片a x 8 8 7 9 6 的主要特点、芯片各 引脚定义、内部寄存器使用说明，提出了这两种芯片与嵌入式处理器 的硬件接口设计以及底层接收发送程序的编程思路。接着针对嵌入式 系统所需要完成的以太网通信的基本要求，从软件设计的角度介绍了 一些必须实现的基本网络协议如a r p 、i p 、u d p 等协议的桢格式和主 要特点。 本文研究了嵌入式处理器与以上两种类型以太网的硬件接口设计 及基本网络协议的软件设计，对于实现远程数据采集及控制、嵌入式 网络音视频监控服务器等应用具有一定的参考价值。 关键词：嵌入式系统、以太网、网络协议、以太网控制器 浙江工业大学硕士学位论文 t h ed e s i g no fe t h e r n e ti n t e r f a c et o e m b e d d e ds y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dn e t w o r k , i ti s n e c e s s a r y t o i n t e g r a t et h eh i 曲s p e e dc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e t o e m b e d d e ds y s t e m ，f o re x a m p l e ，e t h e m e t i nt h i sp a p e r , t h eb a s i cc o n c e p t s o f t h ee m b e d d e ds y s t e ma n de t h e m e ti si n t r o d u c e d t h ea p p l i c a t i o no f t h e e t h e r n e tt e c h n o l o g yi nt h ef i e l do ft h ee m b e d d e ds y s t e mi sa l s op r e s e n t e d t h e ni td e t a i l e d l yd e s c r i b e st h em a i nf e a t u r e s ，p i n sd e s c r i p t i o n s ，r e g i s t e r d e s c r i p t i o n so f t h e1 0m b p se t h e m e tc o n t r o l l e rd m 9 0 0 8a n d1 0 1 0 0m b p s e t h e r n e tc o n t r o l l e ra x 8 8 7 9 6 t h ed e s i g nm e t h o d so ft h eh a r d w a r e i n t e r f a c eb e t w e e nt h e s et w oc h i p sa n dt h ee m b e d d e dp r o c e s s o r sa r e s t u d i e d , a n dt h ep r o g r a m m i n gm e t h o d so ft h eb a s er e c e i v ea n dt r a n s m i t p r o g r a m sa sw e l l t oa i ma tt h er e q u i r e m e n to fi m p l e m e n tt h ee t h e m e t c o m m u n i c a t i o ni nt h ee m b e d d e ds y s t e m ，i ti n t r o d u c e st h ef o r m a ta n dt h e m a i nf e a t u r eo ft h ef r a m eo fs o m eb a s i cn e t w o r kp r o t o c o l sf r o mt h ev i e w o fs o f t w a r ed e s i g n ，s u c ha st h ep r o t o c o l so f a r p , i pa n du d p t h i sp a p e rp r o p o s e st h ed e s i g ns c h e m eb e t w e e nt h e s et w ok i n d s e t h e m e th a r d w a r ei n t e r f a c ea n de m b e d d e dp r o c e s s o r s ，w h i c ha c c o r d sw i t h t h eb a s i cn e t w o r k p r o t o c o l s i tm a y b er e f e r e n c e df o re n g i n e e r s 浙江工业大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，e t h e r n e t , n e t w o r kp r o t o c o l ，e t h e m e t c o n t r o l l e r 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包 含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大 学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：军i 参文 日期：。) 