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基于b s 模式的嵌入式以太网控制器没计中义摘要 基于b s 模式的嵌入式以太网控制器设计 中文摘要 传统的控制系统一般采用r s 2 3 2 、r s 4 8 5 等通讯方式，其传输速率低、传输距 离短、抗干扰能力较差，难以满足实时高速数据通讯的要求，而基于以太网技术的 控制网络符合控制系统网络发展的趋势，它的出现标志着工业控制技术领域又一个 新时代的开始并且将对该领域的发展产生重要影响。以太网是当今最流行、应用最 广泛的通信技术，具有价格低、多种传输介质可选、高速度、易于组网应用等优点， 更为重要的是易于和i n t e m e t 连接，在当今i t 技术飞速发展、物联网兴起的时代， 各种嵌入式设备也急需利用互联网，将信息快速、便捷的传至任一地点，实现信息 交互，因此如何让资源有限的嵌入式设备实现联网功能也已经成为需要关注和研究 的重要问题。 b s ( b r o w s e r s e r v e r ) 模式是从传统的c s ( c l i e n t s e r v e r ) 模式发展起来的，用户界 面完全通过w e b 浏览器实现，不需要复杂专用的客户端软件也不需要维护，一部分 事务逻辑在客户端实现，但是主要事务逻辑在服务器端实现，这样就大大简化了客 户端电脑载荷，减轻了系统维护与升级的成本和工作量，降低了用户的总体成本， 也增强了系统的可伸缩性以及可扩展性，最大程度地保证数据的时效性、准确性和 安全性。 本文结合目前的发展现状，提出了在b s 模式下进行嵌入式以太网控制器的设 计。本文首先介绍了以太网控制器的硬件平台设计，即主要通过微控制器l p c i7 6 8 和p h y 芯片d p 8 3 8 4 8 c 来实现。然后，在此基础上分别就实时系统u c o s i i 和嵌 入式t c p i p 协议栈l w l p 进行了分析和移植并且阐述了网络接口驱动程序的开发过 程。最后，在设计好的软、硬件平台上完成了嵌入式w e b 服务器的实现以及控制器 用户页面的设计并且分析了用户页面和w e b 服务器的会话过程。 关键词：b s 模式；嵌入式以太网；l p c i 7 6 8 处理器；t c p i p 作者：杨俊 指导教师：吕建平 a b s t r a c t d e s i g no fe m b e d d e de t h e r n e tc o n t r o l l e rb a s e do nb sm o d e d e s i g no fe m b e d d e d e t h e r n e tc o n t r o l l e rb a s e do i lb s m o d e a b s t r a c t t r a d i t i o n a lc o n t r o ls y s t e m so f t e nu s et h ec o m m u n i c a t i o nm o d e ss u c ha sr s 2 3 2 ， r s 4 8 5w i t hl o wt r a n s m i s s i o n e f f i c i e n c y , s h o r tt r a n s m i s s i o n d i s t a n c ea n d p o o r a n t i - - i n t e r f e r e n c e a b i l i t y , w h i c ha r ed i f f i c u l tt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fr e a l - t i m e h i g h - s p e e dd a t ac o m m u n i c a t i o n s h o w e v e r , t h ec o n t r o ln e t w o r k sb a s e do ne t h e m e t t e c h n o l o g ya r ec o n s i s t e n t 、柝t ht h et r e n do fc o n t r o ls y s t e mn e t w o r k s d e v e l o p m e n t i t s e m e r g e n c em a r k st h eb e g i n n i n go fa n o t h e rn e wg e n e r a t i o ni nt h ef i e l do fi n d u s t r i a l c o n t r o lt e c h n o l o g y , a n dw i l le x e r ta l li m p a c to nt h ed e v e l o p m e n to ft h i sf i e l dd e f i n i t e l y t h ee t h e m e tt e c h n o l o g yi so n eo ft h em o s tp o p u l a