基于USB接口的局域網(wǎng)接入適配器的設(shè)計(jì)方案

目前，在局域網(wǎng)內(nèi)部，計(jì)算機(jī)接入局域網(wǎng)的傳統(tǒng)方法是通過(guò)在計(jì)算機(jī)主板上安裝以太網(wǎng)卡來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。這種接入方式需要計(jì)算機(jī)主板上有閑置的ISA或者PCI插槽，還需要上級(jí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有足夠的接口支持。當(dāng)上級(jí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的下行接口數(shù)量不夠時(shí)，必須在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備下面添加集線器（HUB）或者交換機(jī)（Switcher）。

針對(duì)這種情況，本文提出了一種全新的計(jì)算機(jī)接入局域網(wǎng)的方案，使多臺(tái)計(jì)算機(jī)可以方便地使用各自的USB接口接入局域網(wǎng)，并提供了該方案的實(shí)現(xiàn)方法。

目前，在局域網(wǎng)內(nèi)部，計(jì)算機(jī)接入局域網(wǎng)的傳統(tǒng)方法是通過(guò)在計(jì)算機(jī)主板上安裝以太網(wǎng)卡來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。這種接入方式需要計(jì)算機(jī)主板上有閑置的 ISA或者PCI插槽，還需要上級(jí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有足夠的接口支持。當(dāng)上級(jí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的下行接口數(shù)量不夠時(shí)，必須在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備下面添加集線器（HUB）或者交換機(jī)（Switcher）。

針對(duì)這種情況，本文提出了一種多通用串行總線（USB）接口的局域網(wǎng)接入適配器。它將傳統(tǒng)意義上的多塊以太網(wǎng)卡和集線器的功能集于一身，使多臺(tái)計(jì)算機(jī)可以用各自的USB接口連接到上級(jí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的一個(gè)下行接口，并在內(nèi)部采用了比集線器功能更為更強(qiáng)大交換控制器，對(duì)各接口的數(shù)據(jù)流量加以控制，保證可靠地運(yùn)行。

與傳統(tǒng)的通過(guò)以太網(wǎng)卡的局域網(wǎng)接入方式相比較，這種通過(guò)USB接口的局域網(wǎng)接入方式具有很多優(yōu)點(diǎn)：安裝簡(jiǎn)便，支持熱插拔，而且不需要在計(jì)算機(jī)內(nèi)部安裝以太網(wǎng)卡，尤其在主板插槽緊張時(shí)節(jié)省了資源。

1、 系統(tǒng)硬件組成

本文所述的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)四路USB接口的局域網(wǎng)接入。圖1是整個(gè)系統(tǒng)的硬件組成框圖。

1.1 物理層

物理層芯片連接上級(jí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的下行RJ45接口和交換控制器。本文所述系統(tǒng)用臺(tái)灣REALTEK公司的RTL8204芯片實(shí)現(xiàn)。這塊芯片是一塊高度集成的10BASE-T/100BASE-TX/FX的以太網(wǎng)收發(fā)芯片。RTL8204包括了四個(gè)獨(dú)立的通道，可以同時(shí)收發(fā)四路以太網(wǎng)信號(hào)，每路通道都集成了4B5B編解碼器、曼徹斯特編解碼器、加擾器、解擾器、輸出驅(qū)動(dòng)、輸出波形形成、濾波、數(shù)字自適應(yīng)均衡和鎖相環(huán)模塊。但在本系統(tǒng)中只用了一路連接外部局域網(wǎng)。與普通物理層芯片所具有的質(zhì)獨(dú)立（MII）接口相比較，RTL8204使用了相對(duì)簡(jiǎn)單的簡(jiǎn)化介質(zhì)獨(dú)立（RMII）接口向上與MAC層進(jìn)行連接。這種RMII接口省掉了MII接口中的許多控制信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)，將15位信號(hào)減到了7位，簡(jiǎn)化了硬件的設(shè)計(jì)工作。

1.2 交換控制器

本系統(tǒng)采用的交換控制器是臺(tái)灣REALTEK公司的RTL8308B芯片。這是一塊具有8端口10Mbps/100Mbps的交換控制器。它對(duì)各個(gè)端口的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并交換，并對(duì)各端口的流量加以控制。RTL8308B每個(gè)端口都能夠處理10Mbps或者100Mbps的數(shù)據(jù)，可以工作在全雙工或者半雙工模式下。與RTL8204一樣，RTL8308B的接口也是RMII接口，硬件設(shè)計(jì)非常方便。

RTL8308B片內(nèi)集成有2MB的DRAM?？梢杂米鲾?shù)據(jù)包的緩存。RTL8308B支持IEEE802.3x全雙工流量控制和半雙工后退壓力算法、地址學(xué)習(xí)算法、廣播風(fēng)暴控制和環(huán)路測(cè)試功能。RTL8308B片外用一片串行EEPROM 24LC02B實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片的配置。

