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以太网接口怎么实现嵌入式系统的网络互连？
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三星
以太网
接口
嵌入式
本文介绍了一个基于三星
ARM
9芯片S3C2440嵌入式系统的以太网接口
电路
设计方案，采用了工业级以太网控制器DM9000AEP成功实现了嵌入式系统网络数据交换。论文在重点阐述了网络接口电路基础之上，对Windows CE系统控制软件部分DM9000AEP的驱动程序和注册表项进行了具体分析。
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（2）
卢表镜
2020-4-13 11:35:51
随着微电子技术和计算机技术的发展，嵌入式技术得到广阔的发展，已成为现代工业控制、通信类和消费类产品发展的方向。以太网在实时操作、可靠传输、标准统一等方面的卓越性能及其便于安装、维护简单、不受通信距离限制等优点，已经被国内外很多监控、控制领域的研究人员广泛关注，并在实际应用中展露出显著的优势。本文提出了一种基于DM9000AE网络接口芯片和32位三星ARM9处理器S3C2440嵌入式系统的以太网接口的设计方案，并在Windows CE操作系统上开发移植了网络驱动程序实现网络的接入。
2. DM9000AE工作原理
2.1 DM9000的主要特性和总体结构
DM9000AE是DEVICOM（***联杰国际）研发的一款10/100M快速以太网控制芯片。DM9000AE实现以太网媒体介质访问层（MAC）和物理层（ PHY）的功能，包括MAC数据帧的组装/拆分与收发、地址识别、CRC编码/校验、MLT-3编码器、接收噪声抑制、输出脉冲成形、超时重传、链路完整性测试、信号极性检测与纠正等。DM9000AE内部逻辑结构如图1所示。
DM9000AE具有以下主要性能：①48管脚的LQFP封装，管脚少体积小；②支持8/16位数据总线；③适用于10Base-T和100Base-T，10/100M自适应，适应不同的网络速度要求，④内置16KB的SRAM，用于收发缓冲，降低对主处理器的速度要求；⑤支持IP /TCP /UDP加速，减轻了CPU负担，提高网络速度；⑥支持Back pressure半双工流量控制，与IEEE802.3u兼容，支持IEEE802.3x全双工流量控制；⑦20ns响应时间，2.5V/3.3V低功耗。
图1 DM9000AE内部逻辑结构
2.2 工作原理
DM9000AE可与微处理器以8 bit或16 bit的总线方式连接，并可根据需要以单工或全双工等模式运行。在系统上电时，处理器通过总线配置DM9000AE内部网络控制寄存器 （NCR）、中断寄存器（ISR）等，完成DM9000AE的初始化。随后DM9000A进入数据收发等待状态。
当处理器要向以太网发送数据帧时，先将数据打包成UDP或IP数据包，并通过8 bit或16bit总线逐字节发送到DM9000A的数据发送缓存中，然后将数据长度等信息填充到DM9000AE相应寄存器内，随后发送使能命令，DM9000AE将缓存的数据和数据帧信息进行MAC组帧，并发送出去。
当DM9000AE接收到外部网络送来的以太网数据时，首先检测数据帧的合法性，如果帧头标志有误或存在CRC校验错误，则将该帧数据丢弃，否则将数据帧缓存到内部RAM，并通过中断标志位通知处理器，处理器收到中断后对DM9000AE接收RAM的数据进行处理。
DM9000AE自动检测网络连接情况，根据网速设置内部的数据收发速率为10Mb/s或100 Mb/s。同时，DM9000AE还能根据RJ45接口连接方式改变数据收发引脚的方向，因此无论外部网线是采用对等还是交叉方式，系统均能正常通信。
3.网络接口硬件电路设计
在嵌入式系统中增加以太网接口，通常由如下两种方法实现。第一种方法采用带有以太网接口的嵌入式处理器。这种方法要求嵌入式处理器有通用的网络接口，通常这种处理器是面向网络应用而设计的，通过内部总线的方法实现处理器和网络数据的交换。另一种方法采用嵌入式处理器＋网卡芯片结构。这种方法对嵌入式处理器没有特殊要求，只要把以太网芯片连接到嵌入式处理器的总线上即可。此方法通用性强，不受处理器的限制，但是，处理器和网络数据交换通过外部总线交换数据[3]。
本设计采用的是S3C2440这款通用的嵌入式微处理器上扩展以太网接口的方式，即第二种方式。S3C2440A处理器与DM9000AE连接的结构如图2所示，DM9000AE通过总线与处理器相连，中断与处理器外部中断相接。
图2 S3C2440A处理器与DM9000AE连接的结构
S3C2440A微处理器是一款由Samsung半导体公司为手持设备和各种多用途应用设计，基于ARM920T内核的16/32位RISC的低功耗、高集成度的微处理器，，采用五级流水线和哈佛结构，289脚FBGA封装，。S3C2440在包含ARM920T核的同时，增加了丰富的外围资源，主要包括1个LCD控制器；3个通道的UART；4个通道的DMA；4个具有PWM功能的16位定时/计数器和1个16位内部定时器，支持外部时钟源；8通道的10位ADC；触摸屏、IIC总线、IIS总线、SD卡和MMC卡、摄像头接口；130位通用I/O口和24位外部中断源。
