（计算机应用技术专业论文）嵌入式internet技术的研究与应用.pdf

摘要 摘要 在嵌入式系统应用领域，将嵌入式系统连接到i n t e r n e t ，实现嵌入式系统与i n t e r n e t 之间的资源共享、 信息通信和状态控制等功能，这种嵌入式系统与i n t e m e t 之间的连接与应用就称为嵌入式i n t e m e t ，其发展 前景十分广阔。 本文主要对8 位微处理器a t m e g a l 2 8 加入嵌入式t c p i p 协议栈的i n t e r n e t 接入方式进行研究和实现， 最终使该系统能稳定高效地进行网络通信。本系统是基于g c o s i i 嵌入式操作系统和经过裁剪的t h i n t c p i p 协议栈实现的。本文的研究的重点是嵌入式t c p i p 协议栈的设计与实现。通过分析a r p 、i p 、i c m p 和t c p 协议的工作原理，针对嵌入式系统实际应用的需求裁剪这些协议中不必要的功能，实现应用于 a t m e g a l 2 8 上的t h i nt c p i p 协议栈。在此基6 m 上实现了简化的h r r p 协议，并最终将此系统设计为一个 嵌入式w e b 服务器，通过客户端浏览器可以直接访问该嵌入式w e b 服务器。本文的主要工作： 1 分析了以a t m e g a l 2 8 和l a n 9 1 c i l l 为核心的嵌入式系统硬件平台的架构，阐述了其中各个模块具 体的设计过程，并详细描述了l a n 9 1 c i l l 驱动程序设计方法。 2 ，分析了a c o s i i 嵌入式操作系统在a t m e g a l 2 8 处理器上的移植过程。 3 本文的核心是嵌入式t c m p 协议栈的设计与实现。通过分析a r p 、i p 、i c m p 和t c p 协议的工作原理 结合嵌入式系统的具体应用，将这些协议中的不必要的功能予以裁剪，实现应用于a t m e g a l 2 9 上的t h i n t c p i p 协议栈。 4 在此基础实现了简化的 f 兀p 协议，并设计了一个基于a t m e g a l 2 8 的嵌入式w e b 服务器系统。 关键词：网络协议；单片机；以太网芯片；嵌入式操作系统；嵌入式w e b 服务器 江南大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ef i e l do fe m b e d d e ds y s t e ma p p l i c a t i o n ，e m b e d d e ds y s t e mc a nb ec o n n e c t e dt ei n t e r n e tw h i c hr e a l i z e s t h ef u n e t i o no fs h a n n gi b o u l c c $ c o m m u n i c a t i o na n ds t a t u sc o n t r o l l e d1 1 1 ec o n n e c u o na n da p p l i c a t i o no f e m b e d d e ds y s t e mi nj n t e r n c ti sc a l l e da se m b e d d e dj n t e r n e ti tw i l lb ea s e dw i d e l ymt h ef u i m e i nt l l i s p a p e r , t h em e t h o do fa t m e g a l 2 8c o n n e c t e dt oi n t e = r n e w i t he m b e d d e dt c p i pp r e t e e n lw a s r e s e a r c h e da n dr e a l i z e d f i n a l l y , t h ee m b e d d e ds y s t e mc a r lc o m m u n i c a t ew i t ht h eo t h e rd e v i c e ss t a b l ya n d e f f e c t i v e l yi ni n t e r n e ti tw a si m p l e m e n t e db yt h i nt c p f l pp r o t o c o ib a s e do nt h ee m b e d d e ds y s t e mp c o s j i1 h e e m p h a s i so ft h i sp a p e ri st h a th o wt od e s i g na n dr e a l i z et h ee m b e d d e dt c p 1 pp r o t o c o la n a l y z i n gt h ew e r k i n g p r m c i p l eo fa r p , j p li c m pa n dt c pp r o t o c