基于DM9000A的DSP以太网接口设计与实现

 摘要：为了实现DSP与外围设备进行以太网数据通信，采用了一种基于网络控制芯片DM9000A的DSP以太网接口实现方式。它以TI公司的DSP处理器TMS320F28335和DM9000A网络芯片为硬件平台，通过DSP总线控制DM9000A内部寄存器，完成DM9000A的初始化以及底层以太网数据的发送接收，并对TCP/IP协议进行裁剪，包括IP，ARP，ICMP，UDP和TCP等协议，实现了适用于DSP设备的以太网数据通信功能。

DSP(Digital Signal Processor)是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。它强大的数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。随着网络技术的发展，在工业控制、智能仪器、智能家庭等领域，越来越多的DSP设备要求具有以太网通信功能，以便与外部网络设备进行数据通信。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。本文采用处理器+以太网控制芯片+TCP/IP协议的DSP以太网接入方式，设计并实现了基于DSP的精简TCP /IP协议栈，并固化在DSP内，无需操作系统也可运行。

1 总体设计

本系统使用32位DSP处理器TMS320F28335和以太网控制芯片DM9000A为核心，DSP控制整个系统的运行，DM9000A实现网络传输的底层功能。并对TCP/IP协议栈自行裁剪，构成了DSP的以太网接口，实现了网络通信。其系统总体框图如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 DM9000A功能结构

DM9000A是DAVICOM公司推出的一款高度集成、低成本的快速以太网控制器，实现以太网媒体介质访问层(MAC)和物理层(PHY)的功能。该芯片具有通用的处理器接口，片内集成了10/100M自适应的PHY，内部含有16 KB SRAM用于接收/发送的FIFO缓存，3.3 V供电，并且支持IEEE 802.3以太网传输和8/16接口的两种主机工作模式协议。功能结构如图2所示。

2.2 接口电路的连接

接口电路主要由DSP、以太网控制芯片DM9000A、隔离变压器和RJ-45构成。DSP控制整个系统的运行，DM9000A实现以太网数据的底层传输。隔离变压器的主要作用：其一，可以增强信号，使其传输距离更远;其二，使芯片端与外部隔离，增强抗干扰能力，并对芯片端起保护作用;其三，当接到不同电平(如有的PHY芯片是2.5 V，有的PHY芯片是3.3 V)的网口时，不会对彼此设备造成影响。RJ-45接口可用于连接RJ-45接头，适用于由双绞线构建的网络，这种是最常见的以太网接口。DM9000A采用16位接口模式，数据地址复用总线D0～D15与DSP总线XD0～XD15相连;DM9000A的写信号引脚与DSP的XWE0n相连;读信号引脚与DSP的读引脚相连;DM9000A的片选信号引脚与DSP的CS0n相连;DM9000A的访问类型引脚CMD与DSP的普通I/O口GPIO61相连，高电平访问DM9000A的数据端口，低电平访问地址端口;DM9000A的复位引脚与DSP的GPIO 60相连;DM9000A的物理层接口TX+，TX-，RX+，RX-通过隔离变压器连接RJ-45至以太网。其以太网接口硬件连接如图3所示。

3 系统软件设计

网络接口的软件主要有DM9000A驱动程序设计和上层通信协议程序设计两个部分。DM9000A驱动程序设计主要是通过TMS320F28335控制总线配置DM9000A内部寄存器，完成对DM9000A初始化、以太网数据帧的发送和以太网数据帧的接收三部分。上层通信协议程序设计是对TCP/IP栈裁剪移植，主要完成对接收到的以太网数据帧进行解析并处理，并把要发送的数据封装成以太网数据，然后发送。

3.1 DM9000A驱动程序设计

3.1.1 DM9000A初始化

DM9000A正常工作需要在上电后对内部寄存器进行初始化，具体流程如下：

(1)启动PHY。设置通用寄存器GPR(1FH)的GEPIO0=0。

(2)进行两次软启动。设置网络控制寄存器NCR(00H)的RST=1，10μs后RST=0，同样的操作进行两次。

(3)选择网络模式。设置NCR的LBK=00，设置网络工作模式为正常模式。

(4)清除发送标志。设置网络状态寄存器NSR(01H)WAKEST=1，TX2END=1，TX1END=1。

(5)写6 B的以太网节点地址到物理地址寄存器PAR(10H～15H)中。

(6)设置中断屏蔽寄存器IMR(FFH)的PAR=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;PRI=1，使能数据包接收中断。

(7)设置接收控制寄存器RCR(05H)的WTDIS=1，看门狗定时禁止;DSI_LONG=1，丢弃长数据包;DIS_CRC=1丢弃CRC校验错误的数据包;RXEN=1，使能接收功能。

