以FPGA和LAN91C111為基礎(chǔ)的嵌入式以太網(wǎng)接口電路設(shè)計(jì)詳解

0 引言

隨著CPU性能的大幅度提升，嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)進(jìn)入了更廣泛的領(lǐng)域。隨著FPGA的不斷發(fā)展和規(guī)模的進(jìn)一步強(qiáng)大，SOPC的應(yīng)用也越來越廣泛。由于SOPC的可編程特性很受嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員的青睞，因此，隨著信息產(chǎn)業(yè)和微電子技術(shù)的發(fā)展，可編程嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)成為信息產(chǎn)業(yè)最熱門的技術(shù)之一，F(xiàn)PGA正以各種電子產(chǎn)品的形式進(jìn)入人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)角落。

以太網(wǎng)以其良好的通用性和帶寬性能成為新一代工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的焦點(diǎn)，目前，關(guān)于嵌入式以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案大部分是基于單片機(jī)的。由于單片機(jī)的速度慢，而FPCA作為一種特殊的嵌入式微處理器系統(tǒng)，則具有快速處理數(shù)據(jù)的能力。因此，在嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中引入FPGA技術(shù)，可以使嵌入式以太網(wǎng)的速度更快。為此，本文介紹基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)與LAN91C111型自適應(yīng)10Mb／100Mb嵌入式以太網(wǎng)的接口電路與實(shí)現(xiàn)方法。

1 硬件設(shè)計(jì)

1．1 FPGA的特點(diǎn)

本系統(tǒng)的主控芯片采用ALTERA公司CycloneII系列的EP2C35F484。FPGA內(nèi)部集成有鎖相環(huán)，可以把外部時(shí)鐘倍頻，其核心頻率可以到幾百兆，同時(shí)具有豐富的IO資源，可以方便連接外設(shè)。FPGA的并行執(zhí)行程序方式具有處理更復(fù)雜功能的能力，而且內(nèi)部嵌有SOPC和DSP?？删幊蘏OPC是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計(jì)方式，而且可裁剪、可擴(kuò)充，同時(shí)軟硬件在系統(tǒng)可編程功能。

1．2 嵌入式以太網(wǎng)控制器LAN91C111

以太網(wǎng)控制芯片所選用的SMSC公司LAN91C111芯片是專門用于嵌入式產(chǎn)品的10M／100M第三代快速以太網(wǎng)控制器。該器件具有可編程、CRC校驗(yàn)、同步或異步工作方式，且具有低功耗CMOS設(shè)計(jì)和小尺寸等特點(diǎn)，是設(shè)計(jì)嵌入式以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口的良好選擇。LAN91C111的原理框圖如圖1所示。

LAN91C111集成了CSMA／CD（帶碰撞的載波偵聽多路接入）協(xié)議的MAC（媒體層）和PHY（物理層）。其主要特點(diǎn)是支持IEEE802．3／802 U以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)、自適應(yīng)10M／100M，全雙工／半雙工收發(fā)方式、有8KB的片上FIFO存儲(chǔ)器、支持8位或16位或32位總線方式、支持先進(jìn)的傳輸隊(duì)列管理、有串行EEPROM選擇性配置口、并支持突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸、支持全雙工交換式以太網(wǎng)、增強(qiáng)式能量管理功能和低功耗的CMOS設(shè)計(jì)。