年，2 月。乒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“寸) 作者签名：幸伟文 导师签名：乏氰耳 日期：o _ 7 年，z 月- 毕日 日期：吵年，z 月叫l 日 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 嵌入式系统概述 第一章绪论 从使用角度来说，计算机可分为两类：一类是独立使用的计算机系统，如个人计算机、 工作站等；一类是嵌入式计算机系统，它是作为其他系统的组成部分使用的，如大到卫星、 火箭，小到手机、p d a 等，都有嵌入式计算机系统的存在。 嵌入式系统是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、 体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统【n 。简单地说，嵌入式系统集系统的应用 软件与硬件于一体，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点。嵌入式系统主要 由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是可独立工 作的“器件 2 1 。 嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备，如掌上p d a 、移动计算设备、电视 机顶盒、手机、数字电视、多媒体、汽车、微波炉、数字相机、家庭自动化系统、电梯、 空调、安全系统、自动售货机、工业自动化仪表与医疗仪器等。 嵌入式系统的发展可以分为硬件和软件技术的发展。从硬件上来说，主要是嵌入式处 理器芯片的发展，从7 0 年代末、8 0 年代初的4 位、8 位微控制器发展到现在的3 2 位、甚 至6 4 位的微控制器。不但在速度上提高了很多倍，而且在芯片内部集成的功能部件比以 往也大大地增加了。 据不完全统计，目前全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1 0 0 0 种，流行的体系 结构有3 0 多个系列。其中8 0 5 1 体系占多半，生产这种单片机的半导体厂家有2 0 多个， 共3 5 0 多种衍生产品，仅p h i l i p s 公司就有近1 0 0 种。现在几乎每个半导体制造商都生产 嵌入式处理器，越来越多的公司有自己的处理器设计部门。 嵌入式处理器可以分为以下四类： ( 1 ) 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t , e m p u ) 嵌入式微处理器采用“增强型”通用微处理器，在功能方面与标准的微处理器基本上是 一样的。根据实际嵌入式应用要求，将嵌入式微处理器装配在专门设计的主板上，只保留 和嵌入式应用有关的功能，这样可以大幅度减小系统的体积和功耗，但在其电路板上必须 包括r o m 、r a m 、总线接口、各种外设等器件。这类微处理器适合于要求处理速度较快、 浙江工业大学硕士学位论文 相对较大的嵌入式应用系统使用。嵌入式处理器目前主要有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c - 4 0 0 、 p o w e rp c 、6 8 0 0 0 、m i p s 、a r m 系列等。特别是删系列处理器，在近几年的发展非 常迅速，目前已经占据了嵌入式微处理器的相当大的市场份额，弗且有逐步蚕食8 位及 1 6 位嵌入式微控制器市场的趋势。 ( 2 ) 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t , m c u ) 嵌入式微控制器又称单片机，它将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制 器一般以某种微处理器内核为核心，根据某些典型的应用，在芯片内部集成了r o m 、 r a m 、总线、总线逻辑、定时计数器、看门狗、i o 、串行口、脉宽调制输出、a d 、d a 、 f l a s hr a m 、e e p r o m 等各种必要功能部件和外设。为适应不同的应用需求，对功能的设 置和外设的配置进行必要的修改和裁减定制，使得一个系列的单片机具有多种衍生产品， 每种衍生产品的处理器内核都相同，不同的是存储器和外设的配置及功能的设置。这样可 以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，从而减少整个系统的功耗和成本。由于嵌入式 微控制器目前在产品的品种和数量上是所有种类嵌入式处理器中最多的，而且上述诸多优 点决定了微控制器是嵌入式系统应用的主流。