ra n dw i d e l yu s e dc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e sc u r r e n t l y i th a san u m b e ro fa d v a n t a g e ss u c ha sl o wc o s t ，h i g hs p e e d ，e a s y t oo r g a n i z en e t w o r k sa n dh a sv a r i o u st r a n s m i t t i n gm e d i at ou s e w h a t sm o r e ，i t se a s yt o b ec o n n e c t e dt ot h ei n t e m e t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f i tt e c h n o l o g ya n d e m e r g e n c eo ft h ei n t e m e to ft h i n g s ( i o t ) ，t or e a l i z et h ei n f o r m a t i o ne x c h a n g e ，m o s to f t h ee m b e d d e dd e v i c e sn e e d e dt ob ec o n n e c t e dt oi n t e m e te m e r g e n t l yt ot r a n s m i t i n f o r m a t i o na n y w h e r ef l e x i b l y t h e r e f o r e ，i th a sb e c o m ea i li m p o r t a n tr e s e a r c hi s s u ea n d c o n c e r n i n gp o i n tf o rt h ef i n i t ee m b e d d e dd e v i c e st or e a l i z en e t w o r k i n g t h eb s ( b r o w s e r s e r v e r ) m o d ei sd e v e l o p e df r o mt h et r a d i t i o n a lc s ( c l i e n t s e r v e r ) m o d e ，a n di t su s e ri n t e r f a c ei sr e a l i z e db yw e bb r o s w e rt o t a l l y t h u si td o e sn o t n e e dc o m p l e xa n ds p e c i a lc l i e n ts o f t w a r e ，a sw e l la sm a i n t e n a n c e ap a r to fb u s i n e s s l o g i ci sr e a l i z e do nt h ec l i e n t ，b u tt h em a i nb u s i n e s sl o g i ci sr e a l i z e do nt h es e r v e r , l i g h t e n i n gt h ec l i e n tc o m p u t e r sl o a d sg r e a t l y ，r e d u c i n gt h ec o s to fm a i n t e n a n c ea n d u p g r a d e so fs y s t e m s ，d e c r e a s i n gu s e r so v e r a l lc o s t s i na d d i t i o n ，t h es y s t e m ss c a l a b i l i t y a n de x t e n s i b i l i t yi se n h a n c e d ，w h i c he n s u r e st h et i m e l i n e s s ，a c c u r a c ya n ds e c u r i t yo fd a t a t ot h ef u ne x t e n t c o m b i n i n gw i t ht h ec u r r e n td e v e l o p m e n t ，t h ed e s i g n o fe m b e d d e de t h e m e t d e s i g no fe m b e d d e de t h e m e tc o n t r o l l e rb a s e do nb sm o d e a b s t r a c t c o n t r o l l e rb a s e do nb sm o d ei sp r o p o s e di n t h i sp a p e r f i s t l y , t h