基于AT91RM9200的以太网接口模块设计

摘 要：主要介绍基于AT91RM9200处理器的以太网接口模块设计，给出基于网络芯片RTL8019AS的系统外围接口相关器件选型。在硬件设计的基础上，给出了详细的编程思想、工作流程以及部分关键代码。在此设计方案下，完全可以实现通过以太网进行通信，达到嵌入式模块之间实时控制的目的。
关键词：AT91RM9200；以太网；RTL8019AS；嵌入式模块
   
0 引 言
     在Internet飞速发展的今天，网络已经渗透到生活的方方面面，与网络的结合已经成为嵌入式系统发展的必然趋势。目前，ARM微处理器已经在多个领域中得到应用，各种基于ARM微处理器的设备应用数量已经远远超过了通用计算机，基于ARM微处理器的开发应用正成为数字时代的技术潮流。
   
l AT91RM9200简介
     AT91RM9200是Atreel公司开发的基于ARM920T核的高性能，低功耗16／32位RISC微处理器，内部集成丰富的外设资源与外设接口，从而为低功耗，低成本，高性能的计算机应用提供了一个单片解决方案。适用于要求外设资源丰富，功耗低，工作稳定的工业控制等方面。
     AT91RM9200微处理器最高主频为180 MHz，其双向、32位外部数据总线支持8／16／32位数据宽度，26位地址总线可以对最大64 MB空间进行寻址。片内集成了非常丰富的外围功能模块，包括内存管理单元(MMU)、内部包含16 KB的SRAM和128 KB的ROM，16 KB的数据缓存以及16 KB的指令缓存。其外部总线接口控制器(EBI)，支持SDRAM，静态存储器，Burst FLASH以及Compact FLASH。为了提高系统性能还扩展了以下外设；增强的时钟发生器与电源管理控制器(PMC)；系统定时器(ST)；实时时钟(RTC)；高级中断控制器(AIC)；4个32位PIO控制器；20通道的外设数据控制器(PDC)；10／100兆Base-T型以太网卡接口；4个通用同步／异步串行收发器(UASRT)以及JTAG／ICE接口等。
   
