基于AX88796B的網(wǎng)絡(luò)接口模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于AX88796B的網(wǎng)絡(luò)接口模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言
網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用日益普及的今天，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的儀器儀表、數(shù)據(jù)采集和控制設(shè)備也日趨網(wǎng)絡(luò)化，工業(yè)自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合越來(lái)越密切。而將以太網(wǎng)和嵌入式系統(tǒng)相結(jié)合應(yīng)用于工業(yè)控制中已成為趨勢(shì)。
AX88796B是Asix公司推出的一款為嵌入式和工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的低引腳數(shù)以太網(wǎng)控制芯片。其內(nèi)部集成10/100Mb/s自適應(yīng)的介質(zhì)訪問層MAC和物理層收發(fā)器PHY以及8K×16位的SRAM。AX88796B可應(yīng)用于商業(yè)級(jí)0～70C和工業(yè)級(jí)-40C～85C的溫度范圍。AX88796B支持MCS-51系列、80186系列、ISA總線和SRAM-like接口類型。執(zhí)行基于IEEE802.3/IEEE802.3u局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的10Mb/s和100Mb/s以太網(wǎng)控制功能，并且提供發(fā)送隊(duì)列功能來(lái)增強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)NE2000的發(fā)送性能。
AT91R40008微控制器是基于ARM7TDMI核的32位RISC結(jié)構(gòu)的嵌入式微控制器，非常適于工業(yè)實(shí)時(shí)控制應(yīng)用。AX88796B引腳的LQFP封裝減少了PCB空間并且和NE2000兼容，編程簡(jiǎn)單，其驅(qū)動(dòng)可以容易快速的移植到許多嵌入式系統(tǒng)中。因此，綜合上述兩種芯片的優(yōu)點(diǎn)，我們選擇AX88796B和AT91R40008作為工業(yè)實(shí)時(shí)控制中嵌入式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的解決方案，具有很好的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值和前景。

圖1 AX88796B內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

AX88796B內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理
1 AX88796B的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
網(wǎng)卡上電復(fù)位時(shí)EEPROM接口能夠通過CSR中偏移為14H的SMI/EEPROM寄存器來(lái)存取數(shù)據(jù)，MAC地址由EEPROM中讀取，并被自動(dòng)載入地址為0000h～001fh和0400h～040fh的內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)中。如果沒有使用EEPROM，每次上電對(duì)網(wǎng)卡進(jìn)行初始化時(shí)候就手動(dòng)給它分配一個(gè)MAC地址。

AX88796B內(nèi)部有一個(gè)16KB（0x4000～0x7fff）大小的SRAM，該SRAM是雙端口SRAM，可以同時(shí)被網(wǎng)卡讀寫和用戶讀寫，這片地址空間的一部分被保留用來(lái)存放一個(gè)緩沖環(huán)結(jié)構(gòu)，另一部分可以給用戶使用。在本設(shè)計(jì)中，16KB的SRAM全部被用來(lái)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包。本地DMA正是通過這個(gè)緩沖環(huán)結(jié)構(gòu)來(lái)接收?qǐng)?bào)文的。這個(gè)結(jié)構(gòu)由一連串相鄰的固定長(zhǎng)度為256B的緩沖區(qū)構(gòu)成，每256字節(jié)稱為一頁(yè)，共有64頁(yè)。頁(yè)的地址就是地址的高8位，頁(yè)地址為0x00～0xff。其中0x40～0x4B為網(wǎng)卡的發(fā)送緩沖區(qū)，共12頁(yè)，剛好可以存儲(chǔ)2個(gè)最大的以太網(wǎng)包，所以我們把發(fā)送緩沖區(qū)分成兩部分進(jìn)行輪流發(fā)送。使用0x4c～0x7f共52頁(yè)為網(wǎng)卡的接收緩沖區(qū)。AX88796B的SRAM空間結(jié)構(gòu)和收發(fā)緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)如圖2、3所示。

圖2 SRAM空間結(jié)構(gòu)