ed e s i g no fh a r d w a r e p l a t f o r mo ft h ee t h e r n e tc o n t r o l l e ri si n t r o d u c e d ，w h i c hi sm a i n l yr e a l i z e db yt h em i c r o c o n t r o l l e rl p c17 6 8a n dp h yc h i pd p 8 38 4 8 c o nt h a tb a s i s ，t h ep a p e rg i v e st h ea n a l y s i s a n dt r a n s p l a n tp r o c e s so fr t o su c o s i i ，e m b e d d e dt c p i pp r o t o c o ls t a c kl w l p r e s p e c t i v e l y a n dt h e n ，t h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so f d r i v e rp r o g r a mo fn e t w o r ki n t e r f a c e i sa l s os h o w e d f i n a l l y , o nt h ed e s i g n e dp l a t f o r mo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，t h e e m b e d d e dw e bs e r v e ri sr e a l i z e d ，a n dt h ed e s i g no fc o n t o l l e r su s e rp a g ei sw o r k e do u t w h a t sm o r e ，t h es e s s i o np r o c e d u r eb e t w e e nu s e rp a g ea n dw e bs e r v e ri sa n a l y z e d k e y w o r d s ：b sm o d e ，e m b e d d e de t h e r n e t ，l p c17 6 8m i c r oc o n t r o l l e r ，t c p i p w r i t t e nb y ：y a n g j u n s u p e r v i s e db y ：l vj i a np i n g 甚于b s 模的嵌入式以太网控制器设计第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景以及研究意义 嵌入式系统是人们社会生活中的一部分，可以在多种应用中找到它们，如家用 电器、工业设备、医疗设备、通信设备以及汽车应用等，然而目前大多数嵌入式系 统还处于单独应用的阶段，即以m c u 为核心，与一些监测、伺服、指示设备配合 实现一定的功能。在一些工业和汽车应用中，利用c a n ，r s 2 3 2 、r s 4 8 5 等总线将 m c u 组网，实现多个m c u 之间的信息交流，然而这种网络的有效半径有限，有关 的通信协议也比较少，并且一般是孤立于i n t e m e t 以外的。e t h e r n e t ( 以太网) 是一种 计算机局域网组网技术【1 】，该技术基于i e e e ( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c e n g i n e e r s ) s 1 定的i e e e8 0 2 3 标准，它规定了包括物理层的连线、电信号和介质访 问层协议的内容。以太网的核心思想是使用共享的公共传输通道【2 1 ，以太网是当前 应用最普遍的局域网技术，它很大程度上取代了其他局域网标准，如令牌环、f d d i 和a r c n e t ，随着以太网技术的发展，工业控制j 下在向以以太网为基础的网络化控 制方向转化，以太网具有的数据传输率高、可靠性好、易维护、可远程传输、互操 作性好等优点也使其受到了广泛的拥护和软硬件的支持。 当今社会，互联网技术同新月异，i n t e m e t 技术己进入人们日常生活中的各个领 域，传统的利用p c 机进行上网查阅和发布各类信息等r 常的网络应用已经不能满 足人们的要求，人们对i n t e m e t 连接产品的需求同益增长，因此，嵌入式设备和 i n t e m e t 技术的结合是当今嵌入式技术的发展趋势，通过i n t e r a c t 对家用电器等非网 络设备进行远程控制已经成为现在主流的研究方向，以太网为两者提供了很好的桥 梁，通过以太网和i n t e r a c t 技术实现信息共享，不仅能给办公自动化带来很大变革， 也必将对控制系统产生深远影响。 