基于AX88796B的網(wǎng)絡接口模塊的設計與實現(xiàn)(圖)

　　網(wǎng)絡技術應用日益普及的今天，工業(yè)現(xiàn)場的儀器儀表、數(shù)據(jù)采集和控制設備也日趨網(wǎng)絡化，工業(yè)自動化和網(wǎng)絡的結合越來越密切。而將以太網(wǎng)和嵌入式系統(tǒng)相結合應用于工業(yè)控制中已成為趨勢。

　　AX88796B是Asix公司推出的一款為嵌入式和工業(yè)以太網(wǎng)應用而設計的低引腳數(shù)以太網(wǎng)控制芯片。其內部集成10/100Mb/s自適應的介質訪問層MAC和物理層收發(fā)器PHY以及8K×16位的SRAM。AX88796B可應用于商業(yè)級0～70C和工業(yè)級-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)標準的10Mb/s和100Mb/s以太網(wǎng)控制功能，并且提供發(fā)送隊列功能來增強標準NE2000的發(fā)送性能。

　　AT91R40008微控制器是基于ARM7TDMI核的32位RISC結構的嵌入式微控制器，非常適于工業(yè)實時控制應用。AX88796B引腳的LQFP封裝減少了PCB空間并且和NE2000兼容，編程簡單，其驅動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，我們選擇AX88796B和AT91R40008作為工業(yè)實時控制中嵌入式網(wǎng)絡應用的解決方案，具有很好的工業(yè)應用價值和前景。

　　圖1 AX88796B內部結構圖

　　AX88796B內部結構及工作原理

　　1 AX88796B的內部結構

　　網(wǎng)卡上電復位時EEPROM接口能夠通過CSR中偏移為14H的SMI/EEPROM寄存器來存取數(shù)據(jù)，MAC地址由EEPROM中讀取，并被自動載入地址為0000h～001fh和0400h～040fh的內部存儲區(qū)中。如果沒有使用EEPROM，每次上電對網(wǎng)卡進行初始化時候就手動給它分配一個MAC地址。

　　AX88796B內部有一個16KB（0x4000～0x7fff）大小的SRAM，該SRAM是雙端口SRAM，可以同時被網(wǎng)卡讀寫和用戶讀寫，這片地址空間的一部分被保留用來存放一個緩沖環(huán)結構，另一部分可以給用戶使用。在本設計中，16KB的SRAM全部被用來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包。本地DMA正是通過這個緩沖環(huán)結構來接收報文的。這個結構由一連串相鄰的固定長度為256B的緩沖區(qū)構成，每256字節(jié)稱為一頁，共有64頁。頁的地址就是地址的高8位，頁地址為0x00～0xff。其中0x40～0x4B為網(wǎng)卡的發(fā)送緩沖區(qū)，共12頁，剛好可以存儲2個最大的以太網(wǎng)包，所以我們把發(fā)送緩沖區(qū)分成兩部分進行輪流發(fā)送。使用0x4c～0x7f共52頁為網(wǎng)卡的接收緩沖區(qū)。AX88796B的SRAM空間結構和收發(fā)緩沖區(qū)結構如圖2、3所示。

　　圖2 SRAM空間結構

　　圖3 收發(fā)緩沖區(qū)

