基于DM 9000A的嵌入式以太网接口设计与实现

2011-03-15温阳东

合肥工业大学学报（自然科学版） 2011年4期

施勇，温阳东

(合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥 230009)

目前，网络技术在电子产品中的应用越来越广，更多的嵌入式设备需要提供网络接口，以方便与外部或上层网路设备的相互通信[1]。以太网是现在最为流行的局域网标准，在嵌入式系统中的应用已经越来越广泛。以太网接口不仅通信速度快，传输可靠，使用和配置方便，而且不受地域限制。以太网控制芯片是以太网接口的核心器件，其性能是影响网络性能的关键因素之一，如何正确使用网络控制器是设计以太网接口的关键。本文介绍了一种以高性能的以太网控制芯片DM 9000A和32位ARM处理器LPC2468为核心的嵌入式以太网接口的实现方法。

1 DM 9000A芯片介绍

DM 9000A[2]芯片是台湾DAVICOM公司推出的一款高度集成、功能强大、引脚少、性价比高的单片快速以太网控制芯片，非常适用于嵌入式系统设计。

DM 9000A主要特性是:集成10/100M物理层接口;内部带有16 K字节SRAM用作接收发送的FIFO缓存;支持8/16-bit 2种主机工作模式;支持802.3以太网传输协议;体积小，只有48个引脚;功耗非常低，单电源3.3 V工作，内置3.3 V变2.5 V电源电路，I/O端口支持3.3～5.0 V的容差。

DM 9000A实现以太网媒体介质访问层(MAC)和物理层(PHY)的功能，包括MAC数据帧的组装/拆分与收发、地址识别、CRC编码/校验、M LT-3编码器、接收噪声抑制、输出脉冲形成、超时重传、链路完整性测试、信号极性检测与纠正等。

2 硬件接口设计

LPC2468[3]是NXP公司2008年推出的含有以太网控制器的32位ARM 7TDM I-S处理器，运行频率高达72 MHz，98 kB片内SRAM，其中64 kB SRAM可供高性能CPU通过ARM局部总线访问，16 kB SRAM用于以太网接口，也可作为通用SRAM来使用。该芯片的以太网模块包含一个功能齐全的10 M b/s或100 M b/s以太网MAC(媒体访问控制器)，可以使用M II(媒体独立接口)或RM II的片外以太网PHY通过片内M IIM(媒体独立接口管理)串行总线进行连接，实现以太网功能。为实现在嵌入式系统中增加以太网口，本设计硬件部分采用嵌入式处理器+ DM 9000A结构[4]，如图1所示。

图1 LPC2468与DM 9000A硬件连接

DM 9000A有8位和16位2种模式，本系统采用16位模式，DM 9000A的EECS引脚(pin21)悬空，默认为16模式，数据线SD0～SD15直接与LPC2468数据线的低16位D0～D15连接，并且该模式可以通过ISR寄存器的Bit[7]检测。

DM 9000A的 IO读信号线 IOR、写信号线IOW分别与LPC2468的读信号线ARM-OE、写信号线ARM-WE相连;片选信号CS与处理器的片选信号ARM-CS0相连，因此网络控制器的端口地址IOaddress为0x83000000。读写信号与片选信号都是保持默认设置的低电平有效。隔离变压器的主要作用是将嵌入式系统与外部线路相隔离，防止干扰和烧坏元器件，实现带电的插拔功能。

在DM 9000A中只有INDEX端口与DATA端口2个寄存器可以被CPU直接访问，其它所有内部控制和状态寄存器都是通过这2个端口寄存器间接访问的。网络控制器CMD引脚决定了处理器访问的是哪个端口寄存器:当CMD=0时，主机访问的是INDEX端口寄存器;当CMD=1时，访问的是DATA端口寄存器。设计中将CMD引脚与处理器的地址线 ARM-A2相连，则DM 9000A的2个外部接口端口地址分别为:

INDEX端口地址=IOaddress+0x00，

DATA端口地址=IOaddress+0x04。

实际中INDEX端口寄存器保存的是访问DA TA端口寄存器的内部寄存器的地址，因此对DM 9000A控制或状态寄存器访问的命令顺序是:①写要访问寄存器的地址到INDEX端口;②通过DATA端口来读/写数据。

3 网络接口的软件设计

以太网接口电路的工作原理是:在系统上电时，处理器通过总线对DM 9000A完成初始化后，DM 900A进入数据收发等待状态;当处理器要向以太网发送数据帧时，先通过上层协议函数对数据进行封装，然后通过总线逐字节发送到DM 9000A的发送缓冲区中，将数据长度等信息填充到DM 9000A相应的寄存器中，使能发送命令后，DM 9000A自动将数据进行MAC组帧并发送出去;当接收到以太网数据帧时，处理器首先检测帧的合法性，保存正确的数据帧，然后将正确的数据帧发送到上层协议进行处理。