随着w e b 技术的发展，传统的信息表达形式已经被改变，基于w 曲技术的应 用层出不穷，由于h t m l 语言具有统一性，因此可以使用任意一种w e b 浏览器对 w e b 服务器进行实时访问，加上w e b 浏览器的通用性，使得普通的p c 设备即可获 取信息节点的数据，并通过数据、表格、图片等多种形式呈现给用户，而用户端也 l 第一章绪论基于b s 模式的嵌入式以太网控制器设计 不需要专门的软件和设备。因此本文提出的基于b s 模式( 浏览器服务器) 的嵌入式 以太网控制器的设计具有很重要的意义，一方面契合了当今嵌入式技术发展的主 题；另一方面使得嵌入式设备的远程控制和管理方式都有了改变，不再需要专用的 通信线路而传输的信息也不再局限于数据信息，加上浏览器的运用也使控制器具有 了跨平台性和友好的人机界面，无论是w i n d o w s 、l i n u x 还是其他系统，只要支持 浏览器即可完成对控制器的相关操作同时用户的使用难度也歹沃降低。 1 2 以太网技术概述 1 2 1以太网及其发展 早期以太网是在2 0 世纪7 0 年代首先由x e r o x 公司发明的，最初用于实验室互 联网络，接着采用了载波侦听多路访问冲突检浈i j ( c s m a c d ) 传输规范，到1 9 8 2 年 产生了i e e e 8 0 2 3 规范标准，并且由数字设备公司、英特尔公司和x e r o x 公司联合 开发了与i e e e 8 0 2 3 标准兼容的以太网2 0 方案【3 】。以太网主要有若干个站点( 网络 节点) 和将其连接到网上的设备以及传输站点间信息各种传输介质组成，其分类方法 有多种，可以按网络的传输介质、拓扑结构、工作速率和执行的标准规范等进行分 类。以太网是应用广泛的、标准化的通信结构，采用多种通信介质( 同轴电缆、双线 电缆、光纤、无线电) 进行通信，并且与上层通信软件相组合形成了众多局域网的基 础【4 1 。 以太网作为一种局域网基本介质( 媒体) 接入技术，虽然已经历了3 0 来年的历 史，但由于其i 高度的灵活性和实现的简单性，近年来得到迅猛的发展，其技术不但 占据着局域网绝大部分领域，而且正向城域网( m a n ) 和广域网( w a n ) 挺进，成为当 今最有生气的网络技术，其传输速率已从最初的1 m b i t s 达到今天的1 0 g b i t s ， 4 0 g b i t s 以太网技术也趋于完善。以太网与光纤技术的结合，使传输距离可达1 0 0 k m 以上，并且可简单实现“干线直接到桌面 ，而无线以太网的开发更为人类随时随 地传送数据创造了条件1 5 1 。 2 雉十b s 模式的嵌入式以太网控制器设汁 第一章绪论 1 2 2以太网的基本工作原理 无论何种e t h e r n e t ，其m a c 层均采用争用型的介质访问控制协议，即 c s m a c d ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s s c o l l i s i o nd e t e c t ) ! 酬。c s m a c d 起源于美国 夏威夷大学开发的a l o h a 网络所采用的争用型协议，并进行了改进，使之具有比 a l o h a 协议更高的介质利用效率，逻辑上可分为两大块：媒体访问控制子层( m a c ) 和物理层，二者结合可完成o s i 模式的数据链路层功能。c s m a c d 是一种非确定 性或随机性通信方式，其基本工作原理是：某节点要发送报文时，首先监听网络， 如网络忙，则等到其空闲为止，否则将立即发送，并同时继续监听网络；如果两个 或更多的节点监听到网络空闲并同时发送报文时，将发生碰撞，同时节点立即停止 发送，并等待一段随机长度的时问后重新发送，1 6 次碰撞后，控制器将停止发送并 向节点微处理器回报失败信息。它采用总线控制技术及二进制指数退避算法。 c s m a c d 协议的工作过程通常也可以概括为“先听后发、边听边发、冲突停发、 随机重发。 1 2 3 嵌入式以太网 嵌入式以太网是利用嵌入式技术在微控制器或微处理器以及以太网控制器上 实现的以太网，其技术核心是在嵌入式系统中部分或完整地实现t c p i p 协议1 7 l 。同 传统以太网一样，遵循i e e e 8 0 2 1 3 标准以及采用t c p i p 协议族。但传统以太网需 要p c 机或工作站的软硬件环境的支持，并且网络协议要内嵌在u n i x 等操作系统 中，在工业控制应用领域受到一定限制；而嵌入式以太网则不然，需要微控制器或 者微处理器的软硬件环境的支持，使用的t c p i p 网络协议族则内嵌在实时操作系 统( r t o s ) 之中，可被广泛而方便地应用于工业控制领域中。 1 3b s 模式简介 b s 模式，即b r o w s e r s e r v e r ( 浏览器h i 务器) 模式，是利用不断成熟的w w w 浏览 器技术，由二层c s 模式( 客户机服务器) 发展而来，把原来封装于c s 下客户端的逻辑 运算交予服务器端完成，避免了对客户端繁琐的设计开发过程，提高了开发效率。浏 3 第一章绪论 基于b s 模式的嵌入式以太m 控制器设计 览器能从内部和外部服务器上获得信息，浏览器的位置不须固定，极大地提高了访问 的方便性，服务器可以运行在不同的操作系统上，可以通过浏览器向用户提供各种信 息1 8 1 。