o la n dt h es p o c i f i e da p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n to fe m b e d d e ds y s t e m s o m eu n n e c e s s a r yf u n c t i o n so ft c p i pp r o t o c o lw c f ed e e t e da n df i n a l l yr e a l i z e dt h et h i nt c p f l pp r o t o c o lt h e n t h es i m p l eh t t pp r o t o c o lw a si m p l e m e n t e di nt h i ss y s t e ml nt h ee n d t h ee m h e d d e ds y s t e mw a sd e s i g n e d e m b e d d e dw e bs e t v e l , i tc a nh ea “嬲e db yt h ec l i e n tw e bb r o w s e rd i r e c t l vt h ei m p o r t a n tw o r ko f t h i sp a p e rw a s l i s t e da sb e l o w 1a f a ra n a l y z i n gt h eh a r d w a r ea r c h i t e c t u r eo f e m b e d d e ds y s t e mu s i n gt h ek e r n e lo f a t m e g a l 2 8a n d l a n 9 l c l l l t h e p r o c o s so f d e s i g n i n g t h e h a r d w a r eo f e v e r y m o d u l e s w a s p r e s e n t e dt h e nj t d w e l l e do n t h ed e s i g n m e t h o do f l a n 9 l c l l l s d r i v e r p r o g r a m ， 2t h e p r o c e s s o f e m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e m b c o s 1 i w a s t * a a s p l a n t e d t o a t m e g a l 2 8 w a sa r i a l y z e d i n t h i s p a p e r 3t e k e r n e lo f t h i sp a p e r i sd e s i g n i n g a n dr e a l i z a t i o no f e m b e d d e d t c m p p r o t o c o la n a l y z i n g t h e w o r k i n g p n n c i p l eo f a r p , i p ii c m pa n dt c p p r o t o c o la n dt h es p e c i f i e da p p l i c a t i o no f e m b e d d e ds y s t e m s o m eu n n e c e s s a r y f u n c t i o n so f t h e s ep r o t o c o l s w e r e d e l e t e d a n d t h e t h i n t c p 八p p r o t o c o l w a s l m p l e m e n t e d l n a t m e g a l 2 8 f i n a l l y 4t h es i m p l eh t t pp r o t o c o lw a sr e a l i z e do nt h eb a s eo f t h i ss y s t e ma n da ne m b e d 出dw e bs e r v e rs y s t e m b a s e do na t m e g a l 2 8w a sf i i n s h e di nt h ee n d k e y w o r d s ：t c p i p ；a t m e g a l 2 8 ；l a n 9 1 c 1 1 i ；p c o s - l i ；e m b e d d e d w e bs e r v e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：日期：砂 年易月，三日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将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、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：砗导师签名：燃 日期： 沙夕年月儿日 1l ， v 埤 第一章绪论 笛一童绪诊 1 1 选题意义 嵌入式i n t e r n e t 1 2 技术产生是i n t e r n e t 发展史上的又一个里程碑，它是依托于i n t e r n e t 技术、w e b 技 术和嵌入式技术发展起来的。