由网络协议栈芯片W3100A构成的TCP/IP处理平台

    摘要：详细介绍一种基于AT91M40800 ARM7处理器和W3100A芯片的网络处理平台的设计与实现。在概述嵌入式网络的前景之后，提出一种TCP/IP网络处理平台的方案，并详细分析这种平台的硬件模块设计、软件模块设计与实现。

    关键词：TCP/IP AT91M40800 网络协议栈芯片 W3100A

引言

越来越多的人已经认知到后PC时代的到来，越来越多的嵌入式产品走到了现实应用的前台。嵌入式产品从出生到繁荣一直秉承着与应用紧耦合这个宗旨。过去它们基本上都是独立的工作，最多是通过485、CAN总线之类的互相交换信息；但随着信息时代的信息大爆炸的到来，这些简单的传递内部少量信息的方案已经不能够能很地满足实现的市场需求，越来越多的嵌入式产品有了与Internet互连、进入互联网这个浩瀚的信息库的要求。嵌入式Internet技术是一种将嵌入式设备接入Internet的技术。利用该技术可将Internet从PC机延伸到8位、16位、32位单片机，并实现基于Internet的远程数据采集、远程控制、自动报警、上传/下载数据文件、自动发送E-mail等功能，大大扩展Intenrt的应用范围和嵌入式产品触及的领域。为此本人提出一种基于W3100A芯处的TCP/IP网络处理开发平台的方案，并予以实现。

1 嵌入式网络处理平台方案的介绍

目前，国内外嵌入式网络处理平台基本上是采用软件来实现TCP/IP协议栈。这种方案在大批量生产时，具有成本低的优点。因为用软件设计的TCP/IP协议栈，是一次投次多次使用；但这种方案开发周期比较长，对开发人员的要求高，要求对操作系统和TCP/IP协议都要有一定程度的熟悉，并且高档MCU和RTOS的价格也很高。为此本人提出了一种直接利用TCP/IP协议栈芯片的实现方案。它由W3100A、RTL8201、AT91M40800组成，如图1所示。这种方案，尽管在大批量生产时成本高，因为每个智能设备都要嵌入TCP/IP协议栈芯片；但是在非大批量生产时个有设计简单、灵活的特点，因为不需要实时操作系统的支持，并且在本人给出的各种工具和芯片厂商提供的函数库的支持下可以实现上一种方案能实现的绝大部分功能。

2 W3100A的介绍

W3100A是TCP/IP协议芯片。它有如下特点：首先，自带TCP/IP协议栈（如TCP、UDP、Ipver.4、ICMP、ARP、DLC、MAC协议）；其次，能同时支持四个独立的连接通道，具有高速传输速率，同时，具有与MCU和物理层电路接口。虽然数据手册中只提取了Intel和Motorola的MCU，但是经过笔者的实际证明，W3100A对Atmel的AT91M400800也能很好的支持。W3100A还提供了Socket应用程序编程接口，为那种需要进行因特网连接的智能设备，提供了一种简便、廉价、高效的方案。其功能框图如图2所示。

W3100A的寄存器分成四类：①与控制寄存器相关的命令、状态和中断寄存器；②设置网关地址、子网掩码、源IP地址、源硬件地址和超时变量的关系寄存器；③管理发送和接收数据的指针寄存器；④控制每个通道操作的通道寄存器。

    W3100A的0X4000～0X5FFF为发送数据缓冲区，该缓冲区只能写不能读；0X6000～0X7FFF为接收数据缓冲区，只能读不能写。

W3100A与MCU的接口包括直接总线模式、非直接总线模式和I2C接口模式。第1种是15根地址线全部与MCU相连；第2种只要0、1两根地址线与MCU相连，2、3地址线接高电平，剩下的地址线全部接地；第3种方式是把W3100A当作I2C设备来使用，其中8～14地址用来提供I2C设备的地址。这里使用了第2种方式与MCU相连。其中这些模式的选择由MODE0、MODE1、MODE2三个引脚的电位所决定。

3 硬件电路设计

如图1所法，本电路主要由基于ARM7的AT91M40800、W3100A、RTL8201来实现网络的功能，但是本系统设计的目的是实现一个嵌入式TCP/IP网络开发平台，以便使工程师把精力从大量的底层细节开发转移到面向应用的层面上来，所以硬件电路外扩了SDRAM、Flash、LED、KEYBARD、RS232等接口电路。其中Flash、SDRAM、W3100A分别占用CS0、CS1、CS2三个地址空间。LED、KEYBARD共占用CS4一个地址空间。SDRAM使用了16位数据线的方式，Flash、W3100A都使用了8位数据线的方式。AT91M40800接口电路如图3所示。SDRAM、Flash都提供了较大的剩余空间，以便将来用户在其上开发自己的用户程序。其中Flash片选线为NCS0，8位数据总线宽度，初始化程序将其基地址定位在0x01000000，地址范围是0x01000000～0x011FFFFF。系统使用了2片SDRAM，其片选线为NCS1，再使用SN74HC139D分别进行片选，初始化程序将其基地址定位在0x02000000，地址范围是0x02000000～0x02FFFFFF。除此以外，AT91M40800还有8KB的内部RAM，32位数据总线宽度，在初始化结束后，重射定位在0x00000000。