相对于c s 模式，b s 结构具有如下特点： b s 是一种瘦客户机模式，客户端应用界面单一，对客户端计算机的配置要 求不高； 易于管理和维护，系统安装、升级和维护全在服务器端完成； 开发b s 应用效率高，开发周期短，见效快； 平台无关性，具有极强的可伸缩性； 采用公开的标准和协议，可开发性强； 数据交互性能强，系统运行速度快； 本论文主要内容与结构安排 基于b s 模式的以太网控制器的设计主要包括两方面内容：一方面，利用微控 制器芯片l p c i 7 6 8 、p h y 芯片d p 8 3 8 4 8 c 、光耦完成控制器硬件平台的设计；另一 方面，在硬件平台的基础上，通过实时系统u c o s i i 和嵌入式t c p i p 协议栈完成 嵌入式w e b 服务器的设计，包括静态和动态w e b 的设计，使b s 模式成为可能，然 后利用h t m l 语言设计系统页面并利用动态w e b 实现控制功能，为了减轻嵌入式 w e b 服务器的负担，系统页面也尝试使用了脚本语言j a v a s c r i p t 。 本文具体内容如下： 第一章为绪论，阐述了选题背景和研究意义，对以太网技术和b s 模式也进行 了简单介绍。 第二章为系统硬件设计，首先介绍了a r mc o r t e x m 3 内核的特点，其次介绍 了微控制器芯片l p c i 7 6 8 的基本情况，紧接着介绍了系统总体硬件设计以及以太网 模块电路的设计。 第三章主要介绍了u c o s i i 系统在a r mc o r t e x m 3 内核上的移植工作，其中 详细分析了a r mc o r t e x m 3 内核的p e n d s v 异常。 第四章首先简要介绍了t c p i p 协议的特点，其次介绍了l w l p 的a r p 、i p 、 t c p 、i c m p 协议的实现；最后根据l w l p 的官方文档详细阐述了l w l p 在u c o s i i 4 基于b s 模的嵌入式以太嘲控制器设计第一章绪论 上的移植，包括操作系统模拟层的实现和底层网络接口驱动程序的编写。 第五章主要讲述了嵌入式静态和动态w e b 的设计；同时，介绍了以太网控制器 的用户页面设计并且分析了用户页面和嵌入式w e b 服务器的交互，最后介绍了 j a v a s c r i p t 的使用情况。 第六章为总结与展望，对全文的工作加以总结，提出了对后续工作的思考。 5 第一二章系统硬件设计基于b s 模式的嵌入式以太嘲控制器设计 第二章系统硬件设计 2 瓤1 7 a r m 处理器l p c i 7 6 8 2 1 1a r mc o r t e x m 3 内核简介 c o r t e x m 3 内核是a r m 公司于2 0 0 6 年推出的一款高性能处理器内核，采用 a r m v 7 m 架构，具有如下特点：、功耗低；、内核门数少，具有优异性价比； 、调试成本低；、中断延迟短；、具有嵌套向量中断控制器( n v i c ) 。c o r t e x - m 3 内核是一个3 2 位处理器核【9 1 ，内部的数据通路是3 2 位的，寄存器以及存储器接口 也是3 2 位的，采用哈佛结构，拥有独立的指令总线和数据总线，可以让取指与数 据访问并行进行，数据访问不再影响指令流水线，从而提高了处理器性能。 c o r t e x m 3 的内部结构如图2 1 所示： 图2 1c o r t e x m 3 处理器结构 c o r t e x m 3 处理器支持两种工作模式，也支持两级特权操作。两种工作模式分 别为处理模式( h a n d l e rm o d e ) 和线程模式( t h r e a dm o d e ) ，引入两个模式的目的在于区 别普通应用程序代码和异常服务程序代码，包括中断服务程序代码。c o r t e x m 3 的 6 基于b s 模式的嵌入以太m 控制器设计 第二章系统硬件设计 特权分级分别是特权级和用户级，为存储器的访问提供了保护机当处理器运行主应 用程序时( 线程模式) ，既可以使用特权级，也可以使用用户级，但是异常服务程序 必须在特权级下执行【l o 】。复位后，处理器默认进入线程模式，特权级访问。在特权 级下，程序可以访问所有的存储器空间( m p u 设置禁用除外) ，并且可以执行所有指 令。c o r t e x m 3 的工作模式和特权级别如图2 2 所示： 异常处理代码 主应用程序代码 特权级 用户级 处理模式错误的用法 线程模式线程模式 图2 - 2c o r t e x m 3 下的工作模式和特权级别 2 1 2l p c i 7 6 8 微控制器 l p c i 7 6 8 是n x p ( 恩智浦) 公司推出的基于a r mc o r t e x m 3 内核的微控制器 l p c i 7 x x 系列中的一员，用于处理要求高度集成和低功耗的嵌入式应用，其主频 可达1 0 0 m h z 。l p c i 7 6 8 含有5 1 2 k b 的片上f l a s h 存储裂1 1 】，该存储器可用于存放 代码和数据；6 4 k b 的片上静态r a m 数据存储器，包括主3 2 k bs r a m 以及另外 两个各为1 6 k b 的、位于a h b 多层矩阵独立从机端口的s r a m 模块，这种结构允 许各自执行c p u 和d m a 访问操作，从而对总线主机的延迟变少或无延迟。