圖3 收發(fā)緩沖區(qū)

2 AX88796B的工作原理
由四個(gè)寄存器來(lái)控制接收緩沖區(qū)的操作。Page Start Address Register (PSTART)和Page Stop Address Register(PSTOP)定義了接收緩沖區(qū)的起始和終止頁(yè)號(hào)，形成一個(gè)接收緩沖環(huán)。當(dāng)前頁(yè)地址寄存器（Current Page Register）指向第一個(gè)用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包的緩沖區(qū)。邊界指針寄存器（Boundary Pointer Register）指向在緩沖環(huán)中第一個(gè)未被主機(jī)讀取的數(shù)據(jù)包。如果本地DMA地址與Boundary Pointer Register的值相等，則接收過程中止。邊界指針也被用來(lái)初始化遠(yuǎn)端DMA來(lái)移動(dòng)一個(gè)數(shù)據(jù)包，當(dāng)數(shù)據(jù)包被移走后，邊界指針也向前增長(zhǎng)。這樣，Current Page Register如同一個(gè)寫指針，Boundary Pointer如同一個(gè)讀指針。接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，從PSR中指定的頁(yè)號(hào)開始存儲(chǔ)，如果一個(gè)256B的緩沖區(qū)不夠，DMA會(huì)執(zhí)行一個(gè)前向連接來(lái)連接下一個(gè)緩沖區(qū)以存儲(chǔ)這個(gè)數(shù)據(jù)包的剩余部分。連接的時(shí)候緩沖區(qū)必須是連續(xù)的，一個(gè)數(shù)據(jù)包總是會(huì)被存儲(chǔ)在相鄰的緩沖區(qū)里。在連接下一個(gè)緩沖區(qū)前，緩沖管理邏輯會(huì)執(zhí)行兩個(gè)比較，首先比較下一個(gè)緩沖區(qū)的DMA地址是否和page Stop Register相等，若相等，則DMA地址被恢復(fù)為page start address register中保存的地址。其次和boundary pointer register比較，如果相等，則接收?qǐng)?bào)文過程終止。Boundary Pointer Register能夠防止緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)還沒有讀出就被重寫。
要發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包就必須通過DMA讀寫AX88796B內(nèi)部的SRAM。DMA分為遠(yuǎn)程DMA（Remote DMA）和本地DMA（Local DMA）。CPU從網(wǎng)卡的SRAM讀寫數(shù)據(jù)稱為遠(yuǎn)端DMA。AX88796B讀寫SRAM稱為本地DMA。數(shù)據(jù)包的接收過程：當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)網(wǎng)卡的MAC層后，本地DMA先將到達(dá)MAC層的報(bào)文傳送到網(wǎng)卡的內(nèi)存中，主機(jī)CPU再通過遠(yuǎn)端DMA通道從網(wǎng)卡內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包的發(fā)送過程：主機(jī)CPU通過遠(yuǎn)端DMA把要發(fā)送的數(shù)據(jù)包送到網(wǎng)卡的內(nèi)存中，本地的DMA將該數(shù)據(jù)包傳送到MAC層，再經(jīng)由內(nèi)部的PHY層發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)。