嵌入式微控制器可分为通用和半通用两类， 比较有代表性的通用系列包括8 0 5 l 、p 5 1 x a 、m c s 2 5 l 、m c s 一9 6 1 9 6 ，2 9 6 、c 1 6 6 1 6 7 、 6 8 3 0 0 等。而比较有代表性的半通用系列，如支持u s b 接口的m c u8 x c 9 3 0 9 3 1 、c 5 4 0 、 c 5 4 1 ；支持1 2 c 、c a n 总线、l c d 等的众多专用m c u 和兼容系列。 ( 3 ) 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , e d s p ) 在数字信号处理应用中，各种数字信号处理算法相当复杂，一般结构的处理器无法实 时的完成这些运算。由于d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于实 时地进行数字信号处理。在数字滤波、f f t 、谱分析等方面，d s p 算法正大量进入嵌入式 领域，d s p 应用正从在通用单片机中以普通指令实现d s p 功能，过渡到采用嵌入式d s p 处理器。嵌入式d s p 处理器比较有代表性的产品是n 的t m s 3 2 0 系列、a d i 的a d s p 系列和m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 0 系列等。 ( 4 ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 随着e d a 的推广和v l s i 设计的普及化，以及半导体工艺的迅速发展，可以在一块 硅片上实现一个更为复杂的系统，这就产生了s o c 技术。各种通用处理器内核将作为s o c 设计公司的标准库，和其他许多嵌入式系统外设一样，成为v l s i 设计中一种标准的器件， 用标准的v h d l 、v e r l o g 等硬件语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用 系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除某些无法集成的器件 2 浙江工业大学硕士学位论文 以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很 简单，对于减小整个应用系统体积和功耗、提高可靠性非常有利。 以上介绍了嵌入式系统的硬件核心嵌入式处理器的分类，可以看出硬件的发展的是很 快的，同样与之相对应的软件也在不断地发展。从软件上来说，随着嵌入式系统应用范围 的不断扩大，采用高级语言编程和嵌入式实时操作系统r t o s ( r e a lt i m eo p e r a t i n g s y s t e m ) 已是嵌入式系统设计的必然趋势。因为汇编语言和具体的微处理器的硬件结构密 切相关，移植性较差，既不宜在复杂系统中使用，又不便于实现软件重用；而高级语言具 有良好的通用性和丰富的软件支持，便于推广，易于维护。高级语言编程具有通用性强、 容易编程、可读性强、可移植性好、可维护性好、直接支持中断管理、支持软件重用等优 点，目前基本上每一种微控制器都有相应的高级语言编译器( 特别是c 语言) ，并且在代 码生成效率上跟汇编语言相比较已经相当接近了。另外，有些嵌入式系统比较复杂，可以 采用嵌入式操作系统实现如多任务调度、文件管理、网络协议、图形界面等功能，而不需 要自己花费很多的精力来开发这些算法。 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，通常包括与硬件相关的 底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。嵌入 式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理越来越复杂的系统资源；能够 把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来；能够提供库函数、 驱动程序、工具集以及应用程序。与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高 效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点 2 0 - 2 ”。 1 2 以太网技术概述 计算机网络按照连接距离上来分类，可以划分为广域网( w a n ) 、城域网( m a n ) 和局域网( l a n ) 。局域网是处于同一建筑、同一大学或方圆几公里远地域内的专用网络， 常被用于连接公司办公室或工厂里的p c 机或工作站，以便共享资源和交换信息。从2 0 世纪7 0 年代以来，随着局域网技术的发展和逐步成熟，形成了3 种常用局域网技术：载 波监听多路访问冲突检测( c s m 刖c d ) 、令牌总线、令牌环。