　　2 AX88796B的工作原理

　　由四個寄存器來控制接收緩沖區(qū)的操作。Page Start Address Register (PSTART)和Page Stop Address Register(PSTOP)定義了接收緩沖區(qū)的起始和終止頁號，形成一個接收緩沖環(huán)。當前頁地址寄存器（Current Page Register）指向第一個用于存儲數(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)中第一個未被主機讀取的數(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。邊界指針也被用來初始化遠端DMA來移動一個數(shù)據(jù)包，當數(shù)據(jù)包被移走后，邊界指針也向前增長。這樣，Current Page Register如同一個寫指針，Boundary Pointer如同一個讀指針。接收到一個數(shù)據(jù)包時，從PSR中指定的頁號開始存儲，如果一個256B的緩沖區(qū)不夠，DMA會執(zhí)行一個前向連接來連接下一個緩沖區(qū)以存儲這個數(shù)據(jù)包的剩余部分。連接的時候緩沖區(qū)必須是連續(xù)的，一個數(shù)據(jù)包總是會被存儲在相鄰的緩沖區(qū)里。在連接下一個緩沖區(qū)前，緩沖管理邏輯會執(zhí)行兩個比較，首先比較下一個緩沖區(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，則接收報文過程終止。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內部的SRAM。DMA分為遠程DMA（Remote DMA）和本地DMA（Local DMA）。CPU從網(wǎng)卡的SRAM讀寫數(shù)據(jù)稱為遠端DMA。AX88796B讀寫SRAM稱為本地DMA。數(shù)據(jù)包的接收過程：當數(shù)據(jù)包到達網(wǎng)卡的MAC層后，本地DMA先將到達MAC層的報文傳送到網(wǎng)卡的內存中，主機CPU再通過遠端DMA通道從網(wǎng)卡內存中讀取數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包的發(fā)送過程：主機CPU通過遠端DMA把要發(fā)送的數(shù)據(jù)包送到網(wǎng)卡的內存中，本地的DMA將該數(shù)據(jù)包傳送到MAC層，再經(jīng)由內部的PHY層發(fā)送至網(wǎng)絡。

　　網(wǎng)絡接口硬件設計

　　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RDn、WRn、RSTn都是低電平有效，分別和AT91r40008相應引腳相連即可。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，中斷請求信號可以通過配置BTCR或EEPROM來選擇其觸發(fā)方式和中斷I/O緩沖類型，AT91r40008中斷觸發(fā)方式應該和BTCR的配置相一致。其他重要引腳如IOIS16、PME、EECE、EECK在本設計中懸空處理。引腳配置應根據(jù)網(wǎng)卡芯片手冊說明和設計方案而定。

　　對AX88796B控制狀態(tài)寄存器（CSR）的操作，需要確定其基地址，基地址的選擇應根據(jù)AT91r40008的可編程外部總線EBI的地址和片選信號來確定。AT91r40008的EBI處理位于地址空間0x00400000～0xFFC00000的訪問操作，在訪問過程中，它將產生外部器件的控制訪問信號。當把網(wǎng)卡寄存器地址空間映射進EBI后，直接對EBI地址空間操作即可控制網(wǎng)卡的寄存器讀寫。對每個映射進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的驅動程序設計

　　AX88796B的網(wǎng)卡驅動程序是處理器CPU和網(wǎng)卡硬件的接口，網(wǎng)卡驅動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相關寄存器的定義與賦值外，還要完成對接收緩沖環(huán)的構造。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設置成8位或16位寬。AX88796B將偏移量為01h～0fh的寄存器分為4頁(Page0～Page3)進行操作。與NE2000兼容的寄存器只有3頁(Page0～Page2)。初始化需要設置頁0與頁1的相關寄存器，頁2的寄存器是只讀的，不可以設置，頁3的寄存器不是NE2000兼容的，不用設置。初始化函數(shù)主要要完成以下諸項工作。

　　/*AX88796B_init*/

　　/*調用復位子程序對AX88796B進行復位。有兩種復位方式:一是硬件復位，通過拉高拉低RESET引腳達到復位AX88796B的目的；二是軟件復位，從0x1f端口讀數(shù)據(jù)使AX88796B復位。*/

　　ReadByte(RESET);

　　WriteByte(RESET,0xff);

　　delay(3000);

　　WriteByte(IMR,0);/*初始化中斷屏蔽寄存器IMR，寫入0x00,禁止所有中斷請求。*/

　　WriteByte(CR,0x61);/*選中頁1，停止AX88796B。*/

　　delay(1000);

　　WriteByte(CPR,0x4C);/*初始化接收緩沖環(huán)寫頁指針CPR＝PSTART*/

　　WriteByte(PAR0～PAR5,MAC);/*設置網(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0。*/

　　delay(1000);