網(wǎng)絡(luò)接口硬件設(shè)計(jì)
1 AX88796B的引腳配置
AX88796B與CPU的連接方式有MCS51模式、ISA模式、186模式，此方案使用了ISA 8bit模式。片選引腳CSn，讀寫信號(hào)RDn、WRn、RSTn都是低電平有效，分別和AT91r40008相應(yīng)引腳相連即可。AX88796B的數(shù)據(jù)線SD0～SD15和AT91r40008的DATA[0:15]相連，可通過軟件配置為16位或8位DMA數(shù)據(jù)傳輸方式。AX88796B的IRQ是可編程的，中斷請(qǐng)求信號(hào)可以通過配置BTCR或EEPROM來(lái)選擇其觸發(fā)方式和中斷I/O緩沖類型，AT91r40008中斷觸發(fā)方式應(yīng)該和BTCR的配置相一致。其他重要引腳如IOIS16、PME、EECE、EECK在本設(shè)計(jì)中懸空處理。引腳配置應(yīng)根據(jù)網(wǎng)卡芯片手冊(cè)說(shuō)明和設(shè)計(jì)方案而定。
對(duì)AX88796B控制狀態(tài)寄存器（CSR）的操作，需要確定其基地址，基地址的選擇應(yīng)根據(jù)AT91r40008的可編程外部總線EBI的地址和片選信號(hào)來(lái)確定。AT91r40008的EBI處理位于地址空間0x00400000～0xFFC00000的訪問操作，在訪問過程中，它將產(chǎn)生外部器件的控制訪問信號(hào)。當(dāng)把網(wǎng)卡寄存器地址空間映射進(jìn)EBI后，直接對(duì)EBI地址空間操作即可控制網(wǎng)卡的寄存器讀寫。對(duì)每個(gè)映射進(jìn)EBI接口的外圍器件，可以編程等待周期數(shù)、數(shù)據(jù)浮空時(shí)間、數(shù)據(jù)總線寬度（8位或16位）等。
2 AT91r40008與AX88796B接口電路