初始化流程如图4所示。

完成上述初始化步骤后，DM9000A就处于正常工作状态，可以收发数据包。若有异常发生，就需要重复上述步骤，重启DM9000A以使芯片恢复到正常状态。

3.1.2 数据帧发送

DM9000A内部有16 KB的SRAM作为接收/发送数据的缓存区，其中前3 KB的空间，地址从0x0000H～0x0BFFH，用来缓存需要发送的数据。

数据发送的具体步骤如下：

(1)利用写操作寄存器MWCMD(F8H)，将需要发送的数据帧写入DM9000A的发送缓存区。

(2)将数据帧长度写入长度寄存器TXPLL(FCH)和TXPLH(FDH)。

(3)设置发送控制寄存器TCR(02H)，TXREQ=1，数据帧开始发送。

(4)检查网络状态寄存器NSR(01H)的TX2END和TX1END位，判断此帧数据是否发送完。

数据帧发送流程图如图5所示。

3.1.3 数据帧接收

当DM9000A数据接收使能后，DM9000A就会自动接收数据。DM9000A接收到的数据先保存在地址从0x0C00～0x3FFF的13 KB内部SRAM缓存空间中，它是一个环形结构。

利用寄存器MRCMDX(FOH)和寄存器MRCMD(F2H)可获取缓存中的数据帧信息。接收到的数据帧格式如图6所示。

其中第1个字节是接收数据标志字节，表征接收到数据帧是否有效。第2个字节是接收数据帧的状态字节，其中的内容与接收状态寄存器RSR中的内容相同，可以用来判断所接收的数据帧是否正常。第3，4个字节是接收到数据的长度字节，其中低位在前，高位在后。从第5个字节开始的数据才是真正数据帧内容。

数据接收过程如下：

(1)检查中断状态寄存器：ISR(FEH)，若PRS位为1，说明有新的数据帧接收，写1清除PRS位;若为0，说明无数据，直接返回。

(2)读取第1个字节，即接收数据标志字节。如果该字节为01，则表示接收下来的是有效数据帧;如果该位为00则表示没有数据到达，或数据已经接收完成;如果既不是01又不是00，则认为有异常发生，这时就要将DM9000A芯片重启以使芯片恢复到正常状态。

(3)读取第2个字节，即接收状态字节。根据接收状态字节判断所接收的数据帧是否正常。

(4)读取第3，4字节，即数据帧长度字节。

(5)读取真正的数据帧内容。

(6)根据获取的长度信息，判断是否读完一帧。如果读完，接着读下一帧，直到遇到首字节是00H的帧，说明接收数据已读完。

数据帧接收流程如图7所示。

3.2 上层通信协议程序设计

TCP/IP协议模型可以分为四个层次，从下到上依次为：链路层、网络层、传输层和应用层。每一层都有不同的功能，低一层为高一层提供服务。

标准的TCP/IP协议栈对处理器的计算、存储要求比较高，然而，DSP系统的计算资源和存储资源通常是非常有限，在DSP中实现标准的TCP/IP协议栈将占用大量系统资源，不利于DSP其他方面的应用，因此必须对它进行简化并优化，尽可能做到代码精简，降低存储开销。本系统设计和实现了TCP/IP通信协议的必要部分，包括：ARP，IP，ICMP，TCP，UDP等协议。

ARP(地址解析协议)为IP地址到对应的硬件地址之间提供动态映射。IP协议是TCP/IP协议的核心，所有的TCP，UDP，ICMP的数据都是以IP数据格式传输的。ICMP(网络控制报文)是用来传递差错报文以及其他需要注意的信息，有各种类型的ICMP报文，本文只用到ICMP的请求回显(类型字段为8、代码字段为0)。TCP提供一种面向连接的、可靠的字节流服务，交换数据之前必须先建立一个TCP连接，即“三次握手”UDP是一个简单的面向数据报的传输层协议，它把应用程序传给IP层的数据发送出去，但是并不保证他们能到达目的地。在链路层，当DM9000A完成一个以太网数据帧接收后，将其读入暂存数组，检查以太网帧类型字段，该字段值为0x0806，表示数据帧为ARP帧;该字段的值为0x0800，表示数据帧为IP帧。接着，分别交由ARP协议处理模块或IP协议处理模块。编程时使用框架如下：

if(完成以太网数据帧接收)

{ if(以太网类型字段==0x0806)

{ARP处理模块}

if(以太网类型字段==0x0800)

{IP处理模块}

}

网络层收到的为ARP数据报，ARP根据操作字段(ARP请求为1，ARP应答为2)，或者发送ARP应答或者更新ARP地址映射表。若为IP数据报，IP协议处理模块对数据包解析后，IP首部协议字段若为1就将数据交给ICMP协议处理模块，若为6则交给TCP处理模块，若为17则交给UDP处理模块。传输层得到UDP的报文后，按照UDP协议中的端口，分别送给不同的应用层序。若传输层得到的是TCP报文，则要根据TCP的状态转换图进行处理。在TCP或UDP的处理模块中，根据目的端口号，分别将数据送往不同的用户应用程序。其工作流程如图8所示。

4 结语

本文把高度集成、低成本的快速以太网控制器DM9000A与数据处理能力强大、高运行速度的DSP(TMS320F28335)相结合，设计出了一种DSP的以太网接口。实验结果表明，DSP系统可以通过该接口实现以太网数据通信，经自行裁剪的TCP/IP协议栈，不仅实现了IP，ARP，ICM P，TCP和UDP协议，而且提高了数据传输效率。该接口具有硬件接口简单、外围器件少、运行稳定可靠、性价比高等特点，同时也能够满足测试、采集等高速数据传输系统的要求，符合当今DSP设备趋于网络化发展的方向。