基于ARM微处理器的嵌入式以太网接口设计

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协议已经成为事实上最常用的网络标准之一，它以高速、可靠、分层以及可扩充性使得它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，目前关于嵌入式以太网的设计方案不是很多，在这不多的方案中，大多是基于或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，后者成本又太高，这在一些对设备尺寸要求很小的场合是不行的。

本设计中，采用了基于ARM内核的微处理器为基础的嵌入式系统与10MB以太网控制芯片的和实现方法。

芯片的介绍是基于内核的16/32位处理器。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。

1)拓展存储控制器(带FP/EDO/控制器，片选逻辑)。

2)8KBCache/。

3)控制器(可直接控制/STN的各种灰度/256彩色屏，最大支持分辨率为16001600)。

4)2通道，波特率可高达115200B/s，并内置16字节，同时兼容Irdal.0规范。

5)I2C和I2S接口(音频数据接口)。

6)71个通用I/O端口和8个外部中断。

7)5路PWM器和1路内部器。

8)8通道10位ADC(采样速率为100Kbit/s)。

9)2路GDMA/2路外围DMA。

10)电源控制器。

11)看门狗。

12)实时时钟。

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、、和(网卡)，其硬件框图如附图所示。处理器S3C44BOX与的接口采用UTPRJ-45接口。RTL8019AS与主机有三种接口工作模式：

＊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plugandplay。

＊免跳线方式，网卡的I/O和中断由外界的里的内容决定。

在嵌入式应用场合，如果不使用的话，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，即通过设置RTL8019AS的65脚jp为高电平(接到Vcc或通过一个10kΩ的上拉电阻)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Ⅱ与IEEE802.3标准；全双工，收发可同时达到10Mbit/s的速率；内置16KB的，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个诊断引脚编程输出。RTL8019AS内部有2个RAM区：1块16KB，地址为0x4000～0x7fff；1块32B，地址为0x0000～0x001f。RAM按页存储，每为一页。

本方案中将RTL8019AS的RAM的前12页(0x4000～0x4Bff)作为发送缓冲区，后52页(0x4c00～0x7fff)作为接收缓冲区，第0页只有32B，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～1FH。其中00H～0FH具有16个地址为寄存器的地址，寄存器分为page0～page3，由RTL8019AS中的命令寄存器CR中的PS1和PS0位来决定要访问的页。复位端口包括18H～1FH共8个地址，用于RTL8019AS的复位。

软件设计

编写控制以太网接口程序的步骤。

(1)μC/OSⅡ实时操作系统的移植

μc/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ANSIC语言编写的。

移植工作包括以下几个内容：a.设置：OS_CPU.H中与处理器和编译器相关的代码。b.用C语言改写OS_CPU_C.C中６个与操作系统相关的简单函数。c.用汇编语言改写OS＿CPU＿A..ASM中的4个与处理器相关的函数。

1)OS＿CPU.H文件包括#define、typedef定义与CPU相关信息。因不同的处理器有不同的字长，所以μC/OSⅡ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μC/OSⅡ移植到32位处理器上，也就意味着INT16U实际上为无符号短整型数而不是无符号整型数。

2)OS＿CPU＿C.C文件OSTaskCreatHook()、OSTaskDelHook()、OSTaskSwhook()、OSTaskStatHook()、ＯSTaskCreakHook()，这些函数为用户定义，实际需要修改的只有OSTaskStkIinit()函数。OSTaskStkIinint()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位数据类型来进行操作，所以堆栈数据类型OS＿STK声明为32位无符号整数。

3)OS＿CPU＿A.ASM文件这里要实现4个汇编函数改写：多任务启动函数中调用OSSTartHightRdy()、任务切换函数OSCtxSw()、中断任务切换OSIntCtxSw()和时钟节拍服务函数OSTickISR()。任务切换函数OSCtxSw()，由任务切换函数OS＿＿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()]，或者是改变了别的任务的状态[OSTaskResum()、OSTimeDlyResume()]都要引起新的任务调度函数[OSSched()]执行OS＿＿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OSStart()运行后，μC/OSⅡ启动运行的第一个任务中初始化节拍中断。

(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，分配和初始化接收和发送缓冲区，初始化网卡接收地址。

(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2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。

(4)接收数据包

它是完成数据接收任务，RTL8019AS接收到以太网数据包后自动将其存在接收缓冲区并发出中断信号，S3C44BOX在中断程序里通过DMA就可接收到数据，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。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S3C44BOX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。