DM9000AE以太网接口电路如图的连接如图3所示。处理器利用片选DM_CS和地址线BADDR分别连接DM9000AE芯片的CS引脚和CMD引脚，S3C2440的数据线BDATA[15:0]与DM9000AE的数据线SD[15:0]连接，用来实现DM9000与S3C2440之间的数据传输；S3C2440的DM_IOR引脚连接DM9000AE的读引脚IOR#,DM_IOW引脚连接DM9000AE的写引脚IOW#；同时，DM9000AE占用S3C2440的中断引脚EINT7，使得S3C2440能够响应DM9000AE的中断。DM9000AE与网络的连接由接收信号线RX+、RX-和发送信号线TX+、TX-通过隔离变压器E-2023与以太网水晶接头RJ_45相连。隔离变压器的主要作用是将嵌入式系统与外部线路相隔离，防止干扰和烧坏元器件，实现带电的插拔功能。
图3 以太网接口电路
随着微电子技术和计算机技术的发展，嵌入式技术得到广阔的发展，已成为现代工业控制、通信类和消费类产品发展的方向。以太网在实时操作、可靠传输、标准统一等方面的卓越性能及其便于安装、维护简单、不受通信距离限制等优点，已经被国内外很多监控、控制领域的研究人员广泛关注，并在实际应用中展露出显著的优势。本文提出了一种基于DM9000AE网络接口芯片和32位三星ARM9处理器S3C2440嵌入式系统的以太网接口的设计方案，并在Windows CE操作系统上开发移植了网络驱动程序实现网络的接入。
2. DM9000AE工作原理
2.1 DM9000的主要特性和总体结构
DM9000AE是DEVICOM（***联杰国际）研发的一款10/100M快速以太网控制芯片。DM9000AE实现以太网媒体介质访问层（MAC）和物理层（ PHY）的功能，包括MAC数据帧的组装/拆分与收发、地址识别、CRC编码/校验、MLT-3编码器、接收噪声抑制、输出脉冲成形、超时重传、链路完整性测试、信号极性检测与纠正等。DM9000AE内部逻辑结构如图1所示。
DM9000AE具有以下主要性能：①48管脚的LQFP封装，管脚少体积小；②支持8/16位数据总线；③适用于10Base-T和100Base-T，10/100M自适应，适应不同的网络速度要求，④内置16KB的SRAM，用于收发缓冲，降低对主处理器的速度要求；⑤支持IP /TCP /UDP加速，减轻了CPU负担，提高网络速度；⑥支持Back pressure半双工流量控制，与IEEE802.3u兼容，支持IEEE802.3x全双工流量控制；⑦20ns响应时间，2.5V/3.3V低功耗。
图1 DM9000AE内部逻辑结构
2.2 工作原理
DM9000AE可与微处理器以8 bit或16 bit的总线方式连接，并可根据需要以单工或全双工等模式运行。在系统上电时，处理器通过总线配置DM9000AE内部网络控制寄存器 （NCR）、中断寄存器（ISR）等，完成DM9000AE的初始化。随后DM9000A进入数据收发等待状态。
当处理器要向以太网发送数据帧时，先将数据打包成UDP或IP数据包，并通过8 bit或16bit总线逐字节发送到DM9000A的数据发送缓存中，然后将数据长度等信息填充到DM9000AE相应寄存器内，随后发送使能命令，DM9000AE将缓存的数据和数据帧信息进行MAC组帧，并发送出去。
当DM9000AE接收到外部网络送来的以太网数据时，首先检测数据帧的合法性，如果帧头标志有误或存在CRC校验错误，则将该帧数据丢弃，否则将数据帧缓存到内部RAM，并通过中断标志位通知处理器，处理器收到中断后对DM9000AE接收RAM的数据进行处理。
DM9000AE自动检测网络连接情况，根据网速设置内部的数据收发速率为10Mb/s或100 Mb/s。同时，DM9000AE还能根据RJ45接口连接方式改变数据收发引脚的方向，因此无论外部网线是采用对等还是交叉方式，系统均能正常通信。
3.网络接口硬件电路设计
在嵌入式系统中增加以太网接口，通常由如下两种方法实现。第一种方法采用带有以太网接口的嵌入式处理器。这种方法要求嵌入式处理器有通用的网络接口，通常这种处理器是面向网络应用而设计的，通过内部总线的方法实现处理器和网络数据的交换。另一种方法采用嵌入式处理器＋网卡芯片结构。这种方法对嵌入式处理器没有特殊要求，只要把以太网芯片连接到嵌入式处理器的总线上即可。此方法通用性强，不受处理器的限制，但是，处理器和网络数据交换通过外部总线交换数据[3]。
本设计采用的是S3C2440这款通用的嵌入式微处理器上扩展以太网接口的方式，即第二种方式。S3C2440A处理器与DM9000AE连接的结构如图2所示，DM9000AE通过总线与处理器相连，中断与处理器外部中断相接。
图2 S3C2440A处理器与DM9000AE连接的结构