1.3 USB轉(zhuǎn)換芯片

USB轉(zhuǎn)換芯片對(duì)USB接口的數(shù)據(jù)、控制信號(hào)和RMII接口的數(shù)據(jù)、控制信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)采用臺(tái)灣ASIX公司的AX88170作為USB 協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片。這塊芯片片內(nèi)5KB×16bit的SRAM，內(nèi)部對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行USB協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換。它支持USB1.1標(biāo)準(zhǔn)，并可連接基于IEEE 702.3或IEEE 802.3u以太網(wǎng)協(xié)議下的10Mbps/100Mbps網(wǎng)絡(luò)，而且在支持MII接口的同時(shí)，還支持簡(jiǎn)單的RMII接口，方便硬件的設(shè)計(jì)。

AX88170片外用一片串行EEPROM 93LC56實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片的配置。

1.4 通用串行總線（USB）接口

通用串行總線（USB）設(shè)備在即插即用的特性上能夠較好地滿(mǎn)足用戶(hù)使用方便的要求。USB規(guī)范目前有兩個(gè)版本：1.1和2.0。目前，絕大多數(shù)計(jì)算機(jī)主板還只是支持USB 1.1規(guī)范的最高12Mbps速率，所以本系統(tǒng)是針對(duì)USB 1.1規(guī)范進(jìn)行的。

2、 硬件配置

2.1 RTL8308B的配置

交換控制器RTL8308B的配合是通過(guò)芯片在上電時(shí)讀取串行EEPROM 24LC02B及某些控制引腳的電平來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這其中包括廣播控制使能、半雙工后退壓力函數(shù)使能、全雙工流量控制、環(huán)路監(jiān)測(cè)函數(shù)使能位、CRC校驗(yàn)允許位、Hash算法使能位等。對(duì)這些控制位的使能，本系統(tǒng)視需要而定，這里不再一一敘述。

此外，非常重要的是選擇好RTL8308B的物理端口，并設(shè)置好其對(duì)應(yīng)的物理地址。如果物理地址沒(méi)有設(shè)置正確，交換控制器將能正常地從連接端口交換數(shù)據(jù)。在本系統(tǒng)中，根據(jù)芯片手冊(cè)要求及實(shí)際需要，選取C端口連接RTL8204的C端口，E、F、G、H分別連接4片USB轉(zhuǎn)換芯片AX88170。在EEPROM 24LC02B內(nèi)設(shè)置好物理端口 對(duì)應(yīng)的物理地址，使RTL8308B的A端口到H端口對(duì)應(yīng)著物理地址08H～0FH。

2.2 RTL8204的配置

RTL8204的系統(tǒng)配置通過(guò)讀取某些控制引腳上電時(shí)刻的電平來(lái)實(shí)現(xiàn)。RTL8204在上電時(shí)讀取對(duì)應(yīng)的引腳電平，并將其狀態(tài)寫(xiě)入自己的內(nèi)部寄存器中。這些控制引腳包括速率的選擇（10Mbps/100Mbps）、全雙工/半雙工的選擇以及自動(dòng)協(xié)商的使能。本系統(tǒng)選擇了自動(dòng)協(xié)商工作方式，使 RTL8204可以自動(dòng)地與傳輸方式未知的上級(jí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備協(xié)商物理層信號(hào)的傳輸方式。

降此以外，對(duì)RTL8204最重要的配置是其端口的物理地址的設(shè)備。本系統(tǒng)用RTL8204的C端口連接RTL8308B的C端口，要求這兩個(gè)端口的物理地址一致。前文所述，RTL8308B的C端口地址應(yīng)為0AH，所以，應(yīng)該將該RTL8204的C端口地址設(shè)置成為0AH，具體設(shè)備方法可以參考文獻(xiàn)。

2.3 AX88170的系統(tǒng)配置

USB轉(zhuǎn)換芯片AX88170的數(shù)據(jù)接口可以選擇MII接口或者RMII接口，本系統(tǒng)選擇了設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單的RMII接口。AX88170還可以工作在PHY模式或者M(jìn)AC模式下，在本系統(tǒng)中，RTL8308B工作在MAC層，對(duì)其他芯片的傳輸方式進(jìn)行控制。所以，這里需要將MX88170設(shè)置為工作在PHY模式下。

和前所述的REL8204、RTL8308B一樣，AX88170的物理地址的設(shè)置也要與RTL8308B的設(shè)置相一致。本文中的4片 AX88170分別與RTL8308B的E、F、G、H端口連接，所以對(duì)應(yīng)的物理端口地址應(yīng)該分別設(shè)置為0CH、0DH、0E和0FH。

