基于TMS320F28335和DM9000A芯片實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接口的設(shè)計(jì) - 全文

DSP（Digital Signal Processor）是一種獨(dú)特的微處理器，是以數(shù)字信號(hào)來處理大量信息的器件。它強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是最值得稱道的兩大特色。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，在工業(yè)控制、智能儀器、智能家庭等領(lǐng)域，越來越多的DSP設(shè)備要求具有以太網(wǎng)通信功能，以便與外部網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。以太網(wǎng)控制芯片是以太網(wǎng)接口的核心器件，其性能是影響網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵因素之一，如何正確使用網(wǎng)絡(luò)控制器是設(shè)計(jì)以太網(wǎng)接口的關(guān)鍵。本文采用處理器+以太網(wǎng)控制芯片+TCP/IP協(xié)議的DSP以太網(wǎng)接入方式，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于DSP的精簡(jiǎn)TCP /IP協(xié)議棧，并固化在DSP內(nèi)，無需操作系統(tǒng)也可運(yùn)行。

1 總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用32位DSP處理器TMS320F28335和以太網(wǎng)控制芯片DM9000A為核心，DSP控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，DM9000A實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牡讓庸δ?。并?duì)TCP/IP協(xié)議棧自行裁剪，構(gòu)成了DSP的以太網(wǎng)接口，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)通信。其系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 DM9000A功能結(jié)構(gòu)

DM9000A是DAVICOM公司推出的一款高度集成、低成本的快速以太網(wǎng)控制器，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)媒體介質(zhì)訪問層（MAC）和物理層（PHY）的功能。該芯片具有通用的處理器接口，片內(nèi)集成了10/100M自適應(yīng)的PHY，內(nèi)部含有16 KB SRAM用于接收/發(fā)送的FIFO緩存，3.3 V供電，并且支持IEEE 802.3以太網(wǎng)傳輸和8/16接口的兩種主機(jī)工作模式協(xié)議。功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 接口電路的連接

接口電路主要由DSP、以太網(wǎng)控制芯片DM9000A、隔離變壓器和RJ-45構(gòu)成。DSP控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，DM9000A實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的底層傳輸。隔離變壓器的主要作用：其一，可以增強(qiáng)信號(hào)，使其傳輸距離更遠(yuǎn);其二，使芯片端與外部隔離，增強(qiáng)抗干擾能力，并對(duì)芯片端起保護(hù)作用;其三，當(dāng)接到不同電平（如有的PHY芯片是2.5 V，有的PHY芯片是3.3 V）的網(wǎng)口時(shí)，不會(huì)對(duì)彼此設(shè)備造成影響。RJ-45接口可用于連接RJ-45接頭，適用于由雙絞線構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)，這種是最常見的以太網(wǎng)接口。DM9000A采用16位接口模式，數(shù)據(jù)地址復(fù)用總線D0～D15與DSP總線XD0～XD15相連;DM9000A的寫信號(hào)引腳與DSP的XWE0n相連;讀信號(hào)引腳與DSP的讀引腳相連;DM9000A的片選信號(hào)引腳與DSP的CS0n相連;DM9000A的訪問類型引腳CMD與DSP的普通I/O口GPIO61相連，高電平訪問DM9000A的數(shù)據(jù)端口，低電平訪問地址端口;DM9000A的復(fù)位引腳與DSP的GPIO 60相連;DM9000A的物理層接口TX+，TX-，RX+，RX-通過隔離變壓器連接RJ-45至以太網(wǎng)。其以太網(wǎng)接口硬件連接如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)接口的軟件主要有DM9000A驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)和上層通信協(xié)議程序設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。DM9000A驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)主要是通過TMS320F28335控制總線配置DM9000A內(nèi)部寄存器，完成對(duì)DM9000A初始化、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的接收三部分。上層通信協(xié)議程序設(shè)計(jì)是對(duì)TCP/IP棧裁剪移植，主要完成對(duì)接收到的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析并處理，并把要發(fā)送的數(shù)據(jù)封裝成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，然后發(fā)送。

3.1 DM9000A驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

3.1.1 DM9000A初始化

DM9000A正常工作需要在上電后對(duì)內(nèi)部寄存器進(jìn)行初始化，具體流程如下：

（1）啟動(dòng)PHY。設(shè)置通用寄存器GPR（1FH）的GEPIO0=0。

（2）進(jìn)行兩次軟啟動(dòng)。設(shè)置網(wǎng)絡(luò)控制寄存器NCR（00H）的RST=1，10μs后RST=0，同樣的操作進(jìn)行兩次。