在嵌入式系统应用领域，以h t e r n e t 技术为基础使嵌入式系统与i n t e r n e t 相互连接，实现嵌入式系统与i n t e m e t 之间的资源共享、信息通信和状态控制等功能。这种嵌入式系统与 i n t e m e t 之间的连接与应用就称为嵌入式i n t e r n e t 。 嵌入式i n t e r n e t 技术是一种设备接入技术和异种网络互连技术，主要解决的问题是通过w e b 和嵌入式 技术实现从不同子网、不同的物理区域对接入到i n t e x n e t 的嵌入式设备进行监控、诊断、测试、管理及维 护等功能。通过嵌入式i n t e r n e t ，嵌入式系统与i n t e r n e t 上的终端设备相互连接在一起，可以提供给用户一 个更为广泛的资源共享空问。并且通过嵌入式i n t e r n e t ，用户可以获取嵌入式系统的状态信息并对其进行控 制，实现用户与嵌入式设备的远程交互功能。 嵌入式i n t e m e t 技术的出现时间并不很长但是发展速度却非常快，新思想新概念不断涌现，新技术 新产品不断产生。随着p c 机时代的到来，2 l 世纪将是嵌入式l a t e r a e t 的时代。美国贝尔实验室的一批科 学家对此做出了预测：嵌入式i n t e r n e t 将会产生比p c 机时代多成百上千倍的瘦服务器和超级嵌入式瘦服务 器。这些瘦服务器将与我们所能想到的各种物理信息、生物信息相连接，通过i n t e r n e t 自动地、实时地、 方便地提供给需要这些信息的对象。 基于嵌入式i n t e m e t 技术的网络互联在不久的未来必将具有十分广阔的应用前景【3 l ，其应用领域包括 信息家电、电子商务、工业自动化和智能公路等。利用该技术可以把家用电器互相联网，实现真正的家庭 生活自动化、办公设备网络化：实现信息的数字化管理和控制。解决工业控制系统与i n t e r n n t 互联的问题， 实现不限区域的远程监视和控制。随着i n t e m e t 的普及，t c p f l p 协议己经成为事实上的网络互连协议标准。 采用标准的t c p i p 协议，好处十分明显，无论是价格和设备互连的便捷性方面，还是控制网络与信息网 络的集成等方面部具有巨大的优势。而且，通过t c p i p 协议对智能设备进行互连后，就可以方便地实现 通过i n t e r n e t 远程对现场智能设备进行各种监控。目前，在一般的低端的工业控制领域和家用设备中，使 用最多的是8 位微处理器，原因很明显，价格比较便宜。在整个微处理器市场中，8 位微处理器市场仍然 十分活跃，占据着绝对统治的地位。专门从事半导体行业市场研究的s e m i c o 公司研究分析：尽管2 0 0 6 年 1 6 位和3 2 位微处理器的销售量越来越大，但是8 位微处理器的发货量仍保持平稳，比前二者的总和还要 多，仍达到整个微处理器市场的6 0 。 但是，嵌入式设备和普通的桌面计算机有着显著的不同，它们的系统资源非常有限。因此为8 位微处 理器选择一种合适的接入i n t e r n e t 的方法，对充分发挥该设备的性能。降低设备的应用成本提高它的易 用性方面都具有积极的意义。如果能够在8 位微处理器上很好地实现i n t e r n e t 接入功能，就可以实现这些 设备的远程监控和管理，这必将对工业控制、智能建筑业、信息家电业等领域可持续发展发挥积极作用， 并产生巨大的经济效益。 1 2 国内外研究现状 嵌入式i n t e r n e t 技术的历史虽然不长，但发展却十分迅速，涌现出了多种实现方法 3 1 1 4 。每种方法都 针对不同的体系结构采用了不同的实现技术。美国a p t r o n i x 公司曾提出过一种嵌入式i n t e r n e t 的解决方案， 其主要借助于j a v a 和嵌入式技术生月t j a v a a p p l e t s ，然后嵌入到m c u 中从而实现对现场设备的控制。以 l o n w o r k s 而闻名的美国e c h e l o n 公司在1 9 9 6 年底宣布加入j a v a 联盟时，也曾提出一种在l o n w o r k s 网络中加入 j a v a a p p l e t s 应用的工业解决方案，希望建立一种从现场设备的i o 到公司c e o 的透明网络。 在国内，东北大学计算机网络与通信研究所( c n c i ) 一直在跟踪国际上嵌入式i n t e r n e t 技术的最新进 展，并于1 9 9 7 年提出了自己的嵌入式i n t e r n e t 体系结构一开放的网络设备互连模型( o p e nn e t w o r kd e v i c e s c o n n e c t i v i t ym o d e l ) 即o n d c 模型，该模型已获得美国专利。