美国电气和电子工程师学 会( m e e ) 的8 0 2 委员会于1 9 8 4 年分别为此制定了这3 种局域网标准，即8 0 2 3 、8 0 2 4 、 和8 0 2 5 1 3 i4 1 d 其中8 0 2 3 标准就是通常所说的以太网( e t h e m e t ) 。 以太网从7 0 年代发展到现在，是目前最广泛使用的局域网技术，可以说以太网是无 浙江工业大学硕士学位论文 处不在。从它的发明到现在的近三十年时间中，计算机技术领域中发生了巨大的变化，以 太网也同样如此，它的成功之处也越来越明显。以太网技术不断创新，不断开发出新的功 能，并逐步地成为世界上最流行的网络技术 2 j 。主要的原因有： ( 1 ) 可扩展性好 从以前的l o m b p s ，到后来的l o o m b p s ，一直到最近的1 g b p s 和1 0 g b p s 的以太网系 统，其标准大致相同，不同速率、不同传输介质之间转换的网络接口很多，使得用户从一 个老的网络升级和新的高速网络之间的转换相当方便。 ( 2 ) 可靠性高 以太网使用的是一种很简单的，但又很可靠的传输机制。可以采用结构化布线的基于 双绞线的星型连接使人们能够建立基于标准的、简单的、可靠的、而又易于管理的以太网 电缆系统。 ( 3 ) 成本低廉 以太网技术的广泛应用产生了一个巨大的而又充满竞争的市场，并导致网络设备价格 的进一步下降。 ( 4 ) 有大量的网络管理工具。 已经开发出大量的以太网管理和故障排除工具使网络管理员能在中心站点管理以太 网的所有设备。 按照国际标准化组织( i s o ) 提出的开放系统互连( o s i ) 基本参考模型，把计算机 网络分为7 层，如下图所示1 5 】： 7 应用层 6表示层 5会话层 4 传输层 3网络层 2 数据链路层 1 物理层 图i - 10 5 i 参考模型 对于以太网来说，参照o s l 分层体系结构，与其它类型网络的不同点主要是物理层 4 浙江工业大学硕士学位论文 和数据链路层，下图是以太网的体系结构( 1 0 m b p s 以太网) ： 介质 图1 2 以太网体系结构分层 m a u p 从上图可以看出，对以太网来说，数据链路层又划分为逻辑链路控制子层( l l c ) 和 介质访问控制子层( m a c ) 。物理层主要包括按照以太网的标准进行编码和解的物理信号 层( p l s ) 以及根据不同传输介质而不同的收发器即介质接入单元( m a u ) 。从物理信号 层至物理介质接入层( p m a ) 的接口称为接入单元接口( a u i ) ，从物理分质接入层( 收 发器) 至传输介质的接口称为依赖于介质的接口( m d i ) ，通过该接口把信号发送出去或 接收进来。对于采用不同传输介质的以太网来说，其a u i 接口是相同的，而a u i 接口所 连接介质接入单元m a u 则是不同的。比如，采用细同轴电缆的1 0 b a s e 2 和采用双绞线 的1 0 b a s e - t 的收发器是不同的。 1 3 目前研究现状 随着网络信息技术的飞速发展，越来越多的计算机系统都有迫切的需要和其它计算机 系统进行联网，以达到共享数据，统一管理的目的。因此除了通常的通过p c 机的内部网 卡接入以太网外，许多的嵌入式系统也需要直接联入以太网，与其它联网的设备实现数据 共享的目的 6 1 。比如，以前要实现的数据采集系统的联网，需要采用下图的方式才能实现。 如图1 3 所示，p c - a 是作为数据采集器的网络服务器，首先它要通过r s - 2 3 2 接口把数据 从数据采集器中取上来，然后p c - b 和c 的客户端程序通过以太网采用t c p 口协议把数 5 浙江工业大学硕士学位论文 据从a 中取过来进行显示或保存等操作。 图1 - 3采用r s 2 3 2 接口的联网模式 如果数据采集控制器带有以太网接口，实现前面的功能就比较简单了。如图1 _ 4 所示。 图l - 4直接具有以太网接口的联网模式 由图1 4 可以看出，p c - b 和c 可以直接从数据采集器取数据，无需通过中间的网络 服务器。这样不仅提高了速度而且增强了系统的可靠性。另外，也可以很方便地把数据传 到i n t e m e t 上，以便实现远程的监控。 6 浙江工业大学硕士学位论文 从上面的例子可以看出，随着以太网的广泛应用及成本的降低，与上述数据采集器相 类似的嵌入式系统的应用会越来越广泛。以往以太网通常只在商用的应用领域使用，而目 前在工业控制领域已经有很多的应用实例。比如，浙大中控公司的集散控制系统( d c s ) 中就采用工业以太网的技术来实现工作站和控制站之间的通信。工作站一般采用基于p c 平台的工业控制机，控制站则是基于嵌入式系统的控制器，因此在该嵌入式系统中就必须 集成以太网接口并实现一系列的网络协议。 在嵌入式系统的以太网应用方面，关键是适合于和嵌入式处理器进行接口的以太网接 口芯片的选用( 即硬件方面) 及其网络通信协议的实现( 即软件方面) 这两个方面。目前， 已经有不少公司生产了适合于跟嵌入式处理器进行接口的以太网接口芯片，硬件设计人员 可以根据要求选用合适的芯片。在软件方面，可以采用嵌入式实时操作系统( r t o s ) 的 标准的t c p i p 协议栈来实现，或者根据要求，量体裁衣，采用比较简单的方式实现一小 部分必须用到的协议【7 1 。由于现在t c p i p 协议方面的资料非常丰富，这对于开发人员来 说并不难。 