基于S3C4480X的嵌入式以太网接口设计

发布时间：2015-11-10 15:55 发布者：designapp

　　引言
　　在互联网络和局域网络飞速发展的今天，计算机进行网络互联的同时，各种家电设备、仪器仪表、工业生产中的数据采集和控制正在走向网络化。以太网(Ethemet)由于它的普遍性及低廉的接口价格，因而已经作为一种最通用的网络，广泛应用于生产和生活中。另一方面，嵌入式设备在价格、体积及实时性等方面是通用计算机无法比拟的，也已广泛应用于自动化控制、数据采集、通信网络等领域。因此，嵌入式以太网技术有着广阔的前景，首先要解决的问题就是嵌入式以太网接口问题。
　　本文基于最常用的嵌入式处理器S3C44B0X和以太网驱动器RTL8019AS来设计了一款嵌入式以太网接口。本设计的特点是，既可仅用于嵌入式以太网驱动设备，方便简单，又可进行扩展其他模块，必要时可以移植操作系统，应用于其他复杂领域。本文从RTL8019AS的内部结构工作原理出发，介绍了基于S3C44B0X的硬件接口电路，详细说明了基于硬件层的驱动程序C语言的设计。
　　1以太网帧结构
　　一个标准的以太网物理传输帧由7部分组成：PR(同步位)、SD(分隔位)、DA(目的地址)、SA(源地址位)、TYPE(类型字段)、DATA(数据段)、FCS(帧校验)。
　　其传输帧结构(及各部分长度)如图1所示。
　　

　　除了数据段的长度不定外，其他部分的长度固定不变。数据段为46～1500字节。以太网规定整个传输包的最大长度不能超过1514字节(14字节为DA、SA、TYPE)，最小不能小于60字节。需填充时，填充字符的个数不包括在长度字段中;超过1 500字节时，需拆成多个帧传送。事实上，发送数据时，PR、SD、FCS及填充字段这几个数据段由以太网控制器自动产生;而接收数据时，PR、SD被跳过，控制器一旦检测到有效的前序字段(即PR、SD)，就认为接收数据开始。
　　2芯片简介
　　S3C44B0X是三星公司使用ARM7TDMI核生产的16/32位RISC(精简指令集计算机)处理器，它提供了丰富的内置模块，包括：8 kB Cache和内部SRAM，LCD(液晶显示器)控制器，2通道的UART，4通道的DMA(直接存储器存取)，存储器管理，带PWM(脉宽调制)的定时器，I/O口，8通道10位的A/D转换器，IIC、IIS总线，同步SIO接口和PLL(锁相环)倍频器，可根据需要进行接口扩展，并且价格低廉，目前已被广泛应用于嵌入式领域中。
　　RTL8019AS是在嵌入式领域应用广泛且性价比很高的网络控制芯片。RTL8019AS的主要性能有：符号EthernetⅡ与IEEE 802.3(10Base5、10Base2、10BaseT)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，降低对主处理器的速度要求;支持8/16位数据总线，8个中断申请线以及16个I/O基地址选择;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引脚可编程输出。
　　RTL8019AS可分为以下几部分功能模块：
　　a)远程DMA接口：处理器与RTL8019AS收发缓冲的连接通道，处理器只需对远程DMA操作。
　　b)本地DMA接口：RTL8019AS与网线的连接通道，完成控制器与网线的数据交换。
　　c)MAC(介质访问控制)逻辑：完成对远程DMA和本地DMA数据包传输、中断的产生等自动控制。
　　d)地址识别逻辑：将接收到的数据帧中的目的地址和地址寄存器中的地址进行比较，判断其是否为发到本地的帧。
　　e)CRC(循环冗余校验)产生校验逻辑：在发送数据时，产生CRC码，对接收帧进行CRC。
　　f)协议PCA：负责实施以太网规范。
　　RTL8019AS内部有16kB SRAM，分为64页，256字节/页，组成环形队列作为收发缓冲区，只能按页操作，页地址从0x4000～0x7FFF。可以通过相关的寄存器读写操作，可以对缓冲区进行设置及状态的读取。由于接收缓冲区是按页即256 B来操作的，与缓冲区地址有关的寄存器中只需存储缓冲区的高16位地址即可。在本设计中，将前32页(0x400～0x5fff)作为接收缓冲区，将后32页(0x6000～0x7ff)作为发送缓冲区。
　　RTL8019AS具有32位输入输出地址，地址偏移量为00H～1FH。其中，00H～0FH共16个地址为寄存器地址。远程DMA地址包括10H～17H，都可以用来做远程DMA端口，只要用其中的一个就可以了。复位端口包括18H～1FH共8个地址，功能相同，用于RTL8019AS复位。RTL8019AS的内部I/O基址是00H，但微处理器要访问8019的地址却不是00H，该地址是由处理器与网络控制器的连线决定的。
　　RTL8019AS寄存器分为4页，即PAGE0～PAGE3，每一页的地址偏移量均为0x00～0x1f由RTL8019AS的CR(命令寄存器)中的PS1、PS0位来决定要访问的页，每一页中的寄存器由SA0～SA3寻址。第0页和第1页的寄存器很重要，用于数据收发的控制和中断管理等，使用前必须对其进行配置。第2页和第3页只用于诊断和其他一些配置，很少使用。

