（计算机系统结构专业论文）基于mcf5223x的嵌入式web+server系统的设计与实现.pdf

s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl ij i n g j i a o n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文储虢黼 日 期：矽，7 o ff 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校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。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年彳一年口一年半口两年口 学位论文作者签名： 签字日期： 矽d 7 6 伸 聊签名易靠良 签字日期：7 乡纩 东北大学硕士学位论文 摘要 基于m c f 5 2 2 3 x 的嵌入式w e bs e r v e r 系统的设计与实现 摘要 随着嵌入式技术与网络技术的飞速发展，人类即将进入后p c 机时代，嵌入 式系统的网络化已经成为必然趋势。专家预测，未来将有7 0 的信息来自小型 嵌入式设备，嵌入式i n t e m e t 即将成为社会重要的信息来源。嵌入式w e bs e r v e r 作为嵌入式i n t e m e t 发布信息的有效方式，对它的研究有利于推动我国的信息化 进程，具有重要的现实意义。 本课题即在此背景下，采用3 2 位高档m c u 加精简t c p i p 协议栈的接入方 案，实现了一款嵌入式w e bs e r v e r 系统。整个系统由w e bs e r v e r 和网内节点两 部分组成，采用b s 网络模式构建，用户可以通过浏览器登录系统，对节点进行 实时的监视和控制。 本文在需求分析的基础上，给出系统的总体层次结构，针对各功能模块进行 设计并实现。系统主要实现四大功能：动态信息发布、节点自动接入、节点控制 和异常报警。系统采用m c f 5 2 2 3 xm c u 作为主控芯片，片上集成了e p h y 、f e c 、 3 2 ks r a m 和2 5 6 kf l a s h ，简化硬件设计；选用c o l d f i r et c p i pl i t e 作为软件 平台，完成t c p i p 协议处理，同时提供一款小型i 订o s - n i c h e t a s k ，便于系 统的模块化开发。 上层应用程序方面，本文设计并实现了w e bs e r v e r 、网内节点和网页程序， 采用c o l d f i r et c p i pl i t e 提供的m i n i s o c k e t st c pa p i 和m i n i i p 程序库实现服 务器与节点间的数据通信。网页程序中，应用了a j a x 技术，完成w e bs e r v e r 与 浏览器间数据层面的交互，实现无闪刷新。最后从功能和性能两方面对系统进行 测试，并对测试结果简要分析。 本系统作为嵌入式i n t e r n e t 的典型应用，为嵌入式系统网络化应用提供样例。 经过测试，系统运行稳定，具有较好的实时性和较强的灵活性，应用前景广阔， 具有一定的现实意义。 关键词：m c f 5 2 2 3 x ：c o l d f i r et c p i pl i t e ； 一i i 一 嵌入式w e bs e r v e r ；a j a x 东北大学硕士学位论文 a b s t l a c t d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n o fe m b e d d e dw e b s e r v e rs y s t e mb a s e do nm c f 5 2 2 3 x a bs t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e dt e c h n o l o g ya n dn e t w o r kt e c h n o l o g y , t h eh u m a n i s g o i n gt o e n t e rt h ep o s t - p c - e r a n e t w o r k e de m b e d d e ds y s t e mh a sb e c o m ea n i n e v i t a b l et r e n d t h ee x p e r t sp r e d i c tt h e7 0 o ft h ei n f o r m a t i o nw o u l dc o m ef r o m s m a