2 0 0 1 年该所利用嵌入式i n t e r n e t 技术研制并开 发出具有国际先进水平的w e b i t 系列产品，实现了设备行为的访问和功能的下载，不仅仅是传统意义上的数 据和信息通过i n t e r n e t 被下载，而是利用嵌入式i n t e m e t 技术实现了通过w e b 浏览器对嵌入式设备的存取和控 制。 目前嵌入式i n t e c n e t 都是采用分散式管理方式【5 1 ，它是指要使每台上网的设备都有自己的i p 地址， 可以进行单独的控制。分散式管理的实现是依赖于嵌入式硬件和嵌入式软件而发展的。关键的问题是实现 运行于嵌入式芯片中的t c p i p 协议栈和嵌入式w e b 服务器以及嵌入式网关。 嵌入式i n t e r n e t 的研究主要集中在以下几个方面：嵌入式系统的i n t e r n e t 接入技术、嵌入式w e b 服务 器和嵌入式网关。目前嵌入式i n t e r n e t 的接入方式有：处理机加t c p i p 协议方式、w e b i t 20 方式和采用专 江南大学硕士学位论文 用嵌入式网络协议。 ( 1 ) 处理机加t c m p 协议方式 处理机一般用3 2 位的a r m 或者是高档的8 位a v r 处理机。对t c p i p 协议的具体处理又有2 种方法。 一种方法是采用实时操作系统r t o s ，用软件方式直接处理t c m p 协议。譬如岫l i n l i ) ( 操作系统，它本身 带有t c p f l p 协议- 可以直接实现网络功能，但是u c l i n u x 对硬件资源要求比较高般用在a r m 处理器上。 i l c o s - i i 也是一个开源操作系统，它对硬件要求很低，但是它本身不带有t c p i p 协议，要实现网络功能 需要自己添加t c p 仃p 协议进去，一般应用于a v r 处理机，其结构如图ll 。 但是a v r 处理机有限的处理能力和存储资源的相对缺乏，使得传统的t c p ，【p 协议并不能在该处理机 上使用。嵌入式系统大多数是专用于某一个领域，也不需要实现t c p i p 协议的全部功能，可以根据实际 的需求对t c p i p 协议进行裁剪，保留应用中需要的部分功能，这样既实现相应的需求又节省系统资源。 裁剪后的t c p f l p 协议栈是t c p i p 协议族的一个子集，称之为t h i nt c p f l p 协议栈。 图ll 处理机加t c p i p 协议方式 ( 2 ) w e b i t 2 0 方式 w e b i t 20 通过t h i nt c p a p 协议栈技术，将e w s 和e r t o s 集成一体，可以为设备提供网络化和智能化 管理【6 】。w e b i t 20 的体系结构具有开放性和实时性的特点，主要解决异种网络间大量非i n t e r n e t 设备网络 管理的难题，其结构如图l2 。w e b i t 20 模型的体系结构主要分为三层，嵌入式实时多任务操作系统层、t h i n t c m p 协议栈核心层和e w s 应用层。 w 曲i t x 是为设备接入w c b d 20 服务器专门设计的r t o s ，它提供了一个基于优先级的抢占式多任务内 核、设备驱动程序和基于f l a s h 的小型文件系统。w 曲i t x 主要完成任务管理、存储管理、时钟管理和中断 管理等功能的嵌入式操作系统。应用层在以t h i nt c p i p 协议栈为基础构建而成的，通过网络利用w e b 技 术可以对接入到i n t e r n e t 上的设备进行管理和控制。 压两 l 浏览器l 1一 图1 2w e b i t 2 0 方式 ( 3 ) 采用嵌入式网络协议 利用e m w a r e 公司开发的嵌入式微h t e r n e t 网络技术( e m i t ：e m b e d d e dm i c r oi n t e r n e tn e t w o r k t e c h n o l o g y ) 。e m i t 由e m n e t 和e m g a t e w a y 两部分组成，e m n e t 协议运行在m c u 内部，是为嵌入式系统 和其他网络进行连接的网络协议。同时，e m n e t 使得集成e m m i c r o 的嵌入式系统能够和嵌入式微控制器网 关e m g a t e w a y 进行有效的通信。嵌入式微控制器网关运行在计算机、t v 机顶盒或专用的家用电器服务器 中，它是设备网络和i l i 枷之间连接的桥梁。应用系统运行m c u 内的e m n e t ，通过e m g a t e w a y 与i n t e m e t 连接，其结构如图l3 。 图1 3 嵌入式网络协议方式 1 3 嵌入式i n t e r n e t 的原理和特点 嵌入式h n e m c t 是嵌入式技术和i n t e m e t 技术相结合的产物【7 】。