基于ARM9的嵌入式网关的研究

摘   要：介绍了一种基于ARM9的嵌入式以太网的设计方案。基于ARM内核微处理器S3C2410的功能特点及其外扩组成部分，分析了以太网控制器芯片RTL8019AS的性能以及与S3C2410的接口。在软件设计上，分析了BootLoader的作用，介绍了Linux的移植，并给出了通信程序的流程图，实现了嵌入式以太网的数据传输。
关键词：嵌入式系统；网关；ARM；移植

    引　言

    无所不在的网络给网络接入设备带来了巨大的发展机遇。而随着网络接入市场的迅速增长，嵌入式网络接入开始成为嵌入式系统技术中最令人关注的一个领域。在嵌入式网络技术的推动下将会形成这样一个局面：在网络上传输的信息中，将有70%的信息来自嵌入式系统，也许将有数以亿计的汽车、通信设备、家用电气以及工厂系统接入到不同网络中，然后再组成一个庞大的Internet互联网。为此，本文研究了一种基于ARM芯片和嵌入式操作系统Linux，在以太网与RS -485总线之间的进行数据交换的嵌入式网关，以满足嵌入式设备的网络化功能需求。

    硬件平台设计

    设计的嵌入式网关以ARM920T为核心的S3C2410微处理器，通过外扩存储器、以太网口、串口、JTAG调试接口等构建硬件平台，其硬件结构框图如图1所示。

    CPU设计

    CPU是整个嵌入式系统的实时控制核心，它在工业以太网中作为智能节点的主控制器，是整个嵌入式网关的核心。本文选用以ARM920T为核心的 S3C2410微处理器，S3C2410是32bit的RISC微处理器，该处理器特别适用于手持式设备以及高性价比、低功耗的网络设备，它集成了LCD 控制器、USBHost、NAND控制器、BUS控制器、中断控制、功率控制、存储控制、UART、WatchDog、SPI、SDI/MMC、IS、 IC、GPIO、RTC、TIMER/PWM、ADC等丰富的资源。

    存储系统

    嵌入式系统可根据需要定制存储空间。本文扩展了2片Flash芯片和1片SDRAM。Flash芯片主要有1片韩国现代公司的2MB16bit数据宽度的 Flash芯片HY29LV160B191和1片韩国三星公司的16MB的NANDFlash芯片K9F2808UOB1571，SDRAM芯片采用的是 1块韩国现代公司生产的SDRAMHY57V5616201。2MB的Flash芯片HY29LV160B对应的地址空间映射到地址0x00000000 上，作为存储启动配置参数及异常/中断向量表的程序空间，系统复位后从其中读取指令执行程序；使用韩国现代公司的8MB的 SDRAMHY57V561620作为系统内存，对应地址空间映射在地址Ox30000000开始，作为程序运行空间和数据空间，启动代码将系统映像复制到SDRAM后执行。

    串口部分

    串口部分设计使用了2路UART，其中，一路通过电平转换芯片MAX232，把3.3V的逻辑电平转换为RS-232-C的逻辑电平进行传输，实现ARM 与PC机之间的通信，通过超级终端可在PC机上进行调试；另一路串行接口使用MAX1485进行电平转换，实现从RS-485上接收现场总线发送的信息。

    JTAG调试接口

    在嵌入式系统中，芯片的烧写、调试都需要用到JTAG调试接口，可满足实时地实现对程序的分析和执行的监控。JTAG(Joint Test Action Group)是IEEE的规范标准，它可以通过现有的JTAG边界扫描与ARMCPU内核进行通信，属于完全非插入式(不占用片上资源)调试，它无需目标存储器，不占用目标系统的任何端口，而这些是普通的驻留监控软件所必需的。另外，JTAG调试的目标程序是在目标板上执行的，仿真更接近于目标硬件，仿真结果与真实的运行环境更为接近，因此，逐渐成为采用更多的一种调试方式。

    以太网接口

    本文以太网接口中所使用的芯片有RTL8019AS、74LVC4245、FB2022(网卡变压器)。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，其主要特点包括：符合EtherNetⅡ与IEEE802.3标准；全双工，收发可同时达到10Mb/s的速率，内置16KB的 SRAM，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 LED引脚编程输出。RTL8019AS内部有2块RAM区，1块16KB，地址为0x4000～0x7fff；1块32Byte，地址为 0x0000～0x001f。RAM按页存储，每256Byte为1页。本方案中将RTL8019AS的RAM的前12页 (0x4000～0x4Bfff)作为发送缓冲区；后52页(0x4c00～0x7fff)作为接收缓冲区；第0页只有32Byte，用来存储以太网的物理地址。

    RTL8019AS芯片的引脚SA₀～SA₁₉为地址总线；SD₀～SD₁₅为数据总线；引脚INT0接S32C410芯片的外部中断信号；引脚AEN是地址使能脚，作为芯片的选通信号，将中断接到CPU的nGCS₃地址映射到bank₃。RTL8019AS的地址空间范围是0x18000300～0x1800031f。引脚IOS0～3设置为接地或空闲，表明RTL8019AS内部寄存器总线地址从300H开始。

    引脚X₁、X₂接一个20MHz的无源晶振，作为外部时钟信号输入；引脚JP接高电平，选择跳线模式：引脚IORB、IOWB作为输入输出读写指令端；引脚RSTDRV是复位端，连接复位信号；引脚SMEMRB、SMEMWB是芯片的存储器读命令和写命令。

