基于AM微处理器的嵌入 式以太网接 口

第3l卷第 1期 2005年 1月 电 孑 工 蠢 晡 ELECTR0NIC ENGINEER Vo1．3l No．1 Jan．2005 基于 ARM微处理器的嵌入式以太网接口 何 轩。，夏应清。，李 祥 (1．华中师范大学，湖北省武汉市430079；2．湖北经济学院，湖北省武汉市430065) 【摘 要】 介绍了一种具有较高性价比和发展前景的基于ARM微处理器的嵌入式以太网的设 计。首先介绍了ARM 内核的微处理器S3C44BOX的功能和特点，接着分析了以太网控制器芯片 RTL8019AS的性能，给 出了以 ARM为基础的嵌入式 系统与 10 Mbit／s常用以太网控制器芯片 RTL8019AS的硬件接口电路。在软件设计上，首先介绍了~C／OS lI实时操作系统在 S3C44BOX的移 植，并在此基础上给出了以太网控制器芯片RTL8019AS的初始化程序，最终实现了嵌入式以太网的数 据传输。 关键词：嵌入式系统，以太网，接口，ARM，微处理器 中图分类号：TP334．7 O 引 言 在电子设备日趋网络化的背景下，作为目前广泛 使用的以太网以及 TCP／IP已经成为事实上最常用的 网络之一，它的高速、可靠、分层以及可扩充性使 其在各个领域的应用越来越灵活，很多情况下运用以 太网和TCP／IP，能够简化结构和降低成本。但是，目 前关于嵌人式以太网的设计方案不是很多，而且大多 是基于单片机或DSP的，两者都存在要外扩很多外设 的问题，并且前者速度太慢，后者成本太高，这在一些 对设备尺寸要求很高的场合是不适用的。 本设计 中，采用 了基于 ARM 内核的微处理器 $3C44BOX的嵌人式系统，与 10 Mbit／s以太网控制芯 片RTL8019AS的接口电路和实现。 1 S3C44BOX芯片介绍 $3C44BOX是基于 ARM7TDMI内核的 16／32位 RISC处理器，功能强大，目前已广泛应用于手持设备、 因特网设备、网络、调制解调设备等领域。其主要特点 如下： a)拓展存储控制器(带 FP／ED0／SDRAM控制 器，片选逻辑)； b)8 kB高速缓存(cache)／SRAM； C)液晶显示器(LCD)控制器(可直接控制DSTN／ STN的各种灰度／256彩色LCD屏，最大支持分辨率为 1 600×1 6oo)； d)2通道 UART，波特率可高达 115．2 kbi~s，并 内置16字节FIFO，同时兼容Irda1．0规范； 收稿 日期：2004—10-28 · 72· e)12C接口、12S接口(音频数据接口)； f)71个通用 I／O端口和8个外部中断； g)5路脉宽调制(PWM)定时器和 1路内部定时 器； h)8通道 10位A／D转换器(采样速率为 100× 10 采样／s)； i)2路 GDMA和2路外围DMA； j)具有电源控制器、看门狗、实时时钟。 2 硬件电路组成 本方案硬件电路使用的芯片主要有微处理器 s3C44BOX、R砌 019AS、74LV138、FB2022(网卡变压 器)，其硬件框图如图1所示。 UU～Ul， SD0～SDI 5 _— — A9～A13 SA0~SA4 IPIN+ 4 7 3 EXINT3 1NT0 IPIN — 6 9 6 nOE IORB LD 3 10 2 nWE IoWB HD 1 12 I nRESET RSTRV FB2022 R3—4 A20 AEN A19 -tK0 I A18 -t s3 l nGCS1 $3C44BOX 74LV38 图1 S3C44BOX与以太网接口电路 $3C44BOX与 RTL8019AS的接 口采用 UTP RJ一 45。RTL8019AS与主机有3种接口工作模式：跳线方 式，网卡的I／O和中断由跳线决定；即插即用方式，由 软件进行 自动配置即插即用；免跳线方式，网卡的 I／O 和中断由外界的93CA6中的决定。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第31卷第1期 何 轩，等：基于ARM微处理器的嵌入式以太网接口 ·计算机与自动化技术 · 在嵌入式应用场合，如果不使用 93C46 EEPROM， 可以降低成本，同时又减少连线，因此，本文采用第 1 种方式，即跳线方式通过设置 RTL8019AS的65引脚 jP为高电平(接到 VCC或通过一个 10 kQ的电阻上 拉)来实现。 RTL8019AS是性价比高且带有即插即用功能的 全双工以太网控制器，它的主要特点包括：符合Ether— net lI与IEEE802．3标准；全双工，收发可同时达到 10 Mbit／s的速率，内置 16 kB的SRAM，用于收发缓 冲，减低对主处理器的要求；支持UTP、AUI、BNC自动 检测，还支持对 10BaseT拓扑结构的自动极性修正；允 许4个诊断LED引脚编程输出。