除此之外，另一种发展趋势是把以太网的硬件和软件集成在一起，直接把已经比较完 整地实现了软硬件接口的模块或芯片组提供给需要集成以太网接口的用户。因此在实现以 太网接口不仅在硬件可以比较简化一些，而且在软件上也只需要通过设置一些寄存器和执 行某条命令，就可以实现高层的网络协议了。 由此看来，对于普通的开发人员来说，在嵌入式系统中实现以太网接口不再是一件很 困难的事情，随着技术的发展，以前一些比较难以实现的技术现在也可以轻松地完成。 目前以太网已经完成从早期的1 0 m b s 速率向1 0 0 m b s 过渡，并且主干网的速率已经 向1 g b s 甚至1 0 g b s 高速的以太网转变。正是由于以太网不仅在商业上取得了很大的成 功，而且在技术方面的发展也是非常迅速使得以太网在计算机网络通信领域占有越来越重 要的地位。因此加强以太网在嵌入式系统的应用方面的研究大有必要。 1 4 本论文主要内容 本文着重就以下几个方面展开介绍和论述： ( 1 ) 1 0 m 以太网接1 ：3 设计，主要以1 0 m 以太网控制器d m 9 0 0 8 芯片为例详细介绍其特 点和硬件接口和底层软件编程。 c 2 ) 1 0 1 0 0 m 以太网接口设计，主要以1 0 1 0 0 m 以太网控制器a x 9 8 7 9 6 芯片为例介绍 7 浙江工业大学硕士学位论文 其主要特点和硬件接口设计。并简单地介绍其它的以太网接口设计方法。 ( 3 ) 实现嵌入式系统以太网通信的基本网络协议的介绍，主要以a r p 、i p 、u d p 等协 议为主介绍其协议桢格式和主要特点。 8 浙江工业大学硕士学位论文 2 1 概述 第二章1 0 m 以太网硬件接口设计 如前所述，以太网的出现已经有多年的历史，但以前以太网的接口芯片价格昂贵，且 一般只用在通用计算机的接口卡中。随着以太网技术的快速发展，有越来越多的公司参与 到以太网接口芯片及网卡的竞争中来，使得接口芯片的集成度越来越高，而价格却越来越 低。这就为以太网在嵌入式系统中的应用成为可能。目前传输速率1 0 m b p s 的以太网虽然 已经逐渐被1 0 1 0 0 m 自适应以太网所取代，但对于一般的嵌入式系统的应用来说，比如 数据采集系统、网络家电、v o i p 电话等应用，1 0 m 以太网的速度已经完全能满足要求。 1 0 m 以太网的标准从以前的1 0 b a s e 5 ( 采用粗的同轴电缆) 、1 0 b a s e - 2 ( 采用细缆) 发展到目前广泛使用豹1 0 b a s e - t ，即基于传输介质为非屏蔽双绞线( u r p ) 的1 0 m b p s 的 以太网。这种采用价格低廉的双绞线的星型拓朴结构被广泛采用，成为最普遍应用的以太 网标准。本文介绍的1 0 m 以太网接口设计主要也是基于1 0 b a s e t 标准。 按照前面有关网络体系结构的论述，实现以太网接口的功能主要是要实现数据链路层 和物理层的协议。其中数据链路层又分为逻辑链路控制层( l l c ) 和介质访问控制层 ( m a c ) 。l l c 层通常情况下由软件实现，而m a c 层及物理层的接口则由硬件来实现。 早期的硬件解决方案被典型地分成3 个功能集成电路，如图2 1 所示。由图可以看出一块 完整的以太网接口板主要由l a n 控制器、编解码器、收发器组成。在l a n 控制器中包 括了与c p u 的总线接口逻辑电路、存储发送和接收数据缓冲f i f o 储存器( 通常存储器 是外置的) 、以及实现m a c 层功能的逻辑电路【s 一。另外两部分集成电路实现了物理层的 功能，即对m a c 层发过来的数据流进行曼彻斯特编码和解码、进行冲突检测，然后通过 不同的传输介质所配置的不同的收发器电路把数据发送出去和接收进来。 9 浙江工业大学硕士学位论文 l n 控制器编解码嚣收发器 t x8 0 2 3 发送 m a u 系统f om a cp l s 数据输入 ( y r 质 总线( 介质( 物理接入 接口r x 存取 接收 信号)单元) f m o控制1 控制输入 图2 - 1典型节点硬件 、一 a u i ( 接入单元接口) 随着技术的进步，可以将系统接口、m a c 和p l s 部件集成到1 块芯片中，让a u i 去连接合适的m a u ，即把m a c 层和p h y 层的一部分集成在l 块芯片上。图2 - 2 是由目 前常用的1 0 m 以太网控制器芯片为核心组成的网络接口板的框图。 集成的以太网节点 隔离变压器 同轴电缆 ：机 t x8 0 2 3a u i 系统 f i f om a cp l s端口 - 总线( 介质 ( 编解 l o b a 接口 r x 存取码器) s e t 线 端口 f i f o 控制) 图2 - 2集成的1 0 b a s e - t 芯片组 双绞线 因此，由图2 2 所示的集成的以太网接口芯片构成的网络接口电路就比较简单了，特 别是对于采用1 0 b a s e - t 双绞线接口的网络，只需要配置l 块主接口芯片、隔离变压器以 及存储网络m a c 地址和芯片配置信息的串行e e p r o m 存储器就可以了。这样就比较适 合于在嵌入式系统中使用。 