S3C2440A微处理器是一款由Samsung半导体公司为手持设备和各种多用途应用设计，基于ARM920T内核的16/32位RISC的低功耗、高集成度的微处理器，，采用五级流水线和哈佛结构，289脚FBGA封装，。S3C2440在包含ARM920T核的同时，增加了丰富的外围资源，主要包括1个LCD控制器；3个通道的UART；4个通道的DMA；4个具有PWM功能的16位定时/计数器和1个16位内部定时器，支持外部时钟源；8通道的10位ADC；触摸屏、IIC总线、IIS总线、SD卡和MMC卡、摄像头接口；130位通用I/O口和24位外部中断源。
DM9000AE以太网接口电路如图的连接如图3所示。处理器利用片选DM_CS和地址线BADDR分别连接DM9000AE芯片的CS引脚和CMD引脚，S3C2440的数据线BDATA[15:0]与DM9000AE的数据线SD[15:0]连接，用来实现DM9000与S3C2440之间的数据传输；S3C2440的DM_IOR引脚连接DM9000AE的读引脚IOR#,DM_IOW引脚连接DM9000AE的写引脚IOW#；同时，DM9000AE占用S3C2440的中断引脚EINT7，使得S3C2440能够响应DM9000AE的中断。DM9000AE与网络的连接由接收信号线RX+、RX-和发送信号线TX+、TX-通过隔离变压器E-2023与以太网水晶接头RJ_45相连。隔离变压器的主要作用是将嵌入式系统与外部线路相隔离，防止干扰和烧坏元器件，实现带电的插拔功能。
图3 以太网接口电路
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王敏
2020-4-13 11:35:55
4.网络接口模块的软件设计
本系统采用Windows CE操作系统，具有强大的网络支持功能，Windows CE支持包括TCP / IP在内的Internet的所有网络协议。Windows CE的网络驱动程序都遵循NDIS（Network Driver Interface Specification，网络驱动接口规范），NDIS提供了两个抽象层，用来把网络驱动程序和协议栈相连。NDIS模型的示意图图4所示。
图4 NDIS模型的示意图
DM9000AE在windows CE下的驱动程序就是基于这个模型而编写，被编译成动态链接库，以用户态下的DLL文件形式存在。入口函数为DriverEntry（）。DM9000驱动的工作流程如图5所示。
NdisMInitializeWrapper（）函数的作用是通知NDIS 一个小端口网卡正在被初始化，此函数在ndis.dll中提供。然后对NDIS40_MINIPORT_CHARACTERISTICS结构体变量初始化，主要是设置一些回调函数（MiniportInitialize（），MiniportReset（），MiniportInterruptHandler（），MiniportISRHandler（），MiniportQueryInformation（），MiniportSetInformation（），MiniportSend（）。接着就是通过NdisMRegisterMiniport（）函数利用NDIS40_MINIPORT_CHARACTERISTICS这个结构体向NDIS系统进行注册。再接下来就是MiniportInitialize（），在其中有NIC_DRIVER_OBJECT类的初始化，以及该类的EDriverInitialize（）函数调用，在此函数中全面展开了dm9000的所有初始化操作。
对DM9000的所有初始化操作的实现在dm9000.cpp文件中，主要也是通过DeviceEntry（）这个函数来实现。在DeviceEntry（）这个函数中只做了一件事：new了一个C_DM9000类的实例并return。紧接着就是C_DM9000的实例通过DeviceSetDefaultSettings（）；DeviceSetEepromFormat（）；DeviceRetriveConfigurations（hconfig）；EDeviceValidateConfigurations（）等等对DM9000AE进行的一系列初始化操作。然后NIC_DRIVER_OBJECT指向DriverStart（），在DriverStart（）中C_DM9000只进行了一个非常简单但最重要的操作就是它在此DeviceEnableInterrupt（）启动了中断，接下来就是无休止的等待、接收、发送，DM9000就此开始工作了。
图5 DM9000驱动的工作流程
在完成了驱动程序之后，我们还需要在Platform.reg文件中对DM9000的注册表项进行相应的设置：
[HKEY_LOCAL_MACHINECommDM9000]
"DisplayName"="Crystal DM9000 ISA Ethernet Controller"
"Group"="NDIS"
"ImagePath"="DM9000.DLL"
[HKEY_LOCAL_MACHINECommDM9000Linkage]
"Route"=multi_sz:"DM90001"