l le m b e d d e dd e v i c e s ，e m b e d d e di n t e r n e tw i l ls o o nb e c o m ea ni m p o r t a n ts o u r c eo f s o c i e t yi n f o r m a t i o n e m b e d d e dw e b s e r v e ra sa ne f f e c t i v ew a yt op u b l i s hi n f o r m a t i o n ， t h er e s e a r c ho fi tw i l lb ec o n d u c i v et op r o m o t i n gi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi no u r c o u n t r y , a n dh a v ei m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nt h eb a c k g r o u n d ，t h i si s s u eu s et h e3 2 一b i th i g h - e n dm c up l u ss t r e a m l i n i n g t c p i pp r o t o c o ls t a c kt or e a l i z ea ne m b e d d e dw e bs e r v e rs y s t e m t h es y s t e mc o n s i s t o fw e bs e r v e ra n dn e t w o r kn o d e s ，u s i n go fb sn e t w o r km o d e l t h eu s e rc o u l dl o gi n t ot h es y s t e mt h r o u g hb r o w s e ri no r d e rt oa c h i e v er e a l t i m es u r v e i l l a n c ea n dc o n t r 0 1 i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h ea n a l y s i so fd e m a n d ，g i v i n gt h eo v e r a l ls t r u c t u r eo f s y s t e m ，f o re a c hf u n c t i o n a lm o d u l e ，c h a p t e r4s h o w st h ed e t a i lo fd e s i g n i n ga n d p r o g r a m m i n g t h e r ea r ef o u rf u n c t i o n si nt h es y s t e m ：d y n a m i ci n f o r m a t i o np u b l i s h i n g ， n o d ea u t o m a t i ca c c e s s i n g ，n o d ec o n t r o l l i n ga n de x c e p t i o nw a r n i n g s y s t e mu s e st h e m c f 5 2 2 3 xa st h em a i nm c u ，i n t e g r a t e dw i t he p h y , f e c ，3 2 ks r a ma n d2 5 6 k f l a s h ，s i m p l i f yt h eh a r d w a r ed e s i g n i n g ，a n dc h o o s e st h ec o l d f i e3 c p i p l i t ea st h e s o f t w a r ep l a t f o r m ，i no r d e rt op r o c e s st h et c p i pp r o t o c o la n ds u p p o r tn i c h e t a s ka s i 玎o s f o rt h ea p p l i c a t i o n ，t h ep a p e rd e s i g n st h ew e bs e r v e r , n e t w o r kn o d ea n dt h ew e b p a g ep r o g r a m ，u s i n gt h em i n i - s o c k e t st c pa p ia n dm i n