　　3设计思路
　　首先，S3C44B0X通过RTL8019AS的I/O口，对其相关寄存器进行配置。在通信时，S3C44B0X与RTL8019AS的收发缓存器的数据交换由远程DMA控制，而RTL81019AS收发缓存器与以太网总线之间的数据交换由它的本地DMA控制。RTL8019AS通过中断的方式通知S3C44B0X数据收发的结果和状态，S3C44B0X通过查询中断状态寄存器的值，作出相应处理。
　　系统结构如图2所示。
　　

　　4接口电路设计
　　接口电路如图3所示。
　　

　　S3C 44B0X的nOE、nWE分别与RTL8019AS的IORB、IOWB相连，控制数据的读和写操作，低电平有效。RTL8019使用中断0，对应S3C4480的外部中断1。
　　RTL8019AS RTL8019AS有3种工作方式：
　　a)跳线方式：I/O和中断由跳线决定;
　　b)即插即用方式(PNP)：由软件进行自动配置，使用这种方法时，系统的启动程序必须包含支持PNP的函数;
　　c)免跳线方式：I/O和中断由外接的EEPROM93C46中的内容决定。
　　在本设计中，为了降低启动程序和接口电路的复杂性，选择跳线方式，故JP接高电平。
　　X1、X2分别为20 MHz晶振的输入输出端。LED0～2分别连接3个发光二极管，指示网络连接、数据传输和发送的情况。 20F001为网卡滤波器，内部包含一对低通滤波器和一对隔离变压器，其输出TX+/-、RX+/-与RJ45的信号口相连。
　　由于在本设计中RTL8019AS的AEN与S3C44B0X的nGCS2相连，所以对应S3C44B0X的存储器的起始地址0x0600-0000;并且，由于RTL8019AS的IOS0～IOS3接地，在跳线模式下，当IOS0～IOS1为0000时，RTL8019AS的基址为0300H。因此，在本设计中，S3C44B0X访问RTL8019AS的基址就是0x0600-0300。

　　5驱动程序设计
　　5.1程序设计思路
　　在本设计方案中，驱动程序主要包含3个函数，即系统的初始化函数、接收数据包函数、发送数据包函数。初始化部分完成RTL8019AS在使用之前的初始化工作，包括设置相关工作模式的寄存器、分配和初始化接收和发送缓冲区、初始化网卡接收地址等。
　　

　　MAR0-MAR7-多点地址寄存器：这8个寄存器的值是根据多播地址数组的值生成的，提供对多播地址的过滤，过滤掉一些不属于自己接收多播数据包。
　　这里均设为FFH，接所有多播地址的数据包：
　　

　　下面6条语句设置MAC地址，寄存器为PAR0～PAR5：实际地址寄存器，这些寄存用来对目标地址数据包进行比较，以确定接收或者拒绝接收。地址放在数组add[6]中。
　　

　　5.2数据的传输和发送
　　数据的传输和发送由本地DMA传输和与远程DMA传输两部分完成，前者大部分工作由RTL8019AS自动完成，我们要做的是设置收发缓冲区的大小及指针变量，这些工作在RTL8019AS的初始化时已完成，因此只需要编写远程DMA读写函数。对远端DAM口的读写，不同的只是数据传输方向，这里，仅以读操作为例，即编写从RTL8019AS接收缓冲区取数据包到S3C4480X。(注意：远程DMA的写函数，即向RTL8019AS发送缓冲区写数据函数--send_data()省略。)
　　

　　5.3以太网接口通信函数流程
　　这里采用中断和查询相结合的方式来决定是否发送和接收数据。当RTL8019AS的ISR(中断状态寄存器)的任意一中断位置位时，S3C4B0X都要对其进行中断相应(在这里只关注第0中断位和第1中断位，即分别反映RTL8019AS已正确接收到数据和已成功发送数据包，因此在初始化函数中将其他位屏蔽)。这时要对ISR进行访问，来判断是何种中断，进而作出相应的响应，如图4所示。
　　