它既保留了嵌入式设备的小巧、智能和 可编程的特点，又借助于i n t e r n e t 这个全球最大的计算机网络来把对现场设备的控制延伸到地球上几乎任 何一个角落。 2 第一章绪论 在嵌入式i n t e r n e t 环境下，设备通常是现场总线上的多台设备或者是孤立的一台传统设备。i n t e r n e t 上 的用户只需使用标准的浏览器或专用的客户端软件就可以与这些嵌入式设备建立连接，由嵌入式设备把用 户的指令转换成设备能识别的代码或者把设备的信息打包后再发给客户端应用程序。用户在客户端可以选 择两种应用程序，如果通过在标准的浏览器运行j a v a a p p l e t s ，则能够做到客户端与操作系统平台无关。使 用专用的客户端软件，则能够根据实际情况灵活的设计应用程序，从而避免对浏览器的依赖。与普通计算 机不同嵌入式i n t e m e t 技术需对软硬件进行适当的裁减和高效率的设计，实现更高的性能【8 l 。将嵌入式系 统与i n t e r n e t 结合起来存在的主要困难是i n t e r n e t 的通信协议对于计算机存储器、运算速度等要求比较高，而 嵌入式系统中除部分3 2 位处理器以外，大量存在的是8 位和1 6 位m c u 支持t c p i p 等i n t e r n a t 协议将占用大 量系统资源，这样在8 位和1 6 位m c u 上实现i n t e r n e t 通信协议是比较困难的。传统的i n t e r n e t 是“f a ts e r v e r t h i n c l i e n t ”的技术这种技术在传输和存储大量数据时是有效的，可在控制嵌入式设备却显得力不从心。嵌入 式l a t e r n e t 技术彻底改变了i n t e m e t 的模式，为了实现有限资源的“无限”发展，须对服务器端进行必要的裁 剪，把部分功能移植到客户端，这样嵌入式i n t e r n e t 的模式变为“t h i ns e r v e r f a tc l i e n t 方式。嵌入式i n t e r n e t 技术的特点主要有： ( 1 ) 固态化存储：为了提高系统的执行速度和可靠性，软件一般都固化在存储器芯片或单片机中； ( 2 ) 资源有限性：尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提高、片上存储器容量不断增加，但在嵌 入式系统的大多数应用中，存储空间仍然十分宝贵，同时还存在实时性的要求； ( 3 ) 实时性：在多任务嵌入式系统中，对重要性不同的任务进行合理调度是保证每个任务及时执行的 关键； ( 4 ) 智能化：更多设备将具有智能，可以自动分析处理数据并返回给用户。 1 4 论文的主要工作 本文主要对8 位微处理器a t m e g a l 2 8 加嵌入式t c p p 协议栈的i n t e r n e t 接入方式进行研究和实现， 最终实现该系统高性能的网络通信功能，从而推动8 位微处理器在工业控制，智能家电和智能建筑等领域 的深入应用。本文的主要工作如下： ( 1 ) 硬件系统平台的构建。分析了以a t m e g a l 2 8 和l a n 9 1 c i i i 为核心构建嵌入式系统硬件平台的过 程，并给出了系统设计的框架图和l a n 9 1 c 1 l l 的驱动程序设计方法。 ( 2 ) t t c o s 1 1 嵌入式操作系统在a t m e g a l 2 8 处理器i - 的移植过程，分析y o s _ c p u h 、o s _ c p u c c 和 0 sc p uaa s m 这三个文件的修改方法。 ( 3 ) 本文的核心是对嵌入式t c p i p 协议栈的设计与实现。通过分析a r p 、i p 、i c m p 和t c p 协议的工作原 理，结合嵌入式系统的具体应用，将这些协议中的不必要的功能予以裁剪实现应用于a t m e g a l 2 8 中的t h i n t c m p 协议栈。 ( 4 ) 在此基础上实现简单的 r r r p 协议，并构建嵌入式w e b 服务器系统，最终实现客户端浏览器访问 嵌入式w e b 服务器的功能。 江南大学硕士学位论文 2 1 硬件选型 2 1 1h t m e g a l 2 8 的特点 第二章硬件系统的设计与实现 a t m e g a l 2 8 1 9 1 0 是a t m e l 公司生产的高档8 位单片机，具有功能强、成本低、速度快、接i z l 多等 优点在嵌入式系统中越来越受到广泛的应用。a t m e g a l 2 8 是a v r 系列中功能较强的单片机，它具有如 下主要特点： ( 1 ) 采用先进的i u s c 精简指令集结构 a t m e g a l 2 8 具有1 3 3 条功能强大的指令，大部分指令可在单时钟周期内执行，工作在1 6m h z 下具有 1 6 m i p s 的性能。片内带有3 2 8 个通用工作寄存器以及片内执行时间为两个时钟周期的硬件乘法器。 ( 2 ) 内含非易失性程序和数据存储器 a t m e g a l 2 8 具有1 2 8 k b 在线可重复编程兀a s h 、4 k 字节e e p r o m 以及4 k 字节的内部s r a m 。它在 其b o o t 区具有独立的加密位，并可通过片内引导程序实现在线系统编程，而且写操作时真正可读。 ( 3 ) 具有j t a g 接口 通过n g 接口可对f l a s h 、e e p r o m 熔丝位和加密位进行编程。 ( 4 ) 增强的硬件功能 a t m e g a l 2 $ 内含两个具有独立预分频器和比较器功能的8 位定时阱数器：两个具有预分频器、比较 功能和捕捉功能的1 6 位定时计数器：具有独立预分频器的实时时钟计数器：二通道8 位p w m 、6 通道2 1 6 位精度p w m 、8 通道l o 位a d 转换器：输出比较调节器、8 个单通道、7 个差分通道、2 个具有可编 程增益的差分通道：面向字节的两线接口、二路可编程串行u a r t 接口、主从s p i 串行接口以及带内部振 荡器的可编程看门狗定时器等。 ( 5 ) 独有特点 a t m e g a l 2 8 的独有特点包括上电复位和可编程的低电压检测：内部可校准的r c 振荡器、五种睡眠模 式( 空闲模式、a d c 噪声抑制模式、省电模式、掉 电模式、待命和扩展待命模式) ；可用软件选择时钟频率、可通过一个熔丝位选定a t m e g a l 0 3 的兼容模式 以及全局上拉禁止等。 为了得到最大程度的性能以及并行性，a v r 采用了h a r v a r d 结构，它具有独立的数据总线和程序总 线。程序存储器的指令通过一级流水线运行。c p u 在执行一条指令的同时读取下一条指令，这个方式实现 了指令的单时钟周期运行。程序存储器为可以在线编程的f l a s h 。程序存储器空间分为两个区：引导程 序区和应用程序区。这两个区都有专门的锁定位以实现读和读，写保护。 2 1 2 以太网控制器l a n 9 1 c 1 1 1 l a n 9 1 c i l l 1 1 1 1 2 | 是s m s c 公司新推出的第三代快速以太网控制器，是为嵌入式系统设计的非p c i 接口控制器，在软件上与l a n 9 0 0 0 系列芯片兼容，高灵活性和高集成度是其设计要求。l a n 9 i c l l i 芯片 上集成了c s m a c d 协议的媒体访问控制层m a c 和物理层p h y 。它具有可编程、c r c 校验、同步或异步 工作方式、低功耗c m o s 设计、小尺寸等特点，是设计嵌入式以太网网络接口的良好选择。l a n 9 l c n l 具有两种网络接口：一种是标准的磁发送，接收对，它利用芯片内部的物理层模块p h y 与1 0 1 0 0 b a s e - t 连 接：另一种接口遵循m i i ( 介质无关接口) 规范，可与外部的p h y 接口，应用于1 0 m b i t s 标准以太网或 1 0 0 m b i 以高速以太网。l a n 9 i c i l i 芯片可自适应工作于1 0 0 1 0 m b i t s 和全双工半双工模式，它的内部结 构如图2l 所示，其中包含以下功能模块： ( 1 ) c s m ，c d 模块，这是一个1 6 位宽度、收发分离的逻辑块，完成载波侦听多路访问厂冲突检测功能。 进出该模块的数据由两个与d m a 模块相连的1 6 位宽度的单向h f o 完成，其功能控制通过一组寄存器完 成。 ( 2 ) d m a 模块，d m a 模块依据c s m 山，c d 模块的状态对数据包进行访问，取发送数据和存接收数据。 该模块一边与c s m a c d 模块的收发f i f o 接口另一边与仲裁器模块接口。为提高带宽使用了2 5 m h z 的时钟频率，支持全双工操作。 ( 3 ) 仲裁器模块a r b i t e r ，在b i u 和d m a 访问内部r a m 的请求之间进行仲裁。b i u 请求代表了c p u 对数据寄存器的访问，c p u 可以以字节、字、双字的方式进行访问。 ( 4 ) 内存管理单元模块m m u ，m m u 用来分配内存和收发包队列，页面大小为2 0 4 9 b ，最大内存为8 k b 。 4 第二章硬件系统的设计与实现 数据总线 地址总线 控制总线 e e p r o m p h y 5 图2 ll a n 9 l c l l l 结构图 ( 5 ) 总线接口单元模块b i l l ，支持同步或异步的总线接口，如i s a 、e i s a 、同步的v l b u s 、直接3 2 位访问等。 ( 6 ) m a c - p h y 接口，芯片内部的m a c 层通过m i i 接1 3 可与内部的p h y 层相连，也可和外部的p h y 相连。 ( 7 ) 串行e e p r o m 接口，某些关键寄存器的缺省值可以保存在外部的串行e e p r o m 中，在重启时自 动加载。 ( 8 ) 内部物理层的p h y ，芯片内部集成了i e e e 8 0 23 物理层( p h y ) ，可配置工作于1 0 0 m b i t s ( 1 0 0 b a s e - i x ) 或1 0 m b i t s ( 1 0 b a s e i x ) 以太网。