l p c i 7 6 8 使用多层a h b 矩阵来连接c o r t e x m 3 总线，并以灵活的方式将其它总线主机连接 到外设，允许矩阵的不同从机端口上的外设可以同时被不同的总线主机访问，从而 能获取到最优化的性能。a p b 外设使用多层a h b 矩阵的独立从机端口通过两条 a p b 总线连接到c p u 。这减少了c p u 和d m a 控制器之间的争用，可实现更好的 性能。a p b 总线桥配置为缓冲区写操作，使得c p u 或d m a 控制器无需等待a p b 的写操作结束，功能框图如图2 3 所示。l p c i 7 6 8 微控制器含有一个4 g b 的地址空 间，表2 1 所示为l p c i 7 6 8 的存储器分布。l p c i 7 6 8 的片上资源主要包括如下： 以太网m a c 带r m i i 接口和相关的d m a 控制器； u s b2 0 全速从机主机o t g 控制器； 7 第- 二章系统硬件设计基于b s 模式的嵌入式以太嘲挡制器设计 4 个u a r t ，带小数波特率发生功能、内部f i f o 、d m a 支持和r s 4 8 5 支持； c a n 控制器，带2 个通道； s p i 控制器，具有同步、串行、全双工通信和可编程的数据长度； 2 个s s p 控制器，带有f i f o ，可按多种协议进行通信； 3 个增强型的1 2 c 总线接口、看门狗定时器； 1 2 s ( i n t e r - i cs o u n d ) 接口，用于数字音频输入或输出； 7 0 个( 1 0 0 个管脚封装) 通用i o ( g p i o ) 管脚，带可配置的上拉下拉电阻； 8 通道的1 2 位模数转换器a d c ： 1 0 位数模转换器( d a c ) ； 4 个通用定时计数器，共有8 个捕获输入和1 0 个比较输出； 1 个电机控制p w m ，支持三相的电机控制； 独立电池供电的超低功耗r t c 、6 输出通用p w m 、正交编码接口； 表2 1l p c i 7 6 8 存储器分布 地址范围用途描述 0 x 0 0 0 00 0 0 0 0 x 0 0 0 3f f f f片上非易失性存储器 f l a s h 存储器( 5 12 k b ) 0 x 1 0 0 00 0 0 0 0 x 1 0 0 07 f f f片上s r a m 本地s r a m b a n k 0 ( 3 2 k b ) 0 x 2 0 0 7c 0 0 0 0 x 2 0 0 7f f f f片上s r a m ，通常用a h bs r a m b a n k 0 ( 16 k b ) 于存储外设数据 0 x 2 0 0 80 0 0 0 o x 2 0 0 83 f f f片上s r a m ，通常用a h bs r a m b a n kl ( 16 k b ) 于存储外设数据 0 x 2 0 0 90 0 0 0 0 x 2 0 0 9f f f f通用i o 0 x 4 0 0 00 0 0 0 0 x 4 0 0 7f f f fa p b o 外设3 2 个外设模块，每个1 6 k b 0 x 4 0 0 80 0 0 0 0 x 4 0 0 ff f f fa p b l 外设3 2 个外设模块，每个1 6 k b 0 x 5 0 0 00 0 0 0 o x 5 01ff f f fa h b 外设d m a 控制器、以太网和u s b 接口 0 x e 0 0 00 0 0 0 0 x e 0 0 ff f f fc o r t e x m 3 相关功能包括n v i c 和系统节拍器 8 幕于b s 模的嵌入式以太网控制器设计 第一二章系统五史件设计 跟踪端u 盯a g 端口 以太网p h y 接l u s b 接u + 看l 富 暑 l 呈 廓速 g p l 0 跟 踪 模 块 测试调试接口 a r mc 0 r t e x - m 3 d m a i 以太网f u s b 设 控制i 1 0 1 0 0 i 备、1 i 器m a c 1 机、0 丁g 多层a h b 矩阵 捕获t l 较定时 器o & l 看i j 狗定时器 p w m l 1 2 位a d c 管脚连接模块 舢皿到a p b 桥| a h b 到a p b 桥 3 2 k h z 振荡器 g p i ol 断 时 钟 节 篡一篝黎蓁 f l a s h 加速器 s r a m 6 4 k b a p b 从机组1 s s p o u a r t 2 & 3 1 2 c 2 c a nl & 2 重复性的中断定 时器 捕获i l l 较定时 器2 & 3 外部1 1 1 断 d a c 系统控制 电机挖$ 0 p w m 正交编码器 f l a s h 5 1 2 k b 2 2 系统总体硬件设计 图2 3l p c i 7 6 8 功能框图 在本节的硬件设计中，采用基于a r mc o r t e x m 3 内核的l p c i 7 6 8 微处理器作 为硬件结构的核心，选择d p 8 3 8 3 8 c 为网络接口芯片，实现以太网的通信功能。