RTL8019AS内部有 2块 RAM区，1块 16 kB，地址为0x4000一Ox7珊；1块 32字节，地址为OxO(~ 一0x001f。RA M按页存储，每 256字节为一页。 本方案 中将 RTL8019AS的 RAM 的前 12页 (0x4000一Ox4Bflt)作为发送缓冲区，后52页(Ox4eO0 — 0x7t~ff)作为接收缓冲区，第 0页只有 32个字节，用 来存储以太网的物理地址。 RTL8019AS具有 32个输出／输出地址，地址偏移 量为00H一1FH。其中00H一0FH具有 16个地址，为 寄存器的地址，寄存器分为 pageO、page1、page2、page3， 由RTL8019AS中的命令寄存器 CR中的PSI和 PSO 位来决定要访问的页。复位端口包括 18H一1FH共 8 个地址，用于RTL8019AS的复位。 3 软件设计 编写控制以太网接口程序的如下。 3．1 ．1CI／os 1I实时操作系统的移植 p．e／osⅡ是一种开放源码的实时嵌入式操作系统， 是一个可移植、可裁减、可固化的占先式多任务操作系 统，已被应用到多种微处理器上，其大部分源码是由 ANSI C语言编写的。 移植工作包括以下几个内容：设置 OS—CPU．H中 与处理器和编译器相关的代码；用 c语言改写 OS— COU — C．C中6个与操作系统相关的简单函数；用汇编 语言改写OS—CPU—A．ASM中的4个与处理器相关的 函数。 a)OS—CPU．H文件：OS—CPU．H包括#define、ty— pedef定义与CPU相关信息。由于进行不同处理的处 理器有不同的字长，所以 IzC／OS lI的移植包括一系列 的类型定义，以确保可移植性。如 INT16U数据类型 总是代表 16位无符号整数，将 IzC／OS lI移植到 32位 处理器上，也就意味着 INT16U实际被声明为无符号 短整型数而不是无符号整形数。 b)OS—COU—C．C文件：OSTaskCreatHook()、OS— TaskDelHook()、OSTaskSwhook()、OSTaskStatHook ()、OSTaskCreakHook()这些函数为用户定义，实际 需要修改的只有OSTaskStkIinit()函数。OSTaskStkI— init()用来初始化任务堆栈，初始状态的堆栈模拟发 生一次中断后的堆栈结构。由于在 ARM中堆栈是按 32位数据类型进行操作，所以堆栈数据类型 OS—STK 声明为32位无符号整数。 e)OS—CPU—A．ASM文件：这里要实现4个汇编 函数改写，即多任务启动函数中调用 OSSTartHightRdy ()、任务切换函数 OSCtxSw()、中断任务切换 OS— IntCtxSw()、时钟节拍服务函数 OSTickISR()。任务 切换函数 OSCtxSw()，由任务切换函数 OSJ'ASK_SW ()进入。如果任务执行了某个函数，其结果改变了当 前 任务 的状 态 (如 OSTaskSuspend()、OSTimeDly ())，或者改变了其他任务的状态(OSTaskResum()、 OSTimeDlyResume())，都要引起新的任务调度函数 (OSSched())执行 OSJ'ASK_SW()。OSIntCtxSw() 是在 ISR中被调用的，其代码与OSCtxSw()类似。 OSStartHightRdy()由OSStart()函数调用，功能是运 行优先级最高的任务。 OSTickISR()是时钟节拍中断，用户应该在 OS— Start()运行后，p,C／OS1I启动运行的第 1个任务中初 始化节拍中断。 3．2 初始化RTL8019AS 初始化部分完成 RTL8019AS在使用之前的初始 化工作：设置相关工作模式的寄存器，分配和初始化接 收及发送缓冲区，初始化网卡接收地址。 RTL8019AS的初始化代码如下： regO0=Ox21； ／／CR =Ox21； ／／STOPI NO — DMA regOe=0xc9； ／／DCR数据配制寄存器 16位远端数据 dma Temp=Reset _ Reg； Delay(1) Reset — reg=temp； ／／复位8019 Delay(1OO) ／／关闭对于配置存储器的支持 res00=0xel； ／／选中第 3页 regO1=0xe0： ／9346CR EEM1=EEM1=1 reg04=0xel； ／／eonfigl set IRQ bit regO1=0xel： ／／9346CR EEM1=EEM1=0 ／／木木木木木木木偶}止 8019木木木木木木木 regO0=Ox21； ／／CR =Ox21； ／／STOPINO — DMA regOb=0； ／／清除远程 DMA计数器的MSB regOa=0；／／清除远程DMA计数器的LSB ／／读取ISR，等待ISR，等待ISR&ISR_RESET，1．