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嵌入式系統(tǒng)以太網(wǎng)卡控制器LAN91C96
摘要：以LAN91C96為例，介紹嵌入式以太網(wǎng)控制器基本結(jié)構(gòu)；結(jié)合PXA250(XScale)，分析嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口卡（NIC）軟硬件設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) NIC 網(wǎng)絡(luò)接口卡 LAN91C96
引 言
當(dāng)今社會已經(jīng)進(jìn)入數(shù)字信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展的后PC(Post-PC)時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛滲透到科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)、軍事技術(shù)、各類產(chǎn)業(yè)和商業(yè)文化藝術(shù)、娛樂業(yè)以及人們的日常生活等方方面面；而網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，使得嵌入式產(chǎn)品有了更廣泛的前景。各種家電設(shè)備、PDA、儀器儀表、工業(yè)生產(chǎn)中數(shù)據(jù)的采集與控制等設(shè)備正在逐漸走向網(wǎng)絡(luò)化，以共享互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中龐大的信息資源。嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化開發(fā)有著廣闊的前景。
本文以SMSC公司的LAN91C96嵌入式以太網(wǎng)控制器為例，介紹嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口卡(NIC)的軟硬件設(shè)計(jì)。
1 以太網(wǎng)控制器LAN91C96簡介
LAN91C96是SMSC公司生產(chǎn)的專門用于嵌入式產(chǎn)品的10M以太網(wǎng)控制器。其優(yōu)良的性能、低功耗及小尺寸，使LAN91C96成為嵌入式NIC中的主流產(chǎn)品。
圖1
1.1 主要特點(diǎn)
◆ 支持IEEE802.3(ANSI8802-3)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)
◆ 全雙工收發(fā)方式，具有睡眠模式
◆ 6KB的片上RAM
◆ 與處理器接口可采用PCMCIA、ISA或Motorola 68000
◆ 支持先進(jìn)的傳輸隊(duì)列管理
◆ 硬件MMU
◆通過串行EEPROM選擇性配置
◆ 全雙工傳輸模式
◆可連接同軸電纜和雙絞線，支持10Base5、10Base2、10BaseT，并可自動檢測所連介質(zhì)
◆ 高級的電源管理特性
◆ 支持“Magic Packet”電源管理技術(shù)
◆ 低功耗的CMOS設(shè)計(jì)
1.2 內(nèi)部框架
圖1是LAN91C96原理框圖。
LAN91C96網(wǎng)卡控制其內(nèi)部集成了6KB的RAM，用來存放數(shù)據(jù)包。內(nèi)部的MMU、判決器和DMA對數(shù)據(jù)包的傳輸發(fā)送進(jìn)行有效的管理。CSMA/CD(載波監(jiān)聽多路訪問/沖突避免)模塊集成了IEEE 802.3 MAC層協(xié)議，負(fù)責(zé)監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)情況和地址過濾，若目的地址是LAN91C96的地址、廣播地址或多播地址，則接收此數(shù)據(jù)包，否則拋棄。內(nèi)部物理接口(PHY)包含一個(gè)ENDEC和10BaseT Transceiver。編解碼器(ENDEC)負(fù)責(zé)曼徹斯特(Manchester)編解碼，并提供標(biāo)準(zhǔn)6腳連接單元接口(AUI)，外接同軸傳輸接收器，應(yīng)用10Base2/5。傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，10BaseT Transceiver負(fù)責(zé)把主控制器傳過來的反向不歸零碼(NRZ)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Manchester數(shù)據(jù)，并以適當(dāng)?shù)碾娖郊右则?qū)動；接收時(shí)負(fù)責(zé)連接完整性測試。外接的串行電可擦除只讀ROM(EEPROM)中可存儲網(wǎng)卡的MAC地址，當(dāng)OS啟動加載網(wǎng)卡時(shí)，以太網(wǎng)控制器就從EEPROM的固定地址中讀取MAC地址并存儲在相應(yīng)的寄存器中。
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1.3 工作原理
LAN91C96內(nèi)部6KB的RAM為數(shù)據(jù)包的傳輸接收提供緩沖，使全雙工工作模式下數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)10Mbps；MMU把RAM分成256B的頁，并負(fù)責(zé)為每個(gè)數(shù)據(jù)幀分配一個(gè)或多個(gè)頁。
當(dāng)主處理器傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，MMU首先根據(jù)數(shù)據(jù)大小為其在RAM中分配若干頁。在數(shù)據(jù)傳送到RAM時(shí)，此數(shù)據(jù)幀的幀號也在TX FIFO中排隊(duì)，然后此數(shù)據(jù)幀在輪到時(shí)傳送到PHY模塊進(jìn)行Manchester編碼，最后根據(jù)CSMA/CD協(xié)議把此數(shù)據(jù)幀傳送到相應(yīng)的介質(zhì)上。