为 9 一一刚一一一一一一一一一一一一一善| 第二章系统硬件设计 桀于b s 模式的嵌入_ ：r 以太网拎制器设计 了能够使本控制器能够运用在不同的场合，l p c i 7 6 8 微处理器的各种片上资源对应 的引脚使用光耦进行隔离，本系统使用的光耦为t l p 2 8 0 _ _ 4 ( 4 光耦) 、h c p l 0 6 3 0 ( 弼f l , 光耦) 。硬件实现框图如图2 - 4 所示，实物如图2 - 5 所示。下一节将详细介绍系统的 以太网模块设计。 图2 _ 4 系统硬件实现框图 图2 5 硬件实物图 1 0 桀于b s 模工的嵌入式以太网控制器设汁 第一二章系统硬件设计 2 3 系统以太网模块设计 本系统的主控芯片为l p c i 7 6 8 ，以太网模块( e m a c ) 包含一个功能齐全的 1 0 m b p s 或1 0 0 m b p s 的m a c ( 媒体访问控制器) ，但是l p c i 7 6 8 缺少物理层接口 ( p h y ) ，因此需要外置p h y 芯片以实现以太网的物理层接入。本系统使用p h y 芯 片d p 8 3 8 4 8 c 、l p c i 7 6 8 的e m a c 和h r 9 1 1 1 0 5 a ( r j 4 5 接口) 来实现以太网功能， 连接框图如图2 - 6 所示。下面内容将具体介绍。 主拓a z p t j p h y 芯片 r j 4 5 接u 几、 d p8 3 8 4 8 c 以八 l p c i 7 6 8m a ch r 9 l l l 0 弘 厂 厂 ， 图2 - 6l p c i 7 6 8 、d p 8 3 8 4 8 c 、h r 9 1 1 1 0 5 a 连接示意图 2 3 1l p c i 7 6 8 的以太网控制模块 l p c i 7 6 8 的以太网控制模块主要由下列各项组成： 主机寄存器模块，包括软件上使用的寄存器以及处理以太网模块的a h b 访 问的寄存器。主机寄存器与发送通道、接收通道以及m a c 相连； 到a h b 的d m a 接口。该接口用于连接a h b 主机，使得以太网模块能够 访问以太网s r a m ，从而实现描述符的读操作、状态的写操作以及数据缓冲区的读 写操作； 以太网m a c ，通过r m i i 接口与片外p h y 相连； 发送数据通道，包括： 一发送d m a 管理器，用于从存储器中读取描述符和数据并将状态写入存储 器； 一发送重试模块，对以太网的重试和中止情况进行处理； 一发送流量控制模块，能够插入以太网暂停帧。 接收数据通道，包括： 一接收d m a 管理器，用于从存储器中读取描述符并将数据和状态写入存储 l l 第一二章系统硬件设计 基于b s 模式的嵌入式以太嘲控制器设计 器； 一以太网m a c ，通过分析帧头中的部分信息来检测帧类型； 一接收过滤器，通过使用不同的过滤机制来滤除特定的以太网帧； 一接收缓冲区，实现了对接收帧的延迟，以便将接收帧中的特定帧滤除后再将 接收帧保存到存储器中。 图2 7 显示了以太网模块的内部结构。 图2 7 以太网方框图 l p c i 7 6 8 的以太网控制模块使用r v i i i ( 简化的媒体独立接口) 协议和片上 m i i m ( 媒体独立接口管理) 串行总线、还有m d i o ( 管理数据输x 输出) 来实现与 片外以太网p h y 之间的连接，r m i i 模式下的引脚功能如表2 - 2 所示： 表2 2l p c i 7 6 8 在r v i i i 模式下的引脚 管脚名称类型管脚编号管脚功能描述 e n e tt xe n o u t p u t p 1 4以太网发送数据使能 e n e 郴d i ：0 】o u t p u t p 1 0 p 1 1发送数据，2 位 1 2 皋于b s 模式的嵌入式以太网拧制器设计第二章系统硬件没计 e n e t _ r x d 1 ：0 】 i n p u t p 1 9 p 1 1 0接收数据，2 位 e n e tr x e r i n p u t p 1 1 4接收错误 e n e tc r s i n p u t p 1 8 载波侦听数据有效 e n e tm d c o u t p u t p 1 1 6m i i m 时钟 e n e tm d i o i n p u t o u t p u t p 1 1 7m i i 数据输入和输出 e n e tr e fc l k i n p u t p 1 1 5参考时钟 2 3 2 网络接口芯片d p 8 3 8 4 8 c d p 8 3 8 4 8c 网络接口芯片是美国国家半导体公司生产的一款鲁棒性好、功能全、 功耗低的1 0 1 0 0m b s 单路物理层( p h y ) 收发器件，广泛运用于工业控制、自动化操 作、高端外围设备、通用嵌入式领域等场合，主要性能指标如下【1 2 】： 低功耗3 3 v ，o 1 8 u mc m o s 技术 功耗 o u t p u t 馁收米口物理 网络的数据 图4 3t c p 处理流程 应用层 传输层 网络层 设备驱动层 基j 二b s 模式的嵌入式以太纠控制器设计第p q 审嵌入式t c p i p 协 义栈的实现 4 2 5i c m p 协议实现 i c m p ，即控制报文协议，该协议提供了一种机制，任何一个i p 设备都可以使 用该机制发送控制报文给另一设备。