目前，已经有很多公司生产集成了m a c 层和物理层功能的1 0 m 以太网控制器芯片， 如r e a l t e k 公司的r t l 8 0 1 9 、u m c 公司u l 订9 0 0 8 、a m d 公司的a m 7 9 c 9 6 0 、n s c 公司 的d p 8 3 9 0 2 a 、d a v i e o m 公司的d m 9 0 0 8 等。 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 下面介绍其中比较典型的以太网控制器芯片d m 9 0 0 8 的详细特点并以此为例介绍如 何迸行嵌入式系统网络接口的设计。 2 2 以太网控制器d m 9 0 0 8 介绍 2 2 1 总体描述 d m 9 0 0 8 是台湾d a v i c o m 公司生产的基于i s a 总线的1 0 m 超级以太网控制器芯片， 它集成了符合i e e e 9 0 2 3 标准的介质访问控制子层( m a c ) 和物理层( p h y ) 的编解码 器的功能。可以提供的网络接口包括采用同轴电缆的1 0 b a s e 5 或1 0 b a s e 2 和采用双绞 线的1 0 b a s e - t 。d m 9 0 0 8 不需要任何其它外部芯片就可以直接与p c a t 的i s a 总线接口， 与p c a t i s a 总线的接口与n e 2 0 0 0 的以太网卡完全兼容，这样所有为n e 2 0 0 0 设计的软 件不需要任何修改就可以在d m 9 0 0 8 卡上运行。另外也同时支持微软的即插即用( p r e p ) 和无跳线的软件配置功能。该芯片还集成了8 k x l 6 的s r a m 和1 0 b a s e t 的收发器。由 于i s a 总线接口与普通嵌入式系统的总线差不多，因此也可以比较简单地与通用的微处 理器或单片机进行接口。 主要特点【1 0 】： 实现i e e e8 0 2 3 协议、1 0 b a s e t 、1 0 b a s e 2 和1 0 b a s e 5 的单芯片解决方案 集成i s a 总线接口、8 k x l 6s r a m 、介质访问控s u ( m a c ) 、编解码器( e n d e c ) 和 1 0 b a s b t 收发器 支持i s a 的即插即用( n 1 p ) 配置 与n o v e l ln e 2 0 0 0 软件兼容 支持即插即用( a n p ) 和非即插即用( n o n - p n p ) 的自动切换 可选8 根中断申请线 自动极性检测和纠正 可选8 、1 6 位模式 提供1 0 b a s e t 收发器和附属单元接口( a u i ) 的自动检测和自动切换 外部可编程e e i r o m 支持可以直接启动的b 0 0 t - i 的m 页模式 回路测试功能 单5 v 电源低功耗c m o s 设计 “ 浙江工业大学硕士学位论文 为1 0 b a s e t 应用内建的预矫正电阻 1 0 0 脚p q f p 封装 图2 - 3d m 9 0 0 8 内部逻辑框图 从图2 - 3 可以看出，d m 9 0 0 8 芯片主要由总线接口、m a c 层数据包处理部分、数据 缓冲r a m 、物理层编解码器、外部串行e e p r o m 接口等部分组成。 在发送数据包时，由c p u 先设置远程d m a ( 指c p u 和d m 9 0 0 $ 的内部r a m 之闻 的数据交换) 的相关寄存器值，启动远程d m a ，把数据包存入d m 9 0 0 8 的内部r a m 的 发送缓冲区。然后再由c p u 设置本地d m a ( 指d m 9 0 0 8 内部r a m 和m a c 层之间的数 据交换) 的相关寄存器值，启动本地d m a ，把数据包通过m a c 层封装成标准以太网的 数据格式，再经过物理层进行曼彻斯特编码发送出去。 接收过程则相反，在d m 9 0 0 8 收到数据包后，把数据包存入内部r a m 的接收数据缓 冲区，然后d m 9 0 0 8 向c p u 发出中断请求，c p u 响应中断后，设置远程d m a 的相关寄 浙江工业大学硕士学位论文 存器并启动远程d m a 把数据从接收缓冲区转移到c p u 中来。 2 2 2 芯片引脚描述 odm 3g 誉磊gl2 i i ili ；i ； 笤8 告0 苗8 士主矗i6 二22 女ig8 女； ”“”焉三。”：g ； 图2 _ 4 是d m 9 0 0 8 的芯片引脚图，该芯片采用q f p 封装形式，共1 0 0 脚，下面是各 个引脚的具体描述【1 0 1 。 