p h y 模块主要包括4 8 5 b m a n e h e s t e r 编码，解码器、扰 频去扰频器、带有波形整形和输出驱动的发送器、带有均衡和基线漂移校正的接收器、时钟和数据恢复、 自动协商、控制器接口( m i d 、串行接口( m i ) 等。 2 2 硬件架构设计 该系统的各个功能模块图如图2 2 所示： 图2 2 硬件系统平台结构图 a t m e g a l 2 8 的指令执行是基于流水线技术的，使得一条指令可以在一个时钟周期内执行完成，当外接 晶振达到1 6 m h z 时，该c p u 的执行速度理论可以达到1 6 m i p s 的性能。由于a t m e g a l 2 8 的内部s r a m 较小，所以扩展了3 2 k 的s r a m 存储器，使得系统的整体性能大幅提升。j t a g 是系统必需的接1 ：3 ，它用 于将用户编写的程序下载到a t m e g a l 2 8 中执行。该系统也提供r s 2 3 2 串1 2 1 ，在调试程序时方便用户输出 调试信息；在实际应用中可以将系统中的重要数据通过串口传输到p c 机上保存。网络控制器和显示控制 江南大学硕士学位论文 器是本系统的两个重要的组成部分，它们都是通过p c i 0 4 总线和c p u 相连接的。本系统选用s m s c 公司 的l a n 9 1 c i i i 网络芯片连接到a t m e g a l 2 8 上，通过编写相应的程序使之接入到i n t e r n e t ，实现较高的网络 通信性能。网络模块硬件连接图如图2 3 所示。 2 2 1 存储模块 图23 网络模块硬件连接图 a t m e g a l 2 8 芯片内部的s r a m 大小只有4 k b ，要想在这么小的内存下运行u c o s i i 嵌入式操作系统 和网络应用程序是比较困难的，而且对系统的网络通信性能也有很大影响，所以扩展了一个3 2 k b 的s r a m 存储器对系统性能的提升起到至关重要的作用。n e c 公司的6 2 2 5 6 是3 2 k b 的s r a m 芯片，具有速度高、 低功耗和宽电压范围等优点在嵌入式系统中有广泛的应用。由于a t m e g a l 2 8 的数据线和低地址线是复用 的- 因此要将6 2 2 5 6s r a m 芯片连接到c p u 上时需要加一个地址锁存器7 4 a h c 5 7 3 ，这样就可以解决高速 c p u 和低速存储器之间数据通信的矛盾。 2 2 2 显示模块 要想设计一款实用的嵌入式系统网络应用平台，那么为用户提供友好的操作界面是必不可少的。而本 系统的研制正是从实际的应用出发设计了液晶显示模块，增强了系统的易用性和可操作性。液晶显示屏 大致可分为字符式、点阵式，或者单色、彩色等。本系统使用s e d l 3 3 5 1 1 3 控制器和夏普公司的液晶显示 屏。 s e d l 3 3 5 控制器具有1 3 条指令，多数指令带有参数，参数值可由用户根据所控制的液晶显示模块的 特征和显示的需要来设置。s e d l 3 3 5 控制器是应用于m p u 系统与液晶模块之间的控制电路，它接收来自 m p u 系统的指令与数据，并产生相应的时序及数据控制模块的显示。a 0 为l c d 控制寄存器的选择输入， 分别选通指令输入缓冲器和数据输入缓冲器，类似于一般字符点阵l c d 模块的r s 或d i 。m p u 把指令代 码写入指令输入缓冲器内( 即a o = i ) ，指令的参数数据则随后通过数据输入缓冲器( a o = o ) 写入。如果该 指令具有多个参数，则必须按顺序依次写入各个参数，尤其在m p u 操作s e d l 3 3 5 液晶显示模块时，必须 首先写入s y s t e m s e t ( 4 0 h ) 指令，如果该指令设置出现错误，则显示必定不正常。 s e d l 3 3 5 在上电后为了初始化其内部寄存器状态，至少需要i m s 的复位脉冲。它的初始化流程图如图 2 4 所示屏幕采用单屏显示，每行显示的有效字符数为0 x 2 7 个，第一、第二显示区为图形显示方式，第 三显示区为文本显示方式。当液晶屏幕初始化点亮后就可以编写g d i 函数来画点、画线以及所需要的用户 界画。在系统中加入汉字点阵库，通过程序调用对应汉字的点阵就可以在液晶屏幕上显示汉字了。 6 第二章硬件系统的设计与实现 2 2 3 网络模块 图24s e d l 3 3 5 初始化流程图 网络接口模块是本系统硬件设计的核心部分也是最难的部分。本系统使用s m s c 公司高性能的1 0 0 m l a n 9 i c i l l 网络芯片作为网络模块的核心部件，完成系统的网络通信功能4 1 。l a n 9 1 c i l l 提供的总线 接口单元b i u 可以方便地与工业标准总线进行连接，可以同步或异步的操作，可进行灵活的3 2 位、1 6 位 和8 位的总线接口设计。在本系统中l a n 9 1 c 1 l l 使用8 位异步总线接口与a t m e g a l 2 8 相连，极大地提高 了系统的吞吐量。