除此之外，在存儲(chǔ)AX88170控制信息的EEPROM93LC56中，還存儲(chǔ)這個(gè)端口的MAC地址。這里4個(gè)MAC地址和RTL8308B的MAC地址的選擇應(yīng)該避免自身的重復(fù)，并且不應(yīng)與現(xiàn)有局域網(wǎng)里的MAC地址重復(fù)。

2.4 其它控制信號(hào)

整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)位信號(hào)的重要性不言而喻，除了每片芯片都有各自最小時(shí)間的要求外，交換控制器RTL8308B還要求在復(fù)位后完成重新配置的時(shí)間不能早于其他物理層芯片（即RTL8204和4片MX88170）的配置暗。也就是說(shuō)，RTL8308B的復(fù)位時(shí)間不能短于其他物理層芯片的復(fù)位時(shí)間。所以本系統(tǒng)還采用了MAXIM的MAX809芯片用作所有芯片的復(fù)位信號(hào)，既保證了復(fù)位信號(hào)的單穩(wěn)的可靠性，也保證了RTL8308B和其他物理層芯片的復(fù)位時(shí)間是相等的。

在本系統(tǒng)中，時(shí)鐘信號(hào)成為重要，特別是50MHz的時(shí)鐘信號(hào)。50MHz時(shí)鐘信號(hào)需要連接到RTL8308B、RTL8204和4片 MX88170的RMII接口，需要足夠的驅(qū)動(dòng)能力，并且它們之間的相位差要足夠小才可以保證傳輸?shù)目煽啃?。本系統(tǒng)采用了IDT公司的 49FCT3805（1：5時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)芯片）對(duì)時(shí)鐘信號(hào)增加了驅(qū)動(dòng)力，并增大了扇出。

3、 測(cè)試程序和驅(qū)動(dòng)程序

為了方便硬件的調(diào)試，還需要編寫(xiě)簡(jiǎn)單的測(cè)試程序來(lái)調(diào)試系統(tǒng)。除標(biāo)準(zhǔn)USB指令外，AX88170廠家提供了關(guān)于MX88170的特殊指令，包括讀寫(xiě)EEPROM、讀寫(xiě)片內(nèi)收發(fā)存儲(chǔ)器、讀寫(xiě)內(nèi)部其他控制寄存器等，方便了系統(tǒng)的調(diào)試。由于MX88170芯片的廠商免費(fèi)提供了其在Windows 98、Windows 2000和Windows Me下的驅(qū)動(dòng)程序，所以本系統(tǒng)僅僅編寫(xiě)了簡(jiǎn)單的USB設(shè)備的測(cè)試程序，主要用來(lái)調(diào)試AX88170的工作狀態(tài)。圖2給出了程序的流程圖。程序初始化后打開(kāi)目標(biāo)設(shè)備，然后讀取設(shè)備標(biāo)識(shí)和配置標(biāo)識(shí)并判斷。如果正確，則繼續(xù)讀取設(shè)備標(biāo)識(shí)和配置標(biāo)識(shí)并判斷。如果正確，則繼續(xù)讀取EEPROM里的MAC地址和物理端口地址，之后向MX88170的片內(nèi)發(fā)送SRAM和接收SRAM讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，如果結(jié)果正確即證明AX88170已經(jīng)能夠正常工作。MX88170完整的驅(qū)動(dòng)程序由芯片廠端免費(fèi)提供。經(jīng)過(guò)測(cè)試，本系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定。

本系統(tǒng)用于辦公室或?qū)嶒?yàn)室環(huán)境下的計(jì)算機(jī)組網(wǎng)，支持IEEE 802.3的10Mbps/100Mbps以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，兼容全雙工和半雙工網(wǎng)絡(luò)。圖3為它的應(yīng)用實(shí)例，它可以將4臺(tái)電腦通過(guò)USB接口連接在一起，并與局域網(wǎng)相連，從而實(shí)現(xiàn)多臺(tái)計(jì)算機(jī)的信息交換、資源共享。各用戶(hù)終端可以通過(guò)本設(shè)備連接至局域網(wǎng)，進(jìn)而與Internet網(wǎng)絡(luò)相連。

系統(tǒng)下一步的改進(jìn)主要針對(duì)兩個(gè)方面：一是高速的USB 2.0協(xié)議；二是增加USB接口數(shù)量，使其能適應(yīng)更高速更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。

與傳統(tǒng)的用以太網(wǎng)卡的局域網(wǎng)接入方式相比較，利用本文的USB接口以太網(wǎng)適配器接入較為靈活、方便，而且成本低廉，具有良好的市場(chǎng)前景。

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