网络接口的软件设计主要有底层网卡驱动程序和上层通信协议2个部分[5]。网卡的驱动程序功能包括网卡芯片的初始化、以太网数据帧发送和接收。

3.1 网络接口模块的驱动程序设计

本设计的开发环境是ARM公司推出的ARM核微控制器集成开发工具ARM Developer Suite 1.2。在此开发环境下编写DM 9000A.h头文件和DM 9000A.c源文件作为网络接口模块的驱动程序。在DM 9000A.h头文件中利用宏定义了各个端口的地址、片内寄存器的片内相对地址以及片内寄存器各个位置上的信息，在DM 9000A.c源文件中直接调用宏定义即可。DM 9000A.c源文件主要函数有phy-read()、phy-w rite()、set-PH Y-mode()、InitNic()、DM 9000A-Init()、DM 9000A-Exception()、Send-Packet()、Rec-Packet()。

3.1.1 驱动初始化

为了启动网络控制器DM 9000A，使之处于数据接收发送就绪状态，必须对其进行初始化。首先是调用InitNic(void)函数，读取DM 9000A生产厂家序列号及产品序列号，然后调用初始化函数DM 9000A-Init(void)进行初始化[6]。主要是设置一些关键的寄存器，具体步骤如下:

(1)设置通用寄存器GPR(REG.1FH)的Bit[0](PHYPD位)为0，启动PHY。

(2)设置网络控制寄存器NCR(REG.00H)的Bit[0](RST位)为1，10μs后软件复位。

(3)设置NCR的Bit[2∶1](LBK位)为00，设置网络工作模式为回环模式。

(4)设置中断屏蔽寄存器IMR(REG.FFH)的Bit[7]为1，使能指针自动跳回，当SRAM读、写指针超过SRAM的大小时，指针自动跳回起始位置。

(5)写6个字节的以太网节点地址到物理地址寄存器PAR(REG.10H～15H)中。

(6)读、写1到网络状态寄存器NSR(REG. 01H)清除TX状态标志，读、写1到中断状态寄存器ISR(REG.FEH)来清除中断状态标志。

(7)设置IMR寄存器的Bit[0]/Bit[1]为使能接收/发送中断。

(8)设置接收控制寄存器RCR(REG.05H)的Bit[0](RXEN位)为1，使能接收功能。

完成上述初始化步骤后，网络控制器就可以正常启动，收发数据包。

3.1.2 数据包的发送

DM 9000A内部有16 kB的SRAM用来作为收发数据的缓冲区，其中地址从0x0000H到0x0BFFH的前3 kB空间用来作为发送数据缓冲区，在该数据缓冲区中可以同时保存2个完整的以太网帧。可将发送缓冲区看作2个独立缓冲区——Index1和 Index2;将该帧数据的长度写入长度寄存器TXPLH和TXPLL中;然后将发送控制寄存器TCR的bit[1]置位，启动发送该帧数据，DM 9000A自动对发送缓存区中的数据进行以太网组帧后，开始发送Index1中的数据。在发送Index1中数据同时，将下一帧数据写入Index2中，当Index1中的数据发送完成后，将Index2中数据长度写入长度寄存器，启动网络控制器发送Index2中的数据，同时将要发送的下一帧数据写入Index1。

发送函数Send-Packet()用于发送以太网帧。输入参数是结构-pkst指针，程序如下所示:

*STPTR为一个结构本身类型的指针，用于指向前一个结构;length为以太网帧的长度; *DAPTR为指向要发送的以太网帧头的起始地址。发送函数Send-Packet()的输入参数值是要发送的数据链表。

根据输入参数，获得整个需要发送的数据，然后发送，如果发送失败(因为冲突等原因)则重发6次直到成功。要发送的数据链表结构如图2所示。

图2 要发送的数据链表结构图

发送处理函数首先根据输入参数计算出需要发送的帧长度;软件把要发送的帧存入发送缓存块中;然后判断需要发送的字节数是否小于60，如果小于就设为60;最后设置发送寄存器，设置了发送寄存器后该帧自动被发送出去。发送完成后检查状态位是否发送成功，不成功就重新发送。其中设置发送寄存器函数比较复杂，首先检查发送缓冲区块是否为空;如果不为空，表明还有数据未发送，直接退出;如果为空，就将对应描述符数组的PACKET指针指向发送缓冲区块的起始位置;最后MWCMD寄存器加“2”，检测NSR寄存器完成标志位。发送数据包函数处理流程图如图3所示。

3.1.3 数据包的接收

接收到的数据先保存在DM 9000A内部SRAM中地址从0x0C00～0x3FFF的13 K空间中，它是一个环形结构。当使能数据接收功能后，DM 9000A就会自动接收数据，一旦它接收完一帧数据后就会产生一个接收中断。每个数据包的MAC头有4个字节信息存放在 RX FIFO SRAM中，用寄存器MRCMDX(REG.F0H)和寄存器M RCMD(REG.F2H)获取数据包的信息。接收到的数据包格式如图4所示。