由于该l a n 9 1 c l l l 工作在异步传输方式下，故将与同步信号有关的引脚l c l k 、 n r d y r t n 、n c y c l e 、w n r 设置为无效。n s r d y 、n d a t a c s 、n v l b u s 是工作在3 2 位数据传输的情况 下，而本接1 3 是8 位数据传输，故不使用。n a d s 是地址锁存信号，可将它直接接地【1 5 】。数据线和地址 线的接线说明如表2 1 所示。 ( 1 ) 地址线a l a 4 连接7 4 a h c 5 7 3 的q 2 q 5 a 5 a 7 和a 1 0 - a 1 5 接低电平，a 8 和a 9 接高电平。 l a n 9 l c l l l 上的a s - a 1 5 决定了它内部的寄存器在总线上的基地址，本系统将设置i o b a s e 地址为0 x 3 0 0 。 a t m e g a l2 8 l a n 9 l c i li 说明 a l a 4 a l - a 5a d d r e s sb u s 地址线 a d 0 a d 7d 0 d 7 d o d 7 和d 8 d i s 都接 a d 0 a d 7d 8 d 1 5 到c p u 的数据线上 a 0n b e 0 奇地址有效 h a 0n b e l 偶地址有效 ( 2 ) n b e 0 接a 0 ，n b e l 接a 0 ，n b e 2 和n b e 3 接高电平，数据线d 0 d 7 ，d 8 - - d 1 5 分别接a t m e g a l 2 8 上的a d o - - a d 7 。本系统使用i s a 异步总线接口方式，而m c u 的数据总线只有8 位，故将l a n 9 1 c i l l 的 d o n d 7 和d g - d 1 5 分别接到a t m e g a l 2 8 的数据线a d 肛a d 7 上。n b e 0 - - n b e 3 是用来控制对l a n 9 l c l l l 内部寄存器访问的方式的，是字节访问、字访问还是双字访问。n b e 0 - - n b e 3 的值分别为0 ，l ，l ，l 时对 寄存器的字节0 访问，当为l ，0 ，l ，l 时是对寄存器的字节l 访问。该网络芯片只用了数据线的低1 6 位， 所以需将n b e 2 和n b e 3 接高电平。而由于数据线的低1 6 位复用了c p u 上的8 位数据线，所以需将a 0 连 接n b e 0 ，a 0 连接n b e i ，这样就可以保证对l a n 9 1 c l l l 芯片内寄存器以8 位数据方式访问，当a 0 为0 时访问字节0 ，当a 0 为l 时访问字节l 。 ( 3 ) a 1 5 低电平选通s r a m ，a 1 2 a 1 5 连接3 8 译码器，当a 1 2 - - a 1 5 分别为l ，0 ，0 ，l 时选通网 片。c p u 的r d 、，、r 信号直接连接到l a n 9 1 c l l l 的n r d 和n w r 。 ( 4 ) t p 0 + 、t p o 一、t p i + 和t p i 接隔离变压器2 0 f 0 0 1 n ，然后再接到r j 4 5 接口。 7 江南大学硕士学位论文 2 2 4 其它模块 电源模块的设计关系到这个系统工作的稳定性。一个稳定的硬件系统平台需要有一个良好的电源供电 系统。由于a t m e g a l 2 8 和l a n 9 1 c 1 1 1 分别工作在不同的核心电压下，a t m e g a l 2 8 为+ 5 v 而l a n 9 1 c 1 1 1 为+ 33 v ，所以电源模块要提供两个稳定的电源33 v 和5 v 供系统使用。 硬件系统平台设计完成后，需要用几 g 接口将程序通过仿真器下载到目标机上运行，而程序的运行 结果可以打印在显示屏上，也可以通过r s 2 3 2 串口打印在p c 机的屏幕上，这样就可以方便程序员对代码 进行调试了。因此在系统上添加j t a g 接口和串口是非常有必要的，有利于硬件的设计和软件的开发，但 由于它们的设计都非常简单，这里就不详细描述了。 2 3 以太网接口设计与实现 本系统采用l a n 9 1 c i i i 作为网络接1 ：3 ，研究其内部的工作机制是编写驱动程序的基础【1 6 】。以太网控 制芯片功能的实现主要通过读写相关的寄存器组实现，寄存器对外映射为接口地址。 2 3 1l a n 9 1 c 1 1 1 寄存器地址映射 l a n 9 l c l l l 内部的寄存器分为b a n k 0 b a n k 3 共四页，如表22 所示。页面选择通过页选择寄存器 ( b a n ks e l e c tr e g i s t e r , b s r ) 来进行。不论当前页是哪一页，改变b s r 的值就可以切换b a n k ，利用1 6 个字节地址空间映射到i o 口就能实现对整个芯片的操作。 l a n 9 i c i i i 内部有一个8 k 的s r a m 作为发送，接收缓存，由存储管理单元m m u 管理。使用m m u 方便了用户的编程，减少了c p u 的开销。8 k 的缓存固定分为4 页，编号为0 - 3 ，每页为2 k 。以太帧