　　WriteByte(BNRY,0x79);/*寫邊界指針寄存器(BNRY)為0x79；*/

　　WriteByte(PSTART,0x4c);/*設置接收緩沖區(qū)的起始頁地址0x4c；*/

　　WriteByte(PSTOP,0x80);/*PSTOP接收緩沖區(qū)的結束頁地址0x80；*/

　　WriteByte(TPSR,0x40);/*TPSR發(fā)送頁的起始地址0x40；*/

　　WriteByte(DCR,0x80);/*設置數(shù)據(jù)配置寄存器為8位數(shù)據(jù)傳輸模式。*/

　　/*設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)包和多點播送地址包。*/

　　WriteByte(RCR,0x4C);

　　/*設置TCR發(fā)送配置寄存器為0x80，采用全雙工模式，當數(shù)據(jù)包長度小于60字節(jié)時自動填充，發(fā)送時附加CRC校驗。*/

　　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輸出為推挽驅動方式*/

　　WriteByte(CR,0x22);/*啟動芯片，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。單片機用輪循方式較多。為了提高CPU性能和實時性要求，這里采用中斷方式。當網(wǎng)卡接收到新數(shù)據(jù)包時進入中斷，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，并啟動遠端DMA讀命令，通過讀取4個信息字節(jié)得到待讀取數(shù)據(jù)包的長度、接收狀態(tài)和下一個將被讀的頁的指針信息。然后通過遠端DMA讀命令，將數(shù)據(jù)包從網(wǎng)卡SRAM中讀入CPU內存中，并更新讀頁指針寄存器BNRY，CPU每從網(wǎng)卡內存中讀走一頁數(shù)據(jù)，BNRY便加一，這需要通過程序實現(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，CPR將自動加一，當加到最后的空頁（這里是PSTOP=0x80）時，CPR將自動恢復為接收緩沖區(qū)的首頁（PSTART=0x4c）。網(wǎng)卡接收關鍵性代碼如下：

　　/*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;i4;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)包的長度pktlength，將數(shù)據(jù)包讀入CPU內存Buf*/

　　WriteByte(RSAR0,0x4);

　　WriteByte(RSAR1,rdnxtpge);

　　WriteByte(RBCR0,(uint8)(pktlength0x00ff));

　　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]，然后啟動遠端DMA寫命令即可將數(shù)據(jù)包寫入網(wǎng)卡內存，此后將字節(jié)數(shù)寫入TBCR[0，1]寄存器，啟動發(fā)送命令就可將數(shù)據(jù)包發(fā)送到網(wǎng)絡上。網(wǎng)卡發(fā)送的關鍵代碼如下：

　　/*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)(len0xFF));

　　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*/

　　WriteByte (TBCR0,(uint8)(len0xFF));

　　WriteByte (TBCR1,(uint8)(len>>8));

　　WriteByte (CR,0x26);

　　3 中斷處理

　　中斷的處理和CPU關聯(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線。數(shù)據(jù)包到來時，網(wǎng)卡將其保存在SARM中，同時觸發(fā)一個中斷。處理器接收到中斷信號后，進入中斷處理程序。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，這時需觸發(fā)一個消息，進入到讀網(wǎng)卡函數(shù)。讀網(wǎng)卡函數(shù)的功能是將網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包從網(wǎng)卡的內存接收到主機中，接著向上層傳遞，進行相應的處理。

　　一個報文的發(fā)送過程就是通過調用寫網(wǎng)卡函數(shù)，將報文發(fā)送到網(wǎng)卡的內存中去。然后將AX88796的控制寄存器（CR）的發(fā)送位TXP（Transmit packet）位置1，即將報文發(fā)送。

　　中斷處理子程序的關鍵代碼：

　　/*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(InterruptStatus0x01)//是否為數(shù)據(jù)包接收中斷

　　OSQPost(TcpIpMsgQ,idx);//通知上位機接收到數(shù)據(jù)包

　　write(IMR,0x11);//使能接收中斷和覆寫中斷