圖4 硬件連接原理圖

電路如圖4所示。

AX88796B的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
AX88796B的網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序是處理器CPU和網(wǎng)卡硬件的接口，網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序主要包括以下幾部分：網(wǎng)卡的初始化；數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送；中斷處理子程序。
1 網(wǎng)卡初始化
在網(wǎng)卡的初始化過程中除了完成對(duì)相關(guān)寄存器的定義與賦值外，還要完成對(duì)接收緩沖環(huán)的構(gòu)造。AX88796B的所有寄存器除了數(shù)據(jù)端口寄存器外都是8位數(shù)據(jù)寬度。數(shù)據(jù)端口寄存器可以通過配置DCR寄存器中的WTS設(shè)置成8位或16位寬。AX88796B將偏移量為01h～0fh的寄存器分為4頁(yè)(Page0～Page3)進(jìn)行操作。與NE2000兼容的寄存器只有3頁(yè)(Page0～Page2)。初始化需要設(shè)置頁(yè)0與頁(yè)1的相關(guān)寄存器，頁(yè)2的寄存器是只讀的，不可以設(shè)置，頁(yè)3的寄存器不是NE2000兼容的，不用設(shè)置。初始化函數(shù)主要要完成以下諸項(xiàng)工作。
/*AX88796B_init*/
/*調(diào)用復(fù)位子程序?qū)X88796B進(jìn)行復(fù)位。有兩種復(fù)位方式:一是硬件復(fù)位，通過拉高拉低RESET引腳達(dá)到復(fù)位AX88796B的目的；二是軟件復(fù)位，從0x1f端口讀數(shù)據(jù)使AX88796B復(fù)位。*/
ReadByte(RESET);
WriteByte(RESET,0xff);
delay(3000);
WriteByte(IMR,0);/*初始化中斷屏蔽寄存器IMR，寫入0x00,禁止所有中斷請(qǐng)求。*/
WriteByte(CR,0x61);/*選中頁(yè)1，停止AX88796B。*/
delay(1000);
WriteByte(CPR,0x4C);/*初始化接收緩沖環(huán)寫頁(yè)指針CPR＝PSTART*/
WriteByte(PAR0～PAR5,MAC);/*設(shè)置網(wǎng)卡芯片MAC地址，清除多播地址寄存器。*/
WriteByte(MAR0～MAR7,0);
WriteByte(CR,0x21);/*停止網(wǎng)卡，切換到頁(yè)0。*/
delay(1000);
WriteByte(BNRY,0x79);/*寫邊界指針寄存器(BNRY)為0x79；*/
WriteByte(PSTART,0x4c);/*設(shè)置接收緩沖區(qū)的起始頁(yè)地址0x4c；*/
WriteByte(PSTOP,0x80);/*PSTOP接收緩沖區(qū)的結(jié)束頁(yè)地址0x80；*/
WriteByte(TPSR,0x40);/*TPSR發(fā)送頁(yè)的起始地址0x40；*/
WriteByte(DCR,0x80);/*設(shè)置數(shù)據(jù)配置寄存器為8位數(shù)據(jù)傳輸模式。*/
/*設(shè)置接收配置寄存器為0x4C，使接收緩沖區(qū)僅接收廣播地址數(shù)據(jù)包和多點(diǎn)播送地址包。*/
WriteByte(RCR,0x4C);
/*設(shè)置TCR發(fā)送配置寄存器為0x80，采用全雙工模式，當(dāng)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度小于60字節(jié)時(shí)自動(dòng)填充，發(fā)送時(shí)附加CRC校驗(yàn)。*/
WriteByte(TCR,0x80);
WriteByte(ISR,0xFF);/*清除中斷狀態(tài)寄存器。*/
WriteByte(IMR,0x11);/*允許覆寫中斷和數(shù)據(jù)包接收中斷。*/
WriteByte(BTCR,0x30);/*中斷觸發(fā)方式為高電平有效，IRQ輸出為推挽驅(qū)動(dòng)方式*/
WriteByte(CR,0x22);/*啟動(dòng)芯片，AX88796B初始化完成。*/
delay(1000);
wrcurpge=read(CPR);
rdnxtpge=wrcurpge;
2 數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收
判斷AX88796B是否接收到新的數(shù)據(jù)包有兩種方式：輪循和中斷。單片機(jī)用輪循方式較多。為了提高CPU性能和實(shí)時(shí)性要求，這里采用中斷方式。當(dāng)網(wǎng)卡接收到新數(shù)據(jù)包時(shí)進(jìn)入中斷，首先判斷CPR是否等于BNRY，若相等，則表示接收緩沖區(qū)已被存滿，則停止接收數(shù)據(jù)包，而不會(huì)覆蓋舊的數(shù)據(jù)；若不等，則將接收緩沖區(qū)中待讀取的數(shù)據(jù)包的起始地址寫入RSAR[0，1]寄存器，數(shù)據(jù)包的開始4字節(jié)寫入RBCR[0，1]寄存器，并啟動(dòng)遠(yuǎn)端DMA讀命令，通過讀取4個(gè)信息字節(jié)得到待讀取數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度、接收狀態(tài)和下一個(gè)將被讀的頁(yè)的指針信息。然后通過遠(yuǎn)端DMA讀命令，將數(shù)據(jù)包從網(wǎng)卡SRAM中讀入CPU內(nèi)存中，并更新讀頁(yè)指針寄存器BNRY，CPU每從網(wǎng)卡內(nèi)存中讀走一頁(yè)數(shù)據(jù)，BNRY便加一，這需要通過程序?qū)崿F(xiàn)。網(wǎng)卡通過CPR將接收到的數(shù)據(jù)包寫入接收緩沖區(qū)，每寫完一頁(yè)，CPR將自動(dòng)加一，當(dāng)加到最后的空頁(yè)（這里是PSTOP=0x80）時(shí)，CPR將自動(dòng)恢復(fù)為接收緩沖區(qū)的首頁(yè)（PSTART=0x4c）。網(wǎng)卡接收關(guān)鍵性代碼如下：
/*AX88796B_receive*/
uint8 rcvinfo[4],i;
  uint16 pktlength,index;
  /*得到待讀取數(shù)據(jù)包的信息，并將其保存在rcvinfo數(shù)組中*/
 WriteByte(RSAR0,0x00);
  WriteByte(idx,RSAR1,rdnxtpge);
  WriteByte(RBCR0,0x04);
  WriteByte(RBCR1,0x00);
  WriteByte(CR,0x0A);
  for(i=0;i<4;i++)
  rcvinfo[i]=*((uint8*)(DP_PORT+Base_addr));
  pktlength=rcvinfo[2]+(rcvinfo[3]*256)-4;
  /*根據(jù)得到的待讀取數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度pktlength，將數(shù)據(jù)包讀入CPU內(nèi)存Buf*/
  WriteByte(RSAR0,0x4);
  WriteByte(RSAR1,rdnxtpge);
  WriteByte(RBCR0,(uint8)(pktlength&0x00ff));
  WriteByte(RBCR1,(uint8)(pktlength>>8));
  WriteByte(CR,0x0A);
  ReadData(uint16*Buf,uint16 length);
  /*更新BNRY指針，并返回pktlength值*/
 rdnxtpge=rcvinfo[1];
if(rdnxtpge==PSTART)
    WriteByte(idx,BNRY,PSTOP-1);
    else
    WriteByte(idx,BNRY,rdnxtpge-1);
return pktlength;
CPU通過遠(yuǎn)端DMA通道將網(wǎng)卡發(fā)送緩沖區(qū)的起始地址和要發(fā)送的字節(jié)數(shù)分別寫入RSAR[0，1]和RBCR[0，1]，然后啟動(dòng)遠(yuǎn)端DMA寫命令即可將數(shù)據(jù)包寫入網(wǎng)卡內(nèi)存，此后將字節(jié)數(shù)寫入TBCR[0，1]寄存器，啟動(dòng)發(fā)送命令就可將數(shù)據(jù)包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。網(wǎng)卡發(fā)送的關(guān)鍵代碼如下：