（3）選擇網(wǎng)絡(luò)模式。設(shè)置NCR的LBK=00，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)工作模式為正常模式。

（4）清除發(fā)送標(biāo)志。設(shè)置網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)寄存器NSR（01H）WAKEST=1，TX2END=1，TX1END=1。

（5）寫6 B的以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)地址到物理地址寄存器PAR（10H～15H）中。

（6）設(shè)置中斷屏蔽寄存器IMR（FFH）的PAR=1，使能指針自動(dòng)跳回，當(dāng)SRAM讀/寫指針超過SRAM的大小時(shí)，指針自動(dòng)跳回起始位置;PRI=1，使能數(shù)據(jù)包接收中斷。

（7）設(shè)置接收控制寄存器RCR（05H）的WTDIS=1，看門狗定時(shí)禁止;DSI_LONG=1，丟棄長(zhǎng)數(shù)據(jù)包;DIS_CRC=1丟棄CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包;RXEN=1，使能接收功能。

初始化流程如圖4所示。

完成上述初始化步驟后，DM9000A就處于正常工作狀態(tài)，可以收發(fā)數(shù)據(jù)包。若有異常發(fā)生，就需要重復(fù)上述步驟，重啟DM9000A以使芯片恢復(fù)到正常狀態(tài)。

3.1.2 數(shù)據(jù)幀發(fā)送

DM9000A內(nèi)部有16 KB的SRAM作為接收/發(fā)送數(shù)據(jù)的緩存區(qū)，其中前3 KB的空間，地址從0x0000H～0x0BFFH，用來緩存需要發(fā)送的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)發(fā)送的具體步驟如下：

（1）利用寫操作寄存器MWCMD（F8H），將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀寫入DM9000A的發(fā)送緩存區(qū)。

（2）將數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度寫入長(zhǎng)度寄存器TXPLL（FCH）和TXPLH（FDH）。

（3）設(shè)置發(fā)送控制寄存器TCR（02H），TXREQ=1，數(shù)據(jù)幀開始發(fā)送。

（4）檢查網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)寄存器NSR（01H）的TX2END和TX1END位，判斷此幀數(shù)據(jù)是否發(fā)送完。

數(shù)據(jù)幀發(fā)送流程圖如圖5所示。

3.1.3 數(shù)據(jù)幀接收

當(dāng)DM9000A數(shù)據(jù)接收使能后，DM9000A就會(huì)自動(dòng)接收數(shù)據(jù)。DM9000A接收到的數(shù)據(jù)先保存在地址從0x0C00～0x3FFF的13 KB內(nèi)部SRAM緩存空間中，它是一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)。

利用寄存器MRCMDX（FOH）和寄存器MRCMD（F2H）可獲取緩存中的數(shù)據(jù)幀信息。接收到的數(shù)據(jù)幀格式如圖6所示。

其中第1個(gè)字節(jié)是接收數(shù)據(jù)標(biāo)志字節(jié)，表征接收到數(shù)據(jù)幀是否有效。第2個(gè)字節(jié)是接收數(shù)據(jù)幀的狀態(tài)字節(jié)，其中的內(nèi)容與接收狀態(tài)寄存器RSR中的內(nèi)容相同，可以用來判斷所接收的數(shù)據(jù)幀是否正常。第3，4個(gè)字節(jié)是接收到數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度字節(jié)，其中低位在前，高位在后。從第5個(gè)字節(jié)開始的數(shù)據(jù)才是真正數(shù)據(jù)幀內(nèi)容。

數(shù)據(jù)接收過程如下：

（1）檢查中斷狀態(tài)寄存器：ISR（FEH），若PRS位為1，說明有新的數(shù)據(jù)幀接收，寫1清除PRS位;若為0，說明無數(shù)據(jù)，直接返回。

（2）讀取第1個(gè)字節(jié)，即接收數(shù)據(jù)標(biāo)志字節(jié)。如果該字節(jié)為01，則表示接收下來的是有效數(shù)據(jù)幀;如果該位為00則表示沒有數(shù)據(jù)到達(dá)，或數(shù)據(jù)已經(jīng)接收完成;如果既不是01又不是00，則認(rèn)為有異常發(fā)生，這時(shí)就要將DM9000A芯片重啟以使芯片恢復(fù)到正常狀態(tài)。

（3）讀取第2個(gè)字節(jié)，即接收狀態(tài)字節(jié)。根據(jù)接收狀態(tài)字節(jié)判斷所接收的數(shù)據(jù)幀是否正常。

（4）讀取第3，4字節(jié)，即數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度字節(jié)。