總線接口模塊是由數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線以8位、16位、或32位形式與外部數(shù)據(jù)進(jìn)行交互。LAN91C111以太網(wǎng)控制器遵循IEEE頒布的802．3以太網(wǎng)傳輸協(xié)議，內(nèi)部集成有8KB的RAM，可通過內(nèi)部的內(nèi)存管理模塊、仲裁模塊和DMA共同管理數(shù)據(jù)包的發(fā)送與接收。其仲裁器監(jiān)視以太網(wǎng)總線的數(shù)據(jù)交流，一旦發(fā)生阻塞。仲裁器一方面通過總線接口單元與外部CPU聯(lián)系；一方面控制內(nèi)存控制單元，實(shí)現(xiàn)總線的數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)。LAN91C111內(nèi)部的RAM可以緩存數(shù)據(jù)，在全雙工工作模式下，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到10M／100Mbps。所有內(nèi)部寄存器的初始值均放在EEPROM中，自舉時(shí)可完成自動(dòng)初始化。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，若以10Mbps速率傳輸，則可采用Manchester編碼，并以兩層曼徹斯特代替三電平，且沒有擾頻器和解擾頻器；若以100Mbps速率傳輸，則先將發(fā)送到RAM中的數(shù)據(jù)包以包號(hào)的形式存放在FIFO的發(fā)送隊(duì)列中，然后按照規(guī)則逐個(gè)將數(shù)據(jù)包發(fā)送到PHY模塊進(jìn)行4B-5B編碼，發(fā)送數(shù)據(jù)端可將通過擾頻器整理后的4B-5B數(shù)據(jù)包變換成MLT-3后輸出。而在接收時(shí)，則將數(shù)據(jù)包復(fù)制并發(fā)送到解擾頻器進(jìn)行整理，然后再發(fā)送到4B-5B解碼器進(jìn)行解碼。

1．3 硬件連接

本設(shè)計(jì)在FPGA芯片EP2C35中嵌入了32位的NIOS II處理器。由于LAN91C111是專為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，因而其外圍電路相對(duì)比較簡(jiǎn)單。圖2所示是其硬件連接圖，圖中的地址線、數(shù)據(jù)線、控制線分別與FPGA相連。由于采用的是16位數(shù)據(jù)傳輸方式，因此只用到數(shù)據(jù)總線的低16位?？刂凭€中的AEN為片選信號(hào)，INTR0為外部中斷信號(hào)，WR為讀寫信號(hào)，BE0-BE1為字節(jié)選擇端。LAN91C111中的ADS、LCLK、CYCLE、W／R、RDYR-TN信號(hào)應(yīng)均加一個(gè)1kΩ的上拉電阻。TG10o-S050N2是以太網(wǎng)的變壓濾波器。TX+、TX-、RX+、RX-分別與LAN91C111的TPO+、TPO-、TPI+、YPI-相連。TG100-S050N2的CMT端也應(yīng)接一個(gè)1kΩ的上拉電阻。RJ45的TD+、TD-、RD+、RD-分別與TG100-S050N2的TD4+、TD-、RD+、RD-相連。在TG100-S050N2的TCT和RCT亦應(yīng)分別接一個(gè)75Ω的電阻和1nF的濾波電容。這樣即可在控制線的作用下完成FPGA與LAN91C111之間的數(shù)據(jù)通信。

2 軟件設(shè)計(jì)

ALTERA公司提供的硬件抽象層（HAL）中封裝了系統(tǒng)中硬件的相關(guān)細(xì)節(jié)和驅(qū)動(dòng)程序，用戶可在HAL的基礎(chǔ)上方便地開發(fā)存儲(chǔ)等應(yīng)用程序。

NIOSⅡIDE環(huán)境中集成有μCOS II和LWIP，其中LWIP必須在μCOS的支持下使用。μC／OSⅡ是一種免費(fèi)公開源代碼，結(jié)構(gòu)小巧，而且具有可剝奪

實(shí)時(shí)內(nèi)核的操作系統(tǒng)，它可移植、可裁剪，最多可管理64個(gè)任務(wù)，其每個(gè)任務(wù)都擁有自己獨(dú)立的堆棧，大部分源碼可使用ANSI C語(yǔ)言編寫，整個(gè)軟件部分可在NIOS II IDE開發(fā)環(huán)境下完成。由于程序的內(nèi)容較多，本文著重介紹LAN91C111的初始化、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)三個(gè)部分的軟件設(shè)計(jì)方法。

2．1 初始化

ALTERA提供有LWIP的NIOS II端口，其源代碼包含在NIOS II開發(fā)工具包中。LWIP可為NIOS II處理器提供對(duì)以太網(wǎng)連接棧的快速、開源

地訪問。ALTERA的LWIP端口包括套接字API封裝，提供有標(biāo)準(zhǔn)的、文檔說明齊全的套接字API。LWIP協(xié)議棧的主要接口是標(biāo)準(zhǔn)的套接字接口。