图3 发送数据包函数流程

图4 数据包格式

图4前4个字节为MAC头，它包含了一个数据包的基本信息。第1个字节用于检测是否接收到数据包，01H表示接收到数据包，00H表示未接收到数据包。第2个字节保存接收包的状态信息，状态信息的高字节与RSR寄存器相同，通过这个状态信息来确认接收包的正确与否。第3、4字节是接收包的长度，其它字节是接收包的数据。

寄存器MRCMDX被定义为地址不增加的存储数据读命令寄存器，只用于从RX FIFO SRAM中读接收包准备标志“01”或最后字节的Bit[0]=1，而Bit[7:5]和Bit[4:2]分别表示IP/ TCP/UDP校验的状态和类型。接收数据包的流程如图5所示。

3.2 上层通信软件设计

为了实现嵌入式系统的网络互连，在上述的驱动程序之上，系统还必须要实现TCP/IP网络协议栈[7]。TCP/IP协议分为4层，即网络接口层、网络层、传输层和应用层，底层一般包含上层。数据包的发送是由上层协议函数调用下层协议函数来进行的。

(1)以太网层的数据收发。以太网的数据接收函数Rec-Ethernet-Packed()由驱动的Rec-Packet()调用，它的输入参数是以太网帧数据包的其实地址和网络接口号。在 Rec-E thernet-Packed()中调用了结构eip，该结构在IP.H文件中定义了IP报的报头。

图5 接收数据包函数流程

首先Rec-Ethernet-Packed()函数通过传递函数参数获知该帧的类型是IP报还是ARP报，然后分别调用IP处理函数和ARP接收处理函数。另外，在调用 IP处理函数之前还要进行ARP表的更新工作。其中，ARP表包含3个单元:生存时间(TTL)、IP地址、IP地址对应的MAC地址。ARP表项的添加和维护由ARP处理程序和以太网层的接收函数来完成。以太网接收函数流程图如图6所示。

图6 以太网接收函数流程

数据包的接收与数据包的发送是一个相反的过程。上层的TCP处理函数或SOCKET接口函数都是通过调用Send-Ip-Frame()函数来发送IP报的，而Send-Ip-Frame()函数调用Send-Ip-To-LLC()函数来处理IP地址对应MAC地址，Send-Ip-To-LLC()函数再调用Send-ethernet-Frame()函数，把对应的MAC地址写入发送区，最后调用驱动程序发送函数Send-Packet()。

(2)IP层。IP协议处理主要针对IP协议层的处理，包括对接收到的IP报分类、根据上层的信息封装和发送IP报等[8]。

IP报发送函数Send-Ip-Frame()主要由上层协议的处理函数调用，负责IP层的数据封装以及把数据传递给以太网层的发送函数。IP层的数据接收函数是IP-PROCESS()，它由以太网层的接受函数Rec-E thernet-Packed()调用，其输入参数是IP帧数据包的起始地址和网络接口号。IP-PROCESS()函数在执行过程中，首先通过传递参数获得该数据报的报头长度和总长度(IP报头+有限负载)，然后向RECQ结构数组填写相关的信息，最后通过IP报中的协议字段来判断有限负载中上层协议的类型进行处理。

(3)TCP层。传输控制协议(TCP)是一种功能完备的面向连接的传输协议，具有流控制、传输确认和重传机制[9]。在数据传送之前必须先建立TCP连接，待所有数据传送完毕后，再终止连接。TCP协议是一个比较复杂的协议，它与SOCKET接口关系非常密切。TCP完成接收处理而SOCKET负责发送处理。

TCP协议的每个连接都由4个标志(服务器IP地址、服务器TCP端口、客户机IP地址、客户机TCP端口)作为它唯一标识。在进行数据传输前，服务器与客户机之间必须使用TCP连接的建立过程，建立连接成功后，再进行数据传输。终止连接也要使用 TCP连接中断过程关闭连接。TCP共有11种连接状态，正常连接和断开的状态变化如图7所示。

图7 TCP连接状态变化过程

TCP接收处理函数 Tcp-Process()的任务主要是把接收到的TCP报文连接分类，然后根据该连接所处的状态调用状态处理函数进行处理。首先判断该TCP报是否过长，然后把TCP报(TCP报头+有效负载)从接收缓存区(RECBUFF)复制到TCP接收缓冲区(Tcp-Packed)。接着检查结构体数组 TcpStatus中的 IP和PORT单元，查看是否有对应的连接已经建立从而得到 TcpStatus的序号。如果有，则根据该TcpStatus得State发送到对应状态处理函数;否则，检查TcpStatus的M yport单元，查看是否有监听对应的端口。若有，则发送到Tcp-Listen()函数处理;否则，证明该端口没有被监听，或监听的连接数已经满了，就发送RST-ACK包给对方。