在介質(zhì)上有數(shù)據(jù)時(shí)，LAN91C96將數(shù)據(jù)幀復(fù)制一份并傳送到ENDEC模塊進(jìn)行Manchester解碼，而CSMA/CD模塊根據(jù)該數(shù)據(jù)幀頭的目的地址是否為本網(wǎng)卡MAC地址、廣播或多播地址來決定此數(shù)據(jù)幀的取舍。若地址匹配，MMU為其在RAM中開辟相應(yīng)大小的空間，并以中斷的方式告知主處理器。在數(shù)據(jù)幀被取走后，MMU釋放此塊內(nèi)存。
1.4 數(shù)據(jù)幀的構(gòu)成
一個(gè)IEEE 802.3數(shù)據(jù)幀由以下幾個(gè)部分組成：前導(dǎo)位(preamle)、幀起始位(SFD)、目的地址(destination)、源地址(source)、數(shù)據(jù)長度(length)、數(shù)據(jù)(data)、幀校驗(yàn)字(FCS)。如圖2所示，數(shù)據(jù)的數(shù)量范圍46~1500B，如一組要傳送的數(shù)據(jù)為46B，就用零補(bǔ)足；超過1500B時(shí)，需要拆成多個(gè)幀傳送。前導(dǎo)位、幀起始位和幀校驗(yàn)字僅供控制器本身用，主處理器收到的數(shù)據(jù)幀的組成依次包括：接收
狀態(tài)(1B)、下一幀的頁地址指針(1B)、目的地址(6B)、源地址(6B)、數(shù)據(jù)長度/幀類型(2B)、數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)長度/幀類型的值小于或等于1500B時(shí)，表示數(shù)據(jù)場的長度；反之，表示數(shù)據(jù)幀的類型。如值依次為 0x08、0x00，表示數(shù)據(jù)為IP包；值依次為0x08、0x06，表示數(shù)據(jù)為ARP包。
2 以太網(wǎng)卡設(shè)計(jì)方案
2.1 硬件設(shè)計(jì)方案
此設(shè)計(jì)方案采用的嵌入式處理器是Intel公司的PXA250(XScale)。該處理器是Intel為了滿足便攜式和嵌入式應(yīng)用需求而優(yōu)化的微處理器。PXA250基于Intel XScale微體系結(jié)構(gòu)，RISC架構(gòu)，最高可以運(yùn)行400MHz。 PXA250采用ARM指令、數(shù)據(jù)高速緩存、內(nèi)存管理單元(MMU)和讀/寫緩沖器。另外，PXA250提供系統(tǒng)支持邏輯、多串行通信通道、彩色/灰度刻度LCD控制器、支持PCMCIA、通用I/O端口、USB、串口、紅外接口、JTAG、音頻等。
圖3是嵌入式以太網(wǎng)卡的原理圖。LANC91C96內(nèi)部寄存器可通過對地址線A0、A1、A2、A3……的操作來訪問，LAN91C96內(nèi)部寄存器寬度是16bit；而PXA250的訪問寬度是32bit，所以LANC91C96的A1、A2、A3……分別與PXA250的A2、A3、A4……相連。LANC91C96的數(shù)據(jù)訪問寬度是16bit，所以其16根數(shù)據(jù)線與PXA250的低16根數(shù)據(jù)線相連。中斷INTR0與PXA250的GPIO11相連。
外接的93C46是1Kbit的串行EEPROM，64×16陣列，按字訪問，用來存儲以太網(wǎng)卡的MAC地址。MAC地址是48bit，預(yù)先燒寫在EEPROM的指定位置。每次系統(tǒng)啟動時(shí)，LAN91C96從EEPROM重讀出自己的MAC地址，存在指定的寄存器中。EX2001是針對10M以太網(wǎng)的變壓濾波器。
圖3
2.2 軟件設(shè)計(jì)方案
該嵌入式設(shè)備運(yùn)行Windows CE．net操作系統(tǒng)。Windows CE是一個(gè)搶先式多任務(wù)并具有強(qiáng)大通信和圖形顯示功能的Win32嵌入式操作系統(tǒng)，具有可移植性、實(shí)時(shí)性、模塊化等特點(diǎn)；是微軟專門為信息設(shè)備、移動應(yīng)用、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的高性能操作系統(tǒng)。Windows CE是從整體上為有限資源的平臺設(shè)計(jì)的多線程、完整優(yōu)先級、多任務(wù)的操作系統(tǒng)。其模塊化設(shè)計(jì)允許它對于從掌上電腦到專用工業(yè)控制器的用戶電子設(shè)備進(jìn)行定制。
對LAN91C96的軟件操作采用中斷處理方式：當(dāng)系統(tǒng)有數(shù)據(jù)要傳輸時(shí)，首先把該數(shù)據(jù)傳到LAN91C96，LAN91C96把數(shù)據(jù)封裝成幀，加上前導(dǎo)字、校驗(yàn)字等部分，并檢測到網(wǎng)絡(luò)中沒有數(shù)據(jù)在傳輸，才把此數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中，并向系統(tǒng)提出中斷，告知已成功傳輸數(shù)據(jù)；當(dāng)LAN91C96接收到一數(shù)據(jù)幀時(shí)，首先由CSMA/CD模塊察看此數(shù)據(jù)幀的目的地址，若為此網(wǎng)卡MAC地址、廣播地址或多播地址，才向系統(tǒng)提出中斷，并把此數(shù)據(jù)幀傳到LAN91C96的數(shù)據(jù)寄存器中。系統(tǒng)對此包進(jìn)行處理，察看是否校驗(yàn)字錯(cuò)誤等，并剝?nèi)デ皩?dǎo)字，然后傳給上層NDIS進(jìn)行處理。
3 結(jié) 論
基于上述方案的嵌入式以太網(wǎng)卡可以穩(wěn)定地工作，實(shí)際網(wǎng)絡(luò)速度可以達(dá)到９Mbps(依網(wǎng)絡(luò)狀況而定)，并具有FTP等功能。
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