/*AX88796B_transmit*/
/*將數(shù)據(jù)寫入網(wǎng)卡的發(fā)送緩沖區(qū)*/
WriteByte (RSAR0,0x00);
 WriteByte (RSAR1,TX_BUF_Start);
 WriteByte (RBCR0,(uint8)(len&0xFF));
 WriteByte (RBCR1,(uint8)(len>>8));
 WriteByte (CR,0x12); 
 WriteData((uint16*)addr,len);
 WriteByte (idx,TPSR,TX_BUF_Start);
/*發(fā)送緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)*/
 WriteByte (TBCR0,(uint8)(len&0xFF));  
 WriteByte (TBCR1,(uint8)(len>>8)); 
 WriteByte (CR,0x26);
3 中斷處理
中斷的處理和CPU關(guān)聯(lián)密切，在軟件中必須先配置好網(wǎng)卡的片選線和中斷信號(hào)線。數(shù)據(jù)包到來(lái)時(shí)，網(wǎng)卡將其保存在SARM中，同時(shí)觸發(fā)一個(gè)中斷。處理器接收到中斷信號(hào)后，進(jìn)入中斷處理程序。在中斷處理程序中讀AX88796B的中斷狀態(tài)寄存器ISR來(lái)判斷是什么樣類型的中斷，如果讀出的值的最低位為1，則代表是數(shù)據(jù)包接收中斷，這時(shí)需觸發(fā)一個(gè)消息，進(jìn)入到讀網(wǎng)卡函數(shù)。讀網(wǎng)卡函數(shù)的功能是將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包從網(wǎng)卡的內(nèi)存接收到主機(jī)中，接著向上層傳遞，進(jìn)行相應(yīng)的處理。
一個(gè)報(bào)文的發(fā)送過程就是通過調(diào)用寫網(wǎng)卡函數(shù)，將報(bào)文發(fā)送到網(wǎng)卡的內(nèi)存中去。然后將AX88796的控制寄存器（CR）的發(fā)送位TXP（Transmit packet）位置1，即將報(bào)文發(fā)送。
中斷處理子程序的關(guān)鍵代碼：
/*IRQ0_handler*/
uint8 InterruptStatus;
InterruptStatus=read(ISR);//讀中斷狀態(tài)寄存器
write(IMR,0x00);//禁止中斷
write(ISR,InterruptStatus);//清除中斷狀態(tài)寄存器
if(InterruptStatus&0x01)//是否為數(shù)據(jù)包接收中斷
OSQPost(TcpIpMsgQ,&idx);//通知上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)包
write(IMR,0x11);//使能接收中斷和覆寫中斷