W3100A片选线为NCS3，8位数据总线宽度，初始化程序将其基地址定位在0x0300000，其硬件连接如图4所示。由于采用了第二种接入方式，只需用到四个地址寄存器地址，且偏移量分别为0x0c、0x0d、0x0e、0x0f，所以其地址范围为0x0300000C～0x0300000F。W3100A与主MCU的通信采用中断方式，其INT引脚接到AT91M40800的P9/IRQ0的引脚，以实现中断触发。其中W3100A与AT91M40800分别进行复位，以便分别调试。

图3

    为了便于用户在平台上开发自己的应用程序，本人在平台上面实现了初始化和调试程序代码。系统提供了两个DB-9插头，分别连接到AT91M40800的UART0和UART1：一个用于与笔者的调试程序实现通信，一个用于用户其它调试应用。在系统上还使用了一个拨码开关，以便用户执行自己的应用程序和对Flash进行编程保护，。

其中拨码开关的1、2脚分别接高、低电平并且与AT91M40800的P23脚相连，以决定MCU初始化后执行程序的起始地址；3、4脚分别接高电平和AT91M40800的NWR0/NWR引脚，并且与Flash的写使能脚相连，以决定Flash是否可编程。

4 软件模块设计

本系统中软件主要包括三大部分：AT91M40800的初始化代码、监控程序的目标板与PC平台的实现、Flash的编程实现。

4.1 AT91M40800的初始化模块

在这个模块里，主要以目标板的硬件设计为基础，实现MCU的寄存器初始化、异常向量表的初始化、异常处理程序和各种处理器模式下的堆栈的分配并实现重映射。然后，把系统运行权交给监控程序或者是用户的应用程序（由拨码开关来实现）。其中寄存器初始化既包括ARM7核内的寄存器的初始化，也包括AT91M40800芯片内外围寄存器的初始化，具体的有R15、EBL_CS0、EBL_CS1、EBL_CS2、EBL_CS3、AIC_SVR0、PIO_IDR、PIO_PDR、US_CR等。这里的代码部分全部是用ARM的指令集来实现。为了增加源程序的可读性、可移植性，将寄存器的地址和数据全部重定义命名，如addr_SVR8 EQU 0x0202000,CODE_SVR8 EQU 0x01010000,CODE_SVR8_END EQU 0x01011000。

4．2 监控程序的实现

监控程序可以实现以下几个功能：显示处理器各状态下寄存器的值，修改指定地址的SDRAM、FlashROM中的内容，查看指定地址的存储器中的内容，将用户编写的代码下载到目标板指不定期地址的SDRAM、FlashROM中，从指定地址开始执行用户代码，支持用户设置的软件中断。

    监控程序包括两部分：一是运行在目标板上的程序，二是运行在PC机上的应用程序。目标板上的程序实现与PC机上程序的交互操作，并按照PC机上程序的指令要求来完成读写寄存器、SDRAM、Flash和执行指定地址的代码程序。这段代码也是用ARM指令集来实现的，它与PC机的交互是使用指定ASCII码字符的方式来实现的。比如，按下PC机上的Memory按钮以后，PC机将发送一个V字符，这些信息将以ASCII码的方式通过串口发送到目标机上。当目标板上的监控程序收到V字符后，马上跳转到Memory标号段，在这段程序中回应一个OK。PC机收到OK后，就发送地址信息，目标板上的监控程序收到地址后紧接着就处理相应的要求。PC机端的应用程序是使用VB开发环境来实现的，其界面如图5所示。它提供给用户一个交互的界面。这样开发工具给那些没有昂贵的ARM仿真器的用户提供了一个较为简便的调试方法。

4.3 Flash的编程实现

Flash的编程作为一个独立的代码部分与调试程序代码部分协同工作，使用C语言来实现，并最终与前两个部分链部到一起。它主要由以下几个部分组成：Flash编程模块void Program(void);擦除整个Flash芯片Void EraseAll(void)；擦除扇区void EraseSector（void）；擦除一个扇区int OneSectorErase(ulong targetAddr)；空字节检查int BlankCheck(ulong targetAddr,ulong targetSize);编程结果校验int Verification（ulong targetAddr,ulong limit,ulong srcAddr）；等待延时int Wait(ulong tAddr).其中擦除与编程操作利用AM291V160D的指令字就可以完成。空字节检查是读出Flash中的数据并且与0xFF比较得到结果。编程结果校验是在编程结束后调用的函数，它是通过读出Flash当中的数据与源数据相比较的方法来实现的，以确保编程结果正确。由于擦除操作与编程操作需要一定的时间，为了保证擦除与编程操作的正确性和判断它们所处的阶段，一般Flash芯片都提供三种判断方法：一是应用引脚电平方式，二是采用TOGGLE位的方式，三是采用POLLING位的方式。这里在等待延时程序中采用TOGGLE位和超时判断位DQ5相结合的方式来实现判断擦除编程操作的具体状态。具体的判断算法流程可以参考AM291V160D的数据手册。

4.4 函数库的支持

用户在开发自己的应用程序时，还有两个强大的函数库可以利用：一个是Atmel公司提供的AT91M开发库（在Atmel公司的主页上可以下载），另一个是Wiznet公司提供的W3100A的API函数（可在Wiznet公司的主页下载）。

结语

用户在采用此系统以后，可以免除对大量实时操作系统和底层TCP/IP协议细节的了解。应用本人提供的底层软件、工具和芯片厂商提供的开发库，将能够灵活、快速地实现自己的嵌入式上网方案和应用。此方案为加快用户的产品上市提供了一个不可多得的平台。