    引脚TPIN+，TPIN-、TPOUT+，TPOUT-作为媒体接口管脚，是接收IP数据报所需要用到的管脚，在设计网卡芯片电路时通过一个隔离变压器和RJ-45的网络外接口相连，外部主机通过以太网网线与RJ-45接口进行连接，实现数据交换。

    隔离变压器的TD+管脚连接网卡芯片的TPOUT+引脚；TD-连接TPOUT-；RD+连接TPIN+；RD-连接TPIN-。8019通过隔离变压器与RJ-45连接，实现与主机进行接收和发送IP数据报等工作。

    此外，硬件部分还包括电源电路、晶振电路、复位电路，在此就不一一介绍。

    软件部分设计

    嵌入式系统的软件部分分为BootLoader的编写、操作系统与文件系统的移植、应用程序的编写三部分。

    BootLoader的编写

    BootLoader是系统加电后运行的第1段软件代码，即处理器芯片复位后进入操作系统之前执行的一段代码，主要是为运行操作系统提供基本的运行环境，如初始化CPU堆栈、初始化存储器系统等。BootLoader代码与CPU芯片的内核结构、具体芯片和使用的操作系统等因素有关，其功能类似于PC机的 BIOS。通过运行BootLoader程序，可以初始化存储器等硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。其一般编写的步骤为：

    (1)屏蔽所有的中断。为中断提供服务通常是操作系统或设备驱动程序的责任，因此，在BootLoader的执行全过程中可以不必响应任何中断；

    (2)设置中断向量；

    (3)设定存储器控制寄存器；

    (4)初始化堆栈和寄存器。系统堆栈初始化取决于用户使用了哪些中断，以及系统需要处理哪些错误类型、并且定义处理器的几种工作方式。一般来说管理者堆栈必须设置，如果使用了IRQ中断，则IRQ堆栈也必须设置；

    (5)如有必要则需要改变处理器模式、状态；

    (6)初始化C语言所需的存储器空间。为正确运行应用程序，在初始化期间应将系统需要读写的数据和变量从ROM拷贝到RAM中。一些要求快速响应的程序，如中断处理程序，需要在RAM中运行；如果使用Flash，对Flash的擦除和写入操作也是在RAM里运行的。

    嵌入式系统的启动程序是严重依赖于硬件的，所以需要用汇编语言来进行编写。完成上述步骤后，系统就完成了对硬件和软件运行环境的初始化。最后将实时操作系统代码从Flash读入到内存空间中，开始运行实时操作系统。

    操作系统与文件系统的移植

Linux作为一种优秀的操作系统，近几年在嵌入式领域异军突起，成了最有潜力的嵌入式操作系统。突出的一个优点就是免版税和开放源码，另外它可应用于多种硬件平台，具有良好的移植性、高的可靠性、优秀的网络功能、完备的文件系统以及丰富的API，为嵌入式网关提供了强大的软件支持。因此，本文选择 Linux作为嵌入式网关的操作系统。对Linux的移植有以下几个步骤：

    (1)下载Linux源代码，建立交叉编译环境；

    (2)配置和编译内核；

    (3)制作文件系统，编写相应的设备驱动程序；

    (4)下载，调试和执行内核，并在文件系统中添加自己的应用程序。

    应用程序的编写

    本文利用Socket套接字和TCP/IP协议编写了一个简单的客户机/服务器模式的网络应用程序。因为本系统只是起到网关的作用，只需实现现场总线和以太网上位机两方之间的通信，并不需要处理其数据的逻辑意义和内容。在这种模式下，以太网上位机被设定为服务器，它运行了服务器端的应用程序。该程序主要用于监听服务器端口、接受客户端的连接请求、接受客户端的信息、向客户端发送信息等。网关系统中运行的是客户端程序，该程序主要是用于申请连接到服务器、将现场总线方发来的消息向服务器发送、处理服务器发来的信息、将这些信息发送给现场总线系统。应用程序软件流程如图2所示。

    软件中调用的函数主要有：
    (1)intsocket(intfamily，inttype，intprotocol)。此函数为通信创建一个端口，若正常调用将返回一个整型的文件描述符，错误调用将返回-1。

    (2)intbind(intsockfd，conststructsockaddr
*address，size-taddress-len)。此函数一旦Socket调用成功并返回了一个文件描述符，便将该Socket与服务器本机上一个端口相关联，就可以在该端口监听服务请求。该函数只用于服务器端程序，客户端无须调用此函数。
    (3)intlisten(ints，intbacklog)。服务器用来监听是否有服务请求。
    (4)intaccept(intsockfd，void*addr，int*addrlen)。连接端口的服务请求。但某个客户端试图与服务器监听的端口连接时，该连接请求将排队等待服务器调用此函数接受它。
    (5)intsend(intsockfd，constvoid*msg，intlen，intflags)；recv(intsockfd，void*buf，intlen，unsignedintflags)。发送和接收数据。
    (6)intconnect(intsockfd，structsockaddr*serv-addr，intaddrlen)。此函数用来与远端服务器建立一个TCP连接。
    (7)intclose(intsockfd)。结束数据传输。

    结束语

    本文介绍了以S3C2410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，可用于工业现场实现现场节点的自动上网，从而实现对现场远程控制，具有很好的发展前景。