2 最小系统设计
     硬件系统设计是嵌入式系统设计的基础，ARM系统硬件平台主要分为两部分：一部分为基于ARM处理器的最小系统；另一部分为外围扩展电路。系统只有在硬件最小系统调试稳定的基础上，才能灵活、轻松地扩展出其他外围应用，所以最小系统是保证微处理器可靠工作所必须的基本电路。基于AT91RM9200微处理器的最小系统由微处理器、电源电路、时钟电路、复位电路、JTAG接口、存储器模块、串行调试接口等电路组成。
2．1 电源电路设计
     在系统中AT91RM9200需要1．8 V和3．3 V电源，另外，大部分外围器件需要3．3 V电源，小部分外围器件还需要5 V电源，假设输入电压为5 V直流稳压电源。为了得到可靠的3．3 V电压，此处选用的电压转换芯片是NCPlll7ST33T3，它的输入电压为5 V，输出电压为3．3 V，最大输出电流为0．8 A。同样，为了得到可靠的1．8 V电压，选用NCPlll7STl8T3，它的输入电压为5 V，输出电压为1．8 V，最大输出电流为0．8 A。由于3．3 V和1．8 V属于NCPlll7系列的2个固定输出电压，所以设计比较简单，只需要在电路中与芯片并联2个典型值为10 tLF、的滤波电容即可。
2．2 时钟电路设计
     时钟电路为AT91RM9200和其他外设电路提供工作时钟。处理器内部带有锁相环电路，所以外接频率比较低的晶体振荡器，该设计用晶体振荡器Y1(20 MHz)作为系统的主时钟振荡器。处理器内部还带有实时时钟电路，还需要外接32．768 kHz的晶体振荡器。振荡器产生的主时钟和慢时钟经过微处理器内部2个锁相环后，产生系统所需的各种主时钟、外设时钟以及USB器件工作时钟。
2．3 复位电路设计
     AT91RM9200有2个独立的复位信号，即系统复位信号NRST与调试复位信号NTRSI，都是低电平有效。系统上电后，AT91RM9200必须执行一个上电复位，在过渡状态下，它的强制复位信号为低，直到电源电压和振荡器工作频率稳定为止。此外，NRST和NTRST还可以手动复位，以方便用户调试程序。该设计中选用的复位芯片是MAX811，再加上一个手动按键，当工作电压低于3 V或手动复位输入引脚被拉低时处理器复位。
2．4 存储器模块设计
     存储器模块包括NOR FLASH存储器和SDRAM存储器。
     NOR FLASH存储器用于存储系统运行所需的程序和重要数据，即使掉电，程序和数据也不会丢失。该设计中所用芯片是Atmel公司生产的AT49BNl614T，以保持与AT91RM9200的兼容性，其存储容量为2 MB，工作电压为3．3 V，采用56引脚TSOP封装，具有16位数据宽度。AT91RM9200需要以下引脚与之对应相连：A[1：21]，D[0：15]，NCSO／BFCS，NRST，BFRDY，BFWE，BFOE。
     SDRAM存储器的作用是存放系统运行时的程序和数据，掉电后该部分程序和数据会丢失。设计中使用两片数据宽度为16位的SDRAM并为一个具有32位数据宽度的SDRAM模块，以充分发挥微处理器32位数据宽度的高性能。设计所使用的芯片是HY57V561620，其存储容量为32 MB，工作电压为3．3 V，采用54引脚TSOP封装，16位数据宽度，支持自动刷新和自刷新。AT91RM9200需要以下引脚与HY57V561620对应相连：D[0：]，A[2：11]，A[13：14]，NBS0，N：BSl，NBS2，NBS3，SDCKE，SDCK，SDCS，RAS，CAS，SDWE。这里特别注意：A12引脚不使用。
2．5 JTAG接口电路设计
     JTAG是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试，是开发、调试嵌入式系统的一种简洁高效的手段。它有两种接口标准：14针接口和20针接口。该设计中选择20针接口标准。JTAG调试接口设计是否标准，直接影响到硬件平台是否能够连接ARM仿真器。所以在设计时，有以下几点需要注意：
     (1)尽可能按照标准的20针接口设计。如果设计成14针接口，一定要严格按照14针接口对应于20针接口的对应关系来设计。
     (2)nTRST和nRESET、引脚不用时，要用10 kΩ的电阻拉高，否则JTAG上这两个引脚的信号不确定，会造成ARM调试器不能正常连接目标系统。
     (3)JTAG上输出的信号都要用10 kΩ的电阻拉高。
2．6 UART、串行接口电路设计
     AT91RM9200的UASRT作为同步／异步串行接口，在调试状态下作为调试串口；在正常工作状态下为一般串行口使用，可以通过RS 232实现与其他设备的通信。该设计中的UART、接口芯片是MAX3232，其工作电压为3．3 V，16引脚SOIC封装。其最为简单且常用的是三线制接法，即地线，接收数据线和发送数据线三脚对应相连。
     在完成以上几部分电路设计后，基于AT91RM9200的嵌入式系统就具有了安全可靠的工作条件，也为下面的扩展以太网接口设计打下了良好的基础。
   