i p 、t c p 以及u d p 常使用它传递差错报文信 息，同时一些i c m p 报文也可将该差错报文信息返回给用户进程。 在l w i p 中，i p _ i n p u t ( ) 函数收到的i c m p 报文被移交给i c m p _ i n p u t o i 函数，用以 对i c m p 包头解码，然后进行适当的动作。本课题需要i c m p 回送请求以及应答报 文对网络故障进行探测，因此使用i c m pe c h o 来实现这一功能，实际处理放置在 i c m p数中，通过交换到达包的源与目的i p 地址，改变类型为回显j n p u t ( ) i 函 i c m p 应答( e c h or e p l y ) 并调整i c m p 校验和组成。然后，信息包被传回给i p 层传送。 4 3l w l p 协议栈的移植 l w l p 的移植工作主要体现在两方面：一面是实现上文提到的操作系统模拟层； 另一个是实现网络接口的驱动。l w l p 协议栈为了移植的方便，使用操作系统模拟 层来代替属于操作系统的函数调用以及数据结构。操作系统模拟层的存在为底层操 作系统和l w l p 提供了一个接口，它的作用是提供进程同步、系统定时以及消息传 递机制等相关的系统服务。 4 3 1 实现操作系统模拟层 操作系统模拟层( s y s _ a r c h ) 的实现是依据l w l p 自带的官方文档s y s _ a r c h t x t 来实 现的。根据文档s y s 的描述，操作系统模拟层需要一个c文件和3个头文arch t x t 件，即s y s a r c h c ，c c h ，p e r f h ，s y s a r c h h ，在本系统中统一放置在a r c h 文件夹下。 下面将分别介绍。 ( 1 ) 、c c h 文件 该文件的主要内容为数据类型的声明以及编译器和硬件平台相关的环境变量。 由于l w l p 使用的数据类型定义为u 8 一t 、s 8 一t 、u 1 6 一t 、s 1 6 一t 、u 3 2 一t 、s 3 2 - t 和m e m _ p t r t ， 故在c c h 文件中作如下定义： 3 7 第p q 章嵌入式t c p i p 协议栈的实现皋卡b s 模式的嵌入式以太嘲控制器设计 t y p e d e fu n s i g n e d c h a ru 8 t t y p e d e fs i g n e d c h a r s 8 一t t y p e d e fu n s i g n e d s h o r tu l6 t t y p e d e fs i g n e d s h o r ts16 t t y p e d e fu n s i g n e d i n tu 3 2 一t t y p e d e fs i g n e d i n ts 3 2 t t y p e d e fu 3 2 tm e m _ p t r t 这些常用数据类型被底层协议栈和模拟层接口函数使用。c c ：h 文件的另一个重 要任务是修改宏定义，一般情况下c 语言的结构体s t r u c t 是4 字节对齐的，但是在 处理数据包的时候，l w i p 使用的是通过结构体中不同数据的长度来读取相应的数 据的，所以在定义s t r u c t 的时候使用“p a c k e d 关键字，让编译器放弃s t r u c t 的字节 对齐【2 7 】。针对k e i l r v m d k 编译器，宏的定义如下： # d e f i n ep a c k s t r u c t b e g i n _ p a c k e d # d e f i n ep a c k s t r u c t s t r u c t # d e f i n ep a c k s t r u c t e n d # d e f i n ep a c k _ s t r u c t - f i e l d ( x ) x 根据s y s _ a r c h t x t 的说明，c c h 文件还需要实现l w l p 的临界保护函数。由于l w l p 的临界保护机制和系统u c o s i i 相似，即进入临界时关中断，退出时直接开中断或 者恢复原先的中断开状态。因此，可以用u c o s i i 系统的临界保护函数 ( o s _ c p u s r s a v e 、o s - c p u _ s r _ r e s t o r e ) 来实现l w l p 的临界保护。修改c c h 文 件临界代码保护宏如下： # d e f i n es y sa r c h _ d e c l - p r o t e c t ( u l i n t s t a t u s ) u 3 2 一t u l i n t s t a t u s = 0 # d