（5）讀取真正的數(shù)據(jù)幀內(nèi)容。

（6）根據(jù)獲取的長(zhǎng)度信息，判斷是否讀完一幀。如果讀完，接著讀下一幀，直到遇到首字節(jié)是00H的幀，說明接收數(shù)據(jù)已讀完。

數(shù)據(jù)幀接收流程如圖7所示。

3.2 上層通信協(xié)議程序設(shè)計(jì)

TCP/IP協(xié)議模型可以分為四個(gè)層次，從下到上依次為：鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。每一層都有不同的功能，低一層為高一層提供服務(wù)。

標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議棧對(duì)處理器的計(jì)算、存儲(chǔ)要求比較高，然而，DSP系統(tǒng)的計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源通常是非常有限，在DSP中實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議棧將占用大量系統(tǒng)資源，不利于DSP其他方面的應(yīng)用，因此必須對(duì)它進(jìn)行簡(jiǎn)化并優(yōu)化，盡可能做到代碼精簡(jiǎn)，降低存儲(chǔ)開銷。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了TCP/IP通信協(xié)議的必要部分，包括：ARP，IP，ICMP，TCP，UDP等協(xié)議。

ARP（地址解析協(xié)議）為IP地址到對(duì)應(yīng)的硬件地址之間提供動(dòng)態(tài)映射。IP協(xié)議是TCP/IP協(xié)議的核心，所有的TCP，UDP，ICMP的數(shù)據(jù)都是以IP數(shù)據(jù)格式傳輸?shù)?。ICMP（網(wǎng)絡(luò)控制報(bào)文）是用來傳遞差錯(cuò)報(bào)文以及其他需要注意的信息，有各種類型的ICMP報(bào)文，本文只用到ICMP的請(qǐng)求回顯（類型字段為8、代碼字段為0）。TCP提供一種面向連接的、可靠的字節(jié)流服務(wù)，交換數(shù)據(jù)之前必須先建立一個(gè)TCP連接，即“三次握手”UDP是一個(gè)簡(jiǎn)單的面向數(shù)據(jù)報(bào)的傳輸層協(xié)議，它把應(yīng)用程序傳給IP層的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，但是并不保證他們能到達(dá)目的地。在鏈路層，當(dāng)DM9000A完成一個(gè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀接收后，將其讀入暫存數(shù)組，檢查以太網(wǎng)幀類型字段，該字段值為0x0806，表示數(shù)據(jù)幀為ARP幀;該字段的值為0x0800，表示數(shù)據(jù)幀為IP幀。接著，分別交由ARP協(xié)議處理模塊或IP協(xié)議處理模塊。編程時(shí)使用框架如下：

if（完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀接收）

{ if（以太網(wǎng)類型字段==0x0806）

{ARP處理模塊}

if（以太網(wǎng)類型字段==0x0800）

{IP處理模塊}

}

網(wǎng)絡(luò)層收到的為ARP數(shù)據(jù)報(bào)，ARP根據(jù)操作字段（ARP請(qǐng)求為1，ARP應(yīng)答為2），或者發(fā)送ARP應(yīng)答或者更新ARP地址映射表。若為IP數(shù)據(jù)報(bào)，IP協(xié)議處理模塊對(duì)數(shù)據(jù)包解析后，IP首部協(xié)議字段若為1就將數(shù)據(jù)交給ICMP協(xié)議處理模塊，若為6則交給TCP處理模塊，若為17則交給UDP處理模塊。傳輸層得到UDP的報(bào)文后，按照UDP協(xié)議中的端口，分別送給不同的應(yīng)用層序。若傳輸層得到的是TCP報(bào)文，則要根據(jù)TCP的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖進(jìn)行處理。在TCP或UDP的處理模塊中，根據(jù)目的端口號(hào)，分別將數(shù)據(jù)送往不同的用戶應(yīng)用程序。其工作流程如圖8所示。

4 結(jié)語

本文把高度集成、低成本的快速以太網(wǎng)控制器DM9000A與數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大、高運(yùn)行速度的DSP（TMS320F28335）相結(jié)合，設(shè)計(jì)出了一種DSP的以太網(wǎng)接口。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，DSP系統(tǒng)可以通過該接口實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信，經(jīng)自行裁剪的TCP/IP協(xié)議棧，不僅實(shí)現(xiàn)了IP，ARP，ICM P，TCP和UDP協(xié)議，而且提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。該接口具有硬件接口簡(jiǎn)單、外圍器件少、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、性價(jià)比高等特點(diǎn)，同時(shí)也能夠滿足測(cè)試、采集等高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的要求，符合當(dāng)今DSP設(shè)備趨于網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的方向。

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