除了套接字接口以外，還可調(diào)用lwip_stack_init（）函數(shù)和lwip_devices_init（）函數(shù)來對(duì)堆棧和驅(qū)動(dòng)程序初始化。通過HAL系統(tǒng)代碼可調(diào)用

init_done_func（）、get_mac_addr（）和get_ip_addr（）函數(shù)來設(shè)置MAC地址和IP地址。為了初始化堆棧，在調(diào)用OSStart啟動(dòng)μC／OS II調(diào)度程序之前應(yīng)調(diào)用函數(shù)lwip_stack_init（），其原型為voidlwip_stack_init（ int thread_prio， void（*init_done_func）（void*），void*arg）。堆棧初始化后，還必須調(diào)用函數(shù)init_done_func（），而該函數(shù)必須調(diào)用函數(shù)lwip_devices_init（）。利用函數(shù)lwip_devices_init（）可以對(duì)在system．h中定義的所有已安裝的以太網(wǎng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行注冊(cè)，若返回一個(gè)非0值則表示注冊(cè)成功。注冊(cè)成功后，TCP／IP棧即可使用，之后便可在程序中創(chuàng)建任務(wù)。該函數(shù)的參數(shù)是接收線程的優(yōu)先級(jí)。LWIP系統(tǒng)碼在設(shè)備初始化過程中，可通過lwip_devices_init（）函數(shù)調(diào)用函數(shù)get_mac_addr（）和get_ip_addr（）。用戶通過編寫這些函數(shù)，可在系統(tǒng)中將MAC和IP地址存放在任意位置，從而代替在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中固定位置的硬編碼，并增加系統(tǒng)的靈活性。設(shè)計(jì)時(shí)，可以將MAC地址存放在Flash存儲(chǔ)器中，也可以將MAC地址存放在片上內(nèi)嵌的存儲(chǔ)器中。當(dāng)所有的初始化都準(zhǔn)備好后即可調(diào)用OSStart（）以啟動(dòng)RTOS進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。這個(gè)過程需要設(shè)置以太網(wǎng)目的地址、以太網(wǎng)源地址、協(xié)議類型，然后再按照所設(shè)置的協(xié)議類型來設(shè)置數(shù)據(jù)包。

2．2 數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收

數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送可采用中斷方式。中斷服務(wù)程序通過檢查L(zhǎng)AN91C111的中斷狀態(tài)寄存器來判斷是發(fā)送中斷請(qǐng)求還是接收中斷請(qǐng)求。初始化完成后，即可創(chuàng)建任務(wù)，建立套接字，綁定端口，綁定完之后，再監(jiān)聽端口。當(dāng)LAN91C111接收到數(shù)據(jù)包時(shí)，可由EPH模塊察看此數(shù)據(jù)包的目的地址，若為本網(wǎng)卡的MAC地址或廣播地址或多播地址，則把此數(shù)據(jù)包傳送到LAN91C111的RAM中，并向處理器發(fā)送中斷，由處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。由于采用的是TCP／IP協(xié)議，接收數(shù)據(jù)應(yīng)調(diào)用read（）函數(shù)來接收建立連接的套接字中的數(shù)據(jù)，并將其放入緩沖區(qū)。發(fā)送過程則是由FPGA將數(shù)據(jù)傳送到LAN91C111，再由LAN91C111將接收到的數(shù)據(jù)封裝成數(shù)據(jù)包，并檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，再將數(shù)據(jù)包傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中，并向處理器發(fā)送中斷信號(hào)，以表示數(shù)據(jù)傳送完畢。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)通過調(diào)用write（）函數(shù)可將要發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送到指定連接的目的地址。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文的整個(gè)設(shè)計(jì)使用了邏輯單元（LE）5314個(gè)，占用EP2C35F484芯片內(nèi)部資源的16％，這充分體現(xiàn)了FPGA資源的豐富性。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通常選用單片機(jī)和低速網(wǎng)卡的設(shè)計(jì)方案，這在實(shí)際應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)速度相對(duì)較慢，而本設(shè)計(jì)中選用高速的以太網(wǎng)控制芯片LAN91C111和高速的FPGA，極大地提高了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理能力，并可滿足網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集的需求。另外，基于FPGA的NIOSⅡ方案，還可根據(jù)實(shí)際需要添加不同IP，這也體現(xiàn)了SOPC的靈活性與可裁減性。