6ms · 73· 维普资讯 http://www.cqvip.com · 计算机与自动化技术 · 电 子 工 蠢 师 2005年 1月 for(I=0；I<0xfff；I++){ temp=reg07； if(temp&RTL8019一ISR—RST){ reg07=temp； break； } Delay(200)； } ／／如果超时没有收到8019的复位信号，表示 8019芯片有 硬件问题 if(I==Ox甜){ Uart _ Prinfff”Reset RT1名0l9 Fail． Please check your hardware．＼n’； return ； } regOd=0xe2； ／／TCR=0x02；开启回环模式 resoo=0x22： ／／CR=0x22；／／STARTINO — DMA Delay(20000)； ／／延时 ／／宰木木木宰木宰配置8019／／宰木木木枣木宰 reg0o=0x21；／／选择页0的寄存器，网卡停止运行，因为 还没有初始化 temp=resoo； ／／测试8019的寄存器能否工作 if((temp&0x21)!：0x21){ Uart — Prinff(”Write RTL8019 Fail＼n0； return ； } reg0e=0x49；／／DCR数据配置寄存器16位数据dma res0b=0； ／／清除远程DMA计数器的MSB resOa=0；／／清除远程DMA计数器的LSB resOe=0x04； ／／RCR resoa=0x02； ／／TCR=0x02回环模式 redo3=0x4c； ／／BNRY redoI=0x4C；／／寄存器Pstart re~o2=0x80； ／／Pstop reg07=0xff； ／／ISP resof= 0xO1： ／／IMR open rx interrupt interrupt 1 = = IRQ2／9 reso4=0x45； ／／TPSR resoo=0x61： ／／CR—STOP I CR— NO— DMA I CR— PAGE1／／ 选择 1的寄存器 ／／初始化物理地址 GetMae(mac)； GetMae(1llae)； ／／初始化组播地址EtherlnitMar()； reg07=0x4d； ／／CURR resoo=0x21； ／／move back to page 0 · 74· resO0=0x22； ／／选择页0寄存器，网卡执行命令 regOd=0xO0； ／／TCR — NO _ LOOPBACK reg07=0xff； ／／ISR ／／配置结束 EtherNetOpenlnterrupt()； ／／设置中断 EtherSetRegPage(0)： ／／选择页面0 3．3 传输数据包 发送部分只要把数据写入缓冲区，启动执行命令， RTL8019AS自动发送。一般在 RAM内开辟两个以太 网数据包的空间作为发送缓冲区。作为一个集成的以 太网芯片，数据的发送校验、总线数据包的碰撞检测与 避免是由芯片自己完成的，只需要配置发送数据的物 理层地址、源地址、目的地址、数据包类型以及发送的 数据就可以了。 3．4 接收数据包 接收部分完成数据接收任务。RTL8019AS接收 到以太网数据包后自动存在接收缓冲区并发出中断信 号，S3C44BOX在中断程序中通过 DMA即可接收到数 据，亦即通过远端 DMA把数据从 RTL8019AS的 RAM 空间读回ARM中处理。这里主要是对一些相关的寄 存器进行操作就可以了。 4 结束语 RTL8019AS芯片具有性价比高、连接方便等特 点，是进行嵌入式以太网设计时的首选的控制芯片。 本 文 介 绍 了 以 $3C44BOX 处 理 器 为 核 心、用 RTL8019AS作为网络接口芯片的嵌入式以太网接口 的具体软硬件方法。产品的性能高，价格适中，不仅可 用于工业现场实现现场节点的自动上网功能，而且可 以用于信息家电的以太网接口，可以实现远程控制，在 网上就可以控制家中的电器，具有很好的发展前景。 参 考 文 献 [1]S3CA510B Datasheet．Samsung．http：／／www．Samsung．tom [2]RTL8019AS Datasheet．http：／／www．reahek．eom．taiwan [3]Jean J Labrosse．嵌入式实时操作系统~e／osII．北京：北京 航空航天大学出版社，2003 [4]马忠梅，马广云，徐慧英，等．ARM嵌入式处理器结构与应 用基础 北京：北京航空航天大学出版社，2002 [5]邓龙军，梁志坤，王泽芳．单片机在以太网通信中的应用． 广东工业大学学报，2001，18(4)：20～24 [6]田 泽，嵌入式系统开发与应用实验教程．北京：北京航空 航天大学出版社，2004 ． 维普资讯 http://www.cqvip.com