浙江工业大学硕士学位论文 p ci s a 总线接口引脚 s a o 冬a 1 9 系统地址：这些信号连接到p ci o 插槽的地址总线，用于选择d m 9 0 0 8 的i o 端口和b o o t r o m 地址 s d o s d l 5系统数据：这些信号连接到p ci o 插槽的数据总线，用于在p c 和d m 9 0 0 8 之间传输数据 b a i 甩地址锁存使能：p ci s a 总线b a l e 信号，只用于定义远程d m a 时i o c h r d y 的时序 s y s c l k系统时钟：p ci s a 总线系统时钟 i o r i o 读：从d m 9 0 0 8 读数据，低电平有效 i o 矿 i o 写：向d m 9 0 0 8 写数据，低电平有效 s m 匝m r存储器读：从b o o tr o m 读数据，低电平有效 r s t复位：上电时复位d m 9 0 0 8 ，高电平有效 a e n 地址使能：用于使能d m 9 0 0 8 的系统地址，低电平有效 i o c i r d yi o 通道准备好：用于d m 9 0 0 8 设置低电平向p ci s a 总线插入等待信号 m e m w 存储器写：p ci s a 总线存储器写信号 m e m r 存储器读：p ci s a 总线存储器读信号 1 0 1 6 1 6 位i o ：这个信号为低电平表示d m 9 0 0 8 和p ci s a 总线之间是按字宽度进 行数据传输的 i r q 3 - 5中断请求：共8 根中断请求线。根据配置寄存器c r a 来选择其中l 根是有效 i r q 9 - 1 2 的，其它的都浮空。d m 9 0 0 8 的编解码模块产生中断请求时该有效引脚变高 i r q l 5 电平 存储器接口引脚 e e c se e p r o m 片选：d m 9 0 0 8 片选外部串行e e p r o m 存储器，高电平有效 b p c sb o o tr o m 片选：p c 读b o o tr o m 数据时的片选，低电平有效 m d m m d 7存储器数据总线：读b o o tr o m 的数据线 ( e e d i )当读写e e p r o m 时，m d 0 - 2 又作为读写e e r o m 的信号线，e e d i ：串行数 ( e e d o )据输入线，e e d o ：e e p r o m 串行数据输出线，e e c k ：e e p r o m 的时钟信 ( e e c k ) 号 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 p a 0 母a 7b o o t r o m 页地址：读取b o o tr o m 时作为它的页地址 网络接口引脚 盯( - 发送输出：差分驱动输出编码数据至收发器 t x + b n c e nb n c 输出使能：用于和同轴电缆的收发器接口的信号 x l 晶振反馈输出：只用于晶振的连接，当使用外部时钟时接地 x 2 晶振或外部时钟输入 r x 接收输入：从收发器来的差分输入线 r x + c d 碰撞输入：从收发器来的差分碰撞输入线 c d + t p t x + 双绞线驱动输出：这2 根输出线是带预纠正能力的双绞线驱动输出 t p t x t p r x + 双绞线接收输入：1 对连接双绞线的接收隔离变压器的差分输入线 t p r x l i l e d 连接和传输l e d 驱动线：如果双绞线连接有效，这根引脚输出低电平。该引 脚通过保持低电平8 0 m s 后再保持高阻态5 0 m s 来指示网络有数据传输。 a v d d模拟+ 5 v 直流供电 a g n d模拟地 v c c数字+ 5 v 直流供电 g n d数字地 d m 9 0 0 8 内部有很多寄存器，要通过d m 9 0 0 8 实现网络数据收发功能，必须对寄存器 进行设置。d m 9 0 0 8 可寻址的空间有3 2 个，分别为0 0 h - 1 f h ，其中o o h 加f h 是寄存器 区，0 0 h 作为命令寄存器，通过设置可选择3 个页面，1 0 h 1 7 h 为数据端口，1 8 h - 1 f h 为复位端口。下面是这些寄存器的说明： 浙江工业大学硕士学位论文 第0 页，p s i = 0 ，p s 0 = 0 地址读写 o o h命令寄存器( c r )命令寄存器( c r ) o l h 当前本地d m a 地址0页开始寄存器( p s t a r t ) ( c l d a 0 ) 0 2 h当前本地d m a 地址1页结束寄存器( p s t o p ) ( c l d a l ) 0 3 h边界指针( b n r y )边界指针( b n r y ) 0 4 h发送状态寄存器( t s r ) 发送页开始地址( t p s r ) 0 5 h碰撞次数寄存器( n c r )发送字节计数寄存器0 ( t b c r o ) 0 6 hf i f o发送字节计数寄存器l ( t b c r l ) 0 7 h 中断状态寄存器( i s r )中断状态寄存器( i s r ) 0 8 h 当前远程d m a 地址0远程d m a 开始地址寄存器0 ( c l d a 0 ) ( r s a r 0 ) 0 9 h当前远程d m a 地址i远程d m a 开始地址寄存器1 ( c l d a l )( r s a r l ) o a h配置寄存器a远程d m a 字节计数寄存器0 ( r s c r o ) o b h配置寄存器b远程d m a 字节计数寄存器1 ( r s c r l ) o c h接收状态寄存器( r s r )接收配置寄存器( r c r ) o d h帧错误计数器( c n t r l )发送配置寄存器( t c r ) 0 e hc r c 错误计数器( c n t r 2 )数据配置寄存器( d c r ) 0 f h 包丢失计数器( c n 研鸪)中断屏蔽寄存器( i m r ) 第1 页，p s i = 0 ，p s 0 = i i地址读写 l0 0 h命令寄存器( c r )命令寄存器( c r ) 1 6 浙江工业大学硕士学位论文 0 1 h物理地址0 ( p a r o )物理地址0 ( p a r 0 ) 0 2 h物理地址1 ( p a r l )物理地址1 ( p a r l ) 0 3 h 物理地址2 ( p a r 2 )物理地址2 ( p a r 2 ) 0 4 h物理地址3 ( p a r 3 )物理地址3 ( p a r 3 ) 0 5 h物理地址4 ( p a l w )物理地址4 ( p ：a j m ) 0 6 h物理地址5 ( p a r 5 )物理地址5 ( p a r 5 ) 0 7 h当前页寄存器( c u r r )当前页寄存器( c u r r ) 0 8 h多播地址0 ( m a r 0 )多播地址0 ( m a r 0 ) 0 9 h多播地址1 ( m a r l )多播地址1 ( m a r l ) o a h多播地址2 ( m a r 2 )多播地址2 ( m a r 2 ) o b h多播地址3 ( m a r 3 )多播地址3 ( m a r 3 ) 0 c h多播地址4 ( m a r 4 )多播地址4 ( m a r 4 ) 0 d h多播地址5 ( m a r 5 )多播地址5 ( m a r 5 ) o e h 多播地址6 ( m a r 6 )多播地址6 ( m a r 6 ) 0 f h多播地址7 ( m a r 7 ) 多播地址7 ( m a r t ) 第2 页，p s i = i ，p s 0 = 0 地址 读 写 0 0 h命令寄存器( c r )命令寄存器( c r ) 0 1 h页开始寄存器( p s t a r t )当前本地d m a 地址0 ( c l d a 0 ) 0 2 h页结束寄存器( p s t o p )当前本地d m a 地址1 ( c l d a l ) 0 3 h 远程d m a 下一个包指针远程d m a 下一个包指针 0 4 h发送状态寄存器( t s r )发送页开始地址( t p s r ) 0 5 h碰撞次数寄存器( n c r )发送字节计数寄存器0 ( t b c r o ) 0 6 hf i f o发送字节计数寄存器1 ( t b c r l ) 0 7 h中断状态寄存器( i s r )中断状态寄存器( i s r ) 1 7 浙江工业大学硕士学位论文 0 8 h当前远程d m a 地址0远程d m a 开始地址寄存器0 ( c l d a 0 )( r s a r o ) 0 9 h当前远程d m a 地址1远程d m a 开始地址寄存器1 ( c l d a l )( r s a r l ) o a h配置寄存器a远程d m a 字节计数寄存器0 ( r s c r 0 ) o b h 配置寄存器b远程d m a 字节计数寄存器1 ( r s c r l ) 0 c h接收状态寄存器( r s r )接收配置寄存器( r c r ) o d h帧错误计数器( c n t r l )发送配置寄存器( t c r ) 0 e hc r c 错误计数器( c n 也)数据配置寄存器( d c r ) o f h 包丢失计数器( c n 耶玛)中断屏蔽寄存器( v i r ) 在上面这么多的寄存器中，有些寄存器是不一定用到的，因此就不详细介绍，下面只 介绍一些关键的寄存器。 命令寄存器( c r ) 命令寄存器是用于初始化收发过程、启动或停止远程d m a 操作、选择寄存器页。 工作 中断状态寄存器( i s r ) 发生中断时i s r 寄存器的某位被置位( 对应的中断屏蔽存储器i m r 未被屏蔽) ，并产 生中断信号。 1 8 浙江工业大学硕士学位论文 中断屏蔽寄存器( m 取) i m r 寄存器的某位被清除，则不产生中断。 发送配置寄存器( t c r ) 发送配置寄存器决定d m 9 0 0 8 在发送一个数据包时的发送部分的动作。 断允许 数据配置寄存器( d c r ) 该寄存器是用于选择d m 9 0 0 8 的8 或1 6 位存储器接口，1 6 位应用的字节顺序以及确 定f i f o 缓冲区的大小。 1 9 浙江工业大学硕士学位论文 发送状态寄存器( t s r ) 该寄存器记录在发送数据包过程中的发生的事件。 接收配置寄存器( r c r ) 该寄存器决定d m 9 0 0 8 接收数据包的操作和接收什么类型的数据包。 接收状态寄存器( r s r ) 该寄存器记录接收数据包的状态，包括错误信息和接收地址类型。 浙江工业大学硕士学位论文 2 3 硬件接口设计 d m 9 0 0 8 原来是专门为p c 的i s a 总线接口而设计的，但与其它类型的单片机或微控 制器等嵌入式系统接口也比较方便，甚至更加简单。在与一般单片机接口时只需要用到其 中的一部分即可完成常用的功能。 从2 2 2 节的芯片引脚介绍可以知道，与总线接口相关的引脚有地址总线s a 0 s a l 9 、 数据总线s d 0 - s d l 5 、片选及读写控制线、中断请求等。在与i s a 总线接口时，这些引脚 都是要用到的，但在与单片机系统接口时只用到其中一部分，因此在设计时要简单许多。 下面介绍国内最常用的8 0 5