3 以太网接口设计
     在ARM系统中，以太网接口是与远程机进行通信及调试的基础，还可以进行内部局域网和互联网间的通信。而基于ARM的系统若没有以太网接口，其应用价值就会大打折扣。因此，就整个嵌入式系统而言，以太网接口电路是必不可少的，但同时也是相对复杂的。
     从硬件的角度看，以太网接口电路主要由MAC控制器和物理层接口(PHY)两大部分构成。该设计中所用到的以太网接口芯片RTL8019AS，其内部结构包含这两部分。RTL8019AS是一款高集成度的以太网控制芯片，具有8／16位总线模式，集成了IEEE802．3协议标准的MAC层和PHY层的性能，与NE2000相兼容，支持以太网全双工通信方式；支持UTP，AUI和BNC自动检测，支持16位I／O基本地址选项和额外I／O地址输入／输出完全解码方式；支持存储器瞬时读写，收发可同时达到10 Mb／s的速率，内置16 KB的SRAM，可以方便地与微处理器进行连接。它支持多种嵌入式处理器芯片，内置有FIFO缓存器用于发送和接收数据。
3．1 以太网接口工作原理
     使用RTL8019AS作为以太网的物理层接口，它的基本工作原理是：在收到由主机发来的数据包后，侦听网络线路。如果线路忙，它就等到线路空闲为止，否则，立即发送该数据帧。在发送过程中，首先为数据包添加帧头(包括前导字段和帧开始标志)，然后生成CRC校验码，最后将此数据帧发送到以太网上。
     在接收过程中，它将从以太网收到的数据包在经过解码、去帧头和地址校验等步骤后缓存在片内。在CRC校验通过后，它会根据初始化配置情况，通知RTL8019AS收到了数据包。最后，用某种传输模式(I／O模式、Memory模式、DMA模式)传到ARM系统的存储区中。
3．2 硬件电路设计
     用RTL8019AS芯片设计的以太网控制器相关电路，可以通过RJ45连上以太网，在判断网卡芯片是否工作正常时，有两个依据，一是看状态指示LED是否有闪烁；二是用专用网络监听工具软件进行监听。在本设计中用两个LED指示灯表示接收和发送状态，当有网络连接且收发数据包时，LED闪烁。此外，网卡芯片单独不能工作，还必须有一个网络变压器在RJ45接口和网卡芯片中间进行电平转换，该设计中所用的电平转换器是20F001N。另外要特别注意，由于RTL8019AS的复位引脚是高电平有效，而AT91RM9200的NRST引脚是低电平有效，所以不能直接将两个引脚进行连接。该设计所用的解决方法是：在两引脚间加上一个共发射极的三极管，利用它的反相作用，来达到两个复位引脚间的电平匹配。同时，为了提高数据的传输速率，需要将网卡芯片设计成16位的数据通道，这就要求将RTL8019AS的IOCSl6B引脚用电阻上拉来达到设计目的。RTL8019AS与AT91RM9200进行连接还需要以下引脚：NOE，NEW，NCS2，D[O：15]，一条中断线IRQ0以及地址线A[O：4](设计RTL8019AS的I／O基地址为300H，所以只需要SA[O：4]接A[O：4]，而A[5：19]只需要接地即可)。至此，硬件电路已经设计完毕，整个电路的结构框图如图1所示。
   
   4 软件设计
4．1 以太网口初始化
     初始化第一步是复位以太网口。以太网口复位分为硬件复位和软件复位。硬件复位通过给RTL8019AS的RESET引脚发送一个复位脉冲；软件复位通过写端口达到复位，也就是给18～1F之间的任意一个寄存器写入任意一个数，就使得以太网口复位。第二步是设置一些寄存器的初始值，寄存器保存本机的物理地址，只有和寄存器保存的物理地址相同的以太网帧才被接收(RCR寄存器中PRO=O)。
     以太网口第一次复位必须是硬件复位，硬件复位以后要经过大约10 ms的等待才能对以太网口操作，特别是发送和接收操作。
4．2 以太网口存储及初始化
     RTL8019AS内部RAM地址范围从0x0000～0x7FFFF，其中0x4000～Ox7FFF用作接收和发送缓冲区。缓冲区是按页管理的，256 b为一页，这样接收发送缓冲页面是0x40～0x7F。发送缓冲区的起始页在TPSR寄存器中设置，接收缓冲区的起始页在PSTART寄存器中设置，PSTART实际上也表明了发送缓冲区的结束页。接收缓冲区的结束页是PSTOP。所以发送缓冲区的页从TPSR到PSTART-1，接收缓冲区的页从PSTART到PSTOP-1。一般设置如下：
      