i i p a p it oa c h i e v e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e ns e r v e ra n dn o d e s i nt h ew e b p a g e ，u s i n g t h ea j a xt e c h n o l o g y t oa c h i e v ed a t al a y e rc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nw e bs e r v e ra n db r o w s e r f i n a l l yt e s t i n g t h es y s t e mf r o mf u n c t i o n a l i t ya n dp e r f o r m a n c e ，a n dg i v i n gab r i e fa n a l y s i so ft e s t r e s u l t s a sat y p i c a le m b e d d e di n t e r n e ta p p l i c a t i o n s ，t h es y s t e mp r o v i d e sae x a m p l eo f n e t w o r kb a s e de m b e d d e ds y s t e md e v e l o p m e n t a f t e rt e s t i n g , t h i ss y s t e mr u n ss t a b l y , - i i i 东北大学硕士学位论文 a b st r a c t h a ss t r o n gr e a l - t i m ea n df l e x i b i l i t y t h i ss y s t e mh a sb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t sa n d p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：m c f 5 2 2 3 x ；c o l d f i t e 3 c p i p _ l i t e ；e m b e d d e dw e bs e r v e r ；a j a x 一一 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章引言1 1 1 课题研究背景1 1 2 国内外研究发展现状1 1 2 1i n t e r n e t 接入方案研究现状2 1 2 2 嵌入式w e bs e r v e r 应用现状3 1 3 课题研究内容4 1 4 课题研究意义4 1 5 论文组织结构4 第2 章相关知识介绍7 2 1m c f 5 2 2 3 x 系列m c u 简介。7 2 1 1m c f 5 2 2 3 x 结构7 2 1 2 以太网物理层收发器r ( e p h y l 8 2 1 3 快速以太网控制器( f e c ) 1 2 2 2c o l d f i r et c p i pl i t e 简介1 4 2 2 1c o l d f i r et c p 口l i t e 特点1 4 2 2 2m i n i s o c k e t st c pa p i 简介1 6 2 2 3n i c h e t a s k 操作系统1 7 2 3w e b 相关技术简介2 0 2 3 1w e b 支持技术2 0 2 3 2a j a x 技术2 2 第3 章系统总体设计2 5 3 1 系统需求分析2 5 3 1 1 功能需求分析2 5 一v 一 东北大学硕士学位论文目录 3 1 2 性能需求分析2 6 3 2 系统总体设计：j j - 2 6 3 2 1 硬件设计方案2 7 3 2 2 软件设计方案2 9 3 2 3 组网设计方案3 0 3 3 系统软件平台3 1 3 4 本章小结3 2 第4 章系统详细设计与实现3 3 4 1 节点硬件的初始化3 3 4 1 1 分配存储空间3 4 4 1 2 时钟初始化3 5 4 1 3 通用i o 初始化3 6 4 1 4u a r t l 初始化3 6 4 1 5a d 初始化3 7 4 2w 曲s e r v e r 的设计与实现3 8 4 2 1n i c h e t a s k 任务建立3 8 4 2 2 信息采集任务3 9 4 2 3 有效性检测任务4 2 4 2 4w e bs e r v e r 任务4 3 4 2 5 命令发送任务4 5 4 3 网内节点的设计与实现4 6 4 3 1 发送本地信息任务4 6 4 3 2 响应控制命令任务4 8 4 4 网页程序的设计与实现4 8 4 4 1 网页文件c 代码编译4 9 4 4 2w e bs e r v e r 网页设计5 0 4 4 3 监测页面的设计与实现5 0 4 4 4 控制页面的设计与实现5 1 4 5 本章小节5 2 第5 章系统测试5 3 5 1 硬件模块功能测试5 3 5 1 1b d m 模块测试5 3 一v i 参考文献6 3 致谢6 7 一v i i 东北大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 课题研究背景 第1 章引言 i n t e r n e t 作为信息交流的主要平台，已成为社会重要的基础信息设施【l j 。伴 随着i n t e m e t 技术的飞速发展，人们希望嵌入式设备也能够通过i n t e m e t 连接在 一起，提供更为广泛的资源共享、信息通信服务。专家预测，未来将有7 0 的 信息来自小型嵌入式设备 2 1 ，嵌入式i n t e r n e t 即将成为重要的信息来源。嵌入式 w e bs e r v e r 作为嵌入式i n t e r n e t 发布信息的有效方式，越来越多地受到人们的关 注，并成为嵌入式系统研究的热点。 嵌入式w e b 服务器( e m b e d d e dw 曲s e r v e r ，e w s ) 3 , 4 】技术是网络技术、w 曲 技术和嵌入式技术相结合的产物。过去的8 位、1 6 位单片机因存储资源和运算 速度的限制，难以实现i n t e r n e t 中复杂的通信协测5 1 ，随着3 2 位处理器的出现， 微处理器的存储空间和运算能力大大提升，甚至片上还集成了以太网接口，为嵌 入式w e b 服务器的实现提供了硬件基础。与此同时u i p 、l w i p 、o p e n t c p 等众 多软件协议栈的出现，使开发人员能够方便、快捷地搭建起一个嵌入式w e b 服 务器【6 ，7 】。如今，嵌入式w e b 技术日渐成熟，并且已经成功应用在智能家居、信 息家电、掌上电脑、智能仪表、工业控制【8 】等领域，相信在不久的未来将深刻地 变革人们的生活方式。 嵌入式w e bs e r v e r 在设计时需考虑硬件资源、安全性、可靠性、移植性等 多方面的问题，具有极强的定制性，实现方法可以分为自主实现和移植修改两种 【9 】。移植修改方式相对简单，开发周期短，得到了广泛应用。目前已经出现多种 嵌入式系统的w e bs e r v e r ，开发人员可以根据需求进行选择，对于某些特定应用， 也可以在移植的w e bs e r v e r 基础上，灵活扩展进行实现。因此，如何通过移植 修改方法实现一款高效、稳定的嵌入式w e bs e r v e r 是本文研究的重点。 1 2 国内外研究发展现状 嵌入式w e bs e r v e r 本身针对性很强，在实现过程中需要根据具体的软、硬 件条件和系统需求合理设计【1 0 , 1 1 1 。经过近几年的研究，国内外各大公司和科研机 构相继推出了多种设计方案，其中作为嵌入式w e bs e r v e r 实现的基础，选择一 款合适的i n t e m e t 接入方案尤为重要。 东北大学硕士学位论文第1 章引言 1 2 1i n t e m e t 接入方案研究现状 目前，嵌入式系统i n t e m e t 接入方案主要有以下三种【1 2 ，1 3 】： ( 1 ) 处理器加t c p i p 协议栈方式 采用这种方式，微处理器像p c 机一样直接处理t c p i p 协议，一般需要较 为高档的微处理器，例如3 2 位的a r m 、c o l d f i r e 、m i p s 等微处理器和单周期指 令速度较高的8 位微处理器。一般情况下，运行的t c p i p 协议栈也需要根据具 体应用进行裁判1 4 】。 在国内，辽宁工程技术大学的黄凯等人【1 5 】利用g e c 2 4 1 0a r m 9 嵌入式开发 板作为硬件平台，嵌入u c l i n u x 操作系统，配合操作系统自带的t c p i p 协议栈， 实现了嵌入式系统入网。 重庆邮电大学的赵国锋、马文武【l 们，在s m d k 2 4 1 0 开发板上移植u c o s i i 操作系统和l w i p 协议栈，构建了一个网络系统。 这种接入方式可以根据用户需求实现很多复杂的功能，非常灵活，但对开发 人员的要求较高，同时系统运行时也需要占用大量的资源，对系统硬件配置要求 也较高。随着微处理器技术的发展，处理器的资源、性能、性价比大幅提升，出 现的众多t c p i p 协议栈也可以满足各种各样的应用需求，本文所述的嵌入式 w e bs e r v e r 系统采用的就是这种接入方案。 ( 2 ) 采用固化了t c p i p 协议的硬件芯片方式 这种接入方式直接在嵌入式处理器上实现t c p i p 协议，采用固化了t c p i p 协议的硬件芯片实现嵌入式系统入网。 在国内，典型应用有沈阳东大新业信息技术股份有限公司研制开发w e b i t ， 它将微控制处理机和以太网控制器集成到一块小板卡上，嵌入式系统装配后即可 接入i n t e m e t 。 在国外，s e i k oi n s t r u m e n t s 公司研发的s - 7 6 0 0 a 可以支持h t t p 、s m t p 、 p o p 3 、m i m e 等多种协议，通过外部硬件电路处理t c p i p 协议。 采用这种接入方式有较高的集成度，将协议处理部分独立出来，方便开发人 员网络部分的设计，可将主要精力放在设计应用系统本身，但这种方式需要高档 的微控制处理机和较高的开发及使用成本。 ( 3 ) 代理服务器网关接入方式 代理服务器网关一方面运行t c p i p 协议实现i n t e m e t 接入功能，一方面通 过轻型网络技术( 如r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、c a n 总线、l o n w o r k s 等) 将多个嵌入式设 一2 一 东北大学硕士学位论文第1 章引言 备接入，嵌入式系统通过代理服务器网关与外部i n t e m e t 通讯【1 7 】。 在国内，上海电力学院的王海燕和上海理想信息产业( 集团) 有限公司的魏 洪波 埔】实现了一个基于a r m 的嵌入式代理服务器，完成l o n 现场总线网络与 以太网络的互连。 西安工程大学的王娟等人【1 9 】采用3 2 位r i s c 结构的a r m 7 微控制器，使用 u c o s i i 做为嵌入式实时操作系统，实现了c a n 总线网络与以太网的互连。 通过代理服务器网关接入方式，可以解决各种嵌入式系统接入i n t e r n e t 的问 题，使得底层现场总线对于上层信息网络成为了一个透明的网络层，将标准现场 总线集成到工业以太网络。这种方案特别适合于嵌入式系统数量多且较为集中的 场合，可以很方便的解决设备上网问题，开发难度低，但是接入成本比较高，不 利于大规模推广。 1 2 2 嵌入式w e bs e r v e r 应用现状 近年来，嵌入式w e b 系统发展很快，并且已经广泛应用于智能家电、智能 建筑、仪器仪表、通信产品、工业控制、数控机床等众多领圳2 0 ，2 1 1 。 北京和利时公司【2 2 】推出了一款m a c ss m a r t p r o ，m a c ss m a r t p r o 将 嵌入式技术与i n t e m e t 技术相结合，用户通过浏览器即可登陆系统，浏览监控现 场信息，完成远程的设备的检测和维护。 中国农业大学的喻轩等人【2 3 】设计了基于嵌入式w e bs e r v e r 的奶牛场网络化 系统。实现了奶牛场生产信息实时、远程监测功能，降低了奶牛场生产和管理成 本，提高奶牛场现代化管理水平。 上海大学电子生物研究中心与南方医科大学分子生物研究所【2 4 】合作推出了 一款基于w e b 服务器的病人监控系统，将生物医疗、计算机科学、通讯技术等 多学科技术相结合并用于远程医疗，实现对病人信息实时、有效的监视。 在国外，基于嵌入式w e b 服务器技术的智能化家居系统已经步入寻常百姓 的家庭【2 5 】。2 0 0 4 年，美国已经有近4 万户家庭安装了家庭智能化系统，在新加 坡也有近3 0 个社区的5 0 0 0 户家庭采用了家庭智能化系统。 可见，嵌入式w e bs e r v e r 因其极强的实时性、稳定性、便携性和灵活性， 适应了现代社会的需求【2 6 】。嵌入式w e bs e r v e r 已经逐渐融入人们的日常生活， 它不仅能够提高现代社会的管理效率、生产水平，也显著提高了人们的生活水平。 3 东北大学硕士学位论文第1 章引言 1 3 课题研究内容 、 本课题主要研究了基于m c f 5 2 2 3 x 的嵌入式w e bs e r v e r 系统，通过对整个 系统软、硬件的深入学习，以及大量时间的编码和调试，最终成功实现。 系统采用微处理机加t c p i p 协议栈的接入方案实现系统入网，在硬件平台 选择方面，紧扣具体的应用需求，兼顾体积、成本、功耗等多方面的因素，采用 c o l d f i r ev 2 内核的m c f 5 2 2 3 x 系列m c u 作为主控芯片，编写了a d 、通用i o 、 u a r t 等模块的驱动程序，为上层软件提供接口。在系统软件设计方面，经过反 复的分析比较，最终采用i n t e r n i c h e 公司与f r e e s c a l e 公司合作推出的 c o l d f i r et c p i pl i t e 协议栈，并在深入分析、学习的基础实现嵌入式w e bs e r v e r 系统。具体工作内容有： ( 1 ) 通过对系统进行总体分析，设计合适的接入方案并加以实现； ( 2 ) 根据系统的性能、资源进行可行性分析，选择合适的硬件开发平台； ( 3 ) 选择合适的t c p i p 协议栈，并进行深入分析和学习； ( 4 ) 在上述工作的基础上，实现嵌入式w e bs e r v e r 系统； ( 5 ) 对系统进行测试，分析不足，提出下一步工作方向。 1 4 课题研究意义 i n t e r n e t 的成功极大地推动了社会的信息化进程，随着现代通信技术的飞速 发展，w e b 技术正迅速融入到各个领域。但是，传统的i n t e m e t 是以p c 为中心 的，在网络覆盖方面仍然存在局限性，因此i n t e r n e t 对嵌入式系统提出了更为广 泛的应用要求，将嵌入式技术与网络技术相结合已经成为发展的必然趋势。嵌入 式w e b 技术作为理想的解决方案，对它的研究受到了广泛关注。 目前，嵌入式w e b 技术已在智能家居、掌上电脑、信息家电、工业控制等 众多领域都有所应用，嵌入式w e b 技术正深刻地影响着人们的工作和生活。人 类即将步入后p c 机时代，对嵌入式w e b 服务器技术的研究不仅具有极大的经济 效益，也有着重大的现实意义。 1 5 论文组织结构 本文阐述了在m c f 5 2 2 3 x 实验板上实现嵌入式w e bs e r v e r 系统的工作过程， 全文共分六章： 第l 章：综述。介绍了课题研究的背景、国内外研究发展现状以及研究意义， 一4 一 东北大学硕士学位论文 第1 章引言 简要阐述了主要工作内容。 第2 章：相关知识介绍。介绍了系统实现过程中应用的相关软、硬件知识， 包括m c f 5 2 2 3 x 系列m c u 特性、c o l d f i r et c p i p l i t e 协议栈以及w e b 相关技 术。 第3 章：系统总体设计。阐述了系统的设计思想，对系统进行需求分析，并 从软、硬件方面给出了嵌入式w e bs e r v e r 系统的总体设计。 第4 章：系统的设计与实现。根据系统总体设计的划分，分别从w e bs e r v e r 、 网内节点、网页设计三部分详细阐述了系统的设计、实现过程。 第5 章：系统测试。根据系统的层次结构，从功能和性能两方面，自底向上 对系统进行测试，并对测试结果简要分析。 第6 章：结束语。总结工作内容，对后续研究进行展望。 一5 东北大学硕士学位论文第1 章引言 一6 一 性、软件协议栈，以及相关w e b 技术知识介绍。 2 1m c f 5 2 2 3 x 系列m c u 简介 本系统采用c o l d f i r ev 2 内核的m c f 2 2 3 3 x 系列m c u 作为主控芯片，较高 的集成度和性价比是选择这款芯片的原因。本节主要介绍m c f 5 2 2 3 x 的结构、 特性以及用于接入i n t e r n e t 的两个重要模块：以太网物理层收发器( e p h y ) 和快速 以太网控制器( f e c ) 。 2 1 1m c f 5 2 2 3 x 结构 m c f 5 2 2 3 x 是业内第一款在单一芯片解决方案中提供快速以太网控制器、以 太网接口和f l a s h 存储器的3 2 位微控制器，同时它也是目前以太网领域的最小 f o r m f a c t o r 的解决方案。图2 1 为m c f 5 2 2 3 x 系列m c u 集成的各模块框图【2 7 】。 图2 1m c f 5 2 2 3 x 系列m c u 结构框图 f i g 2 1m c f 5 2 2 3 xm c u b l o c kd i a g r a m 如图2 1 所示，芯片集成了常用的外设模块，包括a d 、通用i o 、p w m 等 等，其中比较有特色的就是p h y 、f e c 以及f l a s h 。 一7 一 上集成的f l a s h ( 8 ) 4 通道1 6 位p w m 和实时时钟； ( 9 ) 集成3 个u a r t 模块； ( 1 0 ) q s p i 接口； ( 1 1 ) i i c 接口； ( 1 2 ) 最多可达7 3 个通用i o 引脚； ( 1 3 ) 系统集成p l l ( 软件看门狗) ； ( 1 4 ) 1 个3 3 v 电源。 m c f 5 2 2 3 3 x 系列m c u 的最大特点就是集成了以太网物理层收发器( e p h y l 和快速以太网控制器( f e c ) 。使用这两个模块不仅简化了硬件接口电路，同时也 减轻了程序开发人员的负担，只需编写少量的代码，就可以完成以太网数据帧的 接收、发送工作，底层协议栈就是在f e c 驱动的基础上处理t c p i p 协议，以下 将简要介绍e p h y 和f e c 模块的结构和工作原理。 2 1 2 以太网物理层收发器( e p h y ) 以太网物理层收发器( e t h e m e tp h y s i c a lt r a n s c e i v e r ，e p h y ) 是符合i e e e 8 0 2 3 标准的1 0 b a s e t 1 0 0 b a s e t x 以太网p h y 收发器，其中以太网物理接口 模块支持媒体独立接 ( m e d i u m i n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ，m i i ) 以及m i i 管理接口， 需要2 5 m h z 的频率驱动【2 9 1 。图2 2 为e p h y 模块的结构示意图。 一8 一 东北大学硕士学位论文第2 章相关知识介绍 图2 2 e p h y 结构示意图 f i g 2 2e t h e r n e tp h y s i c a lt r a n s c e i v e r ( e p h y ) b l o c kd i a g r a m 如图2 2 所示，e p h y 信号引脚包括数据传输、供电和用于外连指示网络状 态的l e d ，具体功能描述如下： ( 1 ) p h y _ _ t ) ( p e p h y t w i s t e dp a i ro u t p u t + e p h y 双绞线( t w i s t e dp a i r ) o u t p u t + 弓i 脚。 ( 2 ) p h y - - t x - n e p h yt w i s t e dp a i ro u t p u t e p h y 双绞线o u p u t 引脚。 ( 3 ) p h y r x p e p h y t w i s t e dp a i ri n p u t + e p h y 双绞线i n p m + 弓i 脚。 ( 4 ) p h y r x n e p h y t w i s t e dp a i ri n p u t e p h y 双绞线i n p u t 引脚。 ( 5 ) p h y r b i a s e p h yb i a sc o n t r o lr e s i s t o r e p h y 偏置控制寄存器引脚。 岭p h n ，d d r x ，p h ) s s r x p o w e rs u p p l y p i n sf o re p h yr e c e i v e r e p h y 接收器的电源引脚。内部的电压调节器提供2 5 v 电源，引脚不允许 外连静态负载。将v d d r 接地时，内部电压调节器关闭。 ( 7 ) p h y - v d d t x ，p h y v s s t x p o w e rs u p p l yp i n sf o re p h y t r a n s m i t t e r e p h y 发送器的电源引脚。内部的电压调节器提供2 5 v 电源，引脚不允许 外连静态负载。将v d d r 接地时，内部电压调节器关闭。 ( 8 ) p h y _ v d d a ，p h y - v s s a p o w e rs u p p l yp i n sf o re p h ya n a l o g 一9 一 东北大学硕士学位论文第2 章相关知识介绍 e p h y 模拟电路的电源引脚。内部的电压调节器提供2 5 v 电源，引脚不允 许外连静态负载。将v d d r 接地时，内部电压调节器关闭。 m c f 5 2 2 3 x 的引脚具有复用功能，其中p o r t l d 口除作为通用i o 口外， 还可用于显示网络通信状态。根据f r e e c a l e 的数据手册，将p o r t l d 口设置为 主要功能，使能e p h y c t l 0 中的l e d e n 位后，网络指示灯开始工作，以下为 各指示灯信息含义： ( 1 ) c o l l e d c o l l i s i o nl e d 当网络有冲突时，该引脚连接的l e d 灯闪烁。网络冲突仅发生在半双工状 态，不发生在全双工状态。 ( 2 ) d u p l e d d u p l e xl e d 该引脚连接的l e d 灯指示双工连接状态，全双工或者半双工。 ( 3 ) s p d l e d s p e e dl e d 该引脚连接的l e d 灯指示网络连接的速率，1 0 1 0 0m b p s 。 ( 4 ) l n k l e d l i l l l ( l e d 。 该引脚连接的l e d 灯指示是否与另一个网络设备建立连接。如果连接，则 l e d 常亮。 ( 5 ) a c t l e c a c t i v i t y l e d 当接收到数据时，该引脚连接的l e d 灯闪烁。 m c f 5 2 2 3 x 的e p h y 模块中寄存器分为两种：3 个8 位存储器映射寄存器， 包括2 个控制寄存器( e p h y c t l 0 e p h y c t l l ) 和1 个状态寄存器( e p h y s r ) ，可 以通过直接寻址方式进行访问；1 9 个1 6 位寄存器，可以通过f e c 模块中的m i i 寄存器连续访问。 其中，3 d 8 位存储器映射寄存器为： ( 1 ) e p h y c t l 0 e p h y 控制寄存器0 ，具有控制e p h y 的使能，控制自适应功能，控制l e d 的使能及中断等功能。 ( 2 ) e p h y c t l 1 e p h y 控制寄存器l ，保存e p h y 地址。e p h y 地址为5 位地址，存储于 p h y a d d o 至p h y a d d 4 位，采用本地p h y 将e p h y 地址设为1 。 ( 3 ) e p h y s r e p h y 发送的状态寄存器，用来显示1 0 0 b a s e t x 和1 0 b a s e - - t 的状态和 中断标志位。 1 9 个连续访问的1 6 位m i i 寄存器中，有8 个寄存器作为扩展保留，其余寄 一1 0 一 东北大学硕士学位论文第2 章相关知识介绍 存器提供状态、控制、静态配置、运行状态等配置功能。为了兼容i e e e 8 0 2 3m i i 规范，必须保证f e cm d c 频率不能超过2 5 m h z ，m - i is p e e d 计算公式如下： m 一s p e e d = 系统时钟频率( 2 xf e c m d c ) ( 2 。1 ) 需要说明的是，m i i 寄存器并不属于m c f 5 2 2 3 xm c u 的内存映射，表2 1 中给出了可由m i i 管理接口访问的以太网物理层接口寄存器。 表2 1m i i 寄存器 t a b l e2 1m i ir e g i s t e r s 附1 ：写无效 2 ：读值为0 x 0 0 m i i 主要寄存器功能简述如下： ( 1 ) 控制寄存器 控制寄存器中具有复位e p h y 、配置数字模式、传输速率选择、自动协商使 能、双工模式设定、冲突检测等功能。 ( 2 ) 状态寄存器 状态寄存器用于显示e p h y 的工作状态。 ( 3 ) p h y 标识寄存器1 、2 p h y 标识寄存器1 、2 中记录了p h y 的i d 、型号和修订号信息。 ( 4 ) 自动协商寄存器 自动协商寄存器包括4 、5 、6 、7 号寄存器，用于保存自适应状态信息。 ( 5 ) 中断控制寄存器 一1 1 东北大学硕士学位论文第2 章相关知识介绍 中断控制寄存器包括各中断的使能位和标志位。 -。， 2 1 3 快速以太网控制器( f e c ) c o l d f i r e 系列m c u 集成了快速以太网控制器( f a s te t h e m e tc o n t r o l l e r , f e c ) 模块，它支持1 0 m b p s 和1 0 0 m b p s 两种以太网协议【3 0 。 f e c 符合i e e e 8 0 2 3 标准，能够处理载波监听多路访问冲突检n ( c a r r i e r s e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n ，c s m a c d ) 协议，通过硬件、微程 序就可以完成数据帧打包、解包、发送和接收，实现了以太网媒体访问控制器 ( m e d i aa c c e s sc o n t r o l l e r ，m a c ) 的作用。 f e c 可通过m i i 接口与片内或外接的e p h y 进行通信，通过内部集成的d m a 控制器与缓冲区进行数据交换，f e c 与e p h y 兼容，都使用片内的系统时钟。 与通用的网卡一样，f e c 可以设置为1 0 1 0 0 m b p s 、半全双工模式，并支持自动 协商功能，具体特性如下所述： ( 1 ) 1 0 1 0 0m b p s7 线接口，与i e e e 8 0 2 3 兼容； ( 2 ) 内置f i f o 和d m a 控制器； ( 3 ) 可编程最大帧长，支持i e e e 8 0 2 1v l a n 标签和优先级； ( 4 ) 支持i e e e 8 0 2 3 全双工流量控制； ( 5 ) 支持5 0 m h z 最小系统时钟的全双工操作( 2 0 0 m b p s 吞吐量) ； ( 6 ) 支持2 5 m h z 最小系统时钟的半双工操作( 1 0 0