     使发送缓冲区可以容纳下两个最大以太网帧(最大为1 514 B)，第一个帧放在SEND_START_PAGEO起始页，第二个帧放在SEND_START_PAGE1起始页，剩下的缓冲区都作为接收缓冲区。
     RTL8019AS内部RAM是双口 RAM，因为它要支持两个独立的操作：一个是用户CPU读取RAM中的内容，对这个操作RTL8019AS提供一个读写口，也就是寄存器中的Remote DMA Port；另一个是RTL8019AS内部控制电路把从网络接收的数据写入RAM中，这时RAM称为Local DMA。RTL8019AS通过Local DMA写入RAM是不需要用户干涉的，它通过Remote DMA Port读写RAM。
     读RAM见RTLReadRam函数，代码如下：
      
     这个函数表示从address开始读取size个字节的内容到buff指向的内存中。设置CR寄存器指令为：writereg(cr，(0x00 | er_remote_read | cr_start_com-mand))；然后从Remote DMA Port读取size次，就得到所需的数据。
     写RAM函数，操作基本上和读RAM函数差不多，只要将最后一步的读size次改成写size次就可以。
4．3 发送数据包
     发送数据包的基本步骤如下：
     (1)首先将发送的起始页，一般是发送缓冲区内的页(Ox40~Ox4b)，写入StartPage变量中。将要发送的数据写入地址为StartPage&lt;<8开始的缓冲区中，然后等待上一次发送结束。对于过大或者过小的数据包，不发送；对于过小的帧，在发送时要填充。
     TPSR为发送起始寄存器，将StartPage写入TPSR寄存器，高字节写入TBCRH(TBCRl)，低字节写入TBCRL(TBCRO)。当写发送命令时，RTL8019AS将从TPSR<<8地址开始发送size个字节的数据。
     (2)发送数据帧：发送缓冲区可以存储2个最大的以太网帧，一个起始页为SEND_START_PAGEO，另一个起始页SEND_START_PAGEl，两个交替使用。发送数据帧时，CR寄存器设置为：writereg(cr，((prepage&amp;OxCO)|cr_abort_compile_dma|cr_txp |cr_start_command]))；发送数据包函数代码如下：
      
4．4 接收数据包
     接收数据包的步骤如下：
     (1)接收缓冲操作。当RTL8019AS接收到一个数据包后，自动将接收的数据包放到CURR页。如果一页放不下，则CURR加1；如果CURR=接收结束页，则CURR自动变成接收开始页，继续写入接收的数据。
     (2)用户读取接收数据包。RTL8019AS通过Local DMA把接收的数据写入接收缓冲区，并自动改变CURR和识别缓冲区的界限，这些都不需要用户干预。
     当一个无错的数据接收完毕，则触发中断处理函数。然后读取数据包到分配的内存，可以从接收字节计数器中得知读取数据。这里要处理一种情况：如果接收的数据包存储不是连续的，在这种情况下要分2次才能读取1个完整的数据包，判断是否存储不连续的条件是：
     bnry>Head[1]＆＆Head[1]!=RECEIVE_START_PAGE
     其中：bnry是这个包的起始页；Head[1]是下一个包的起始页。
     接收数据包函数与发送数据包函数相似，只需要修改相应寄存器配置即可。然后将接收的数据写入网络接口层的输入队列，如果写入失败则释放内存。写入后上层协议将提取这个数据包。最后网卡通过中断控制器向ARM响应中断，中断完毕清除中断标志。
   
5 结 语
     ARM微处理器正以其极好的性价比和极低的功耗，与其他体系结构的微处理器进行激烈的竞争，其应用将进一步深入到各行各业。可以预测，在将来的一段时期内，ARM微处理器将成为32位微处理器市场的统治者。了解、学习、掌握和应用ARM微处理器技术很有必要，也非常重要。在ARM系统采用高性能的以太网控制器，系统通信和调试快速、可靠，具有很高的实时性。该设计构造一个基于以太网的嵌入式系统的应用，该接口模块的主要任务是完成与外界的信息交互，以达到网络监控的目的。在实际应用中，它运行稳定，能够十分方便地实现网络互连。该系统已在视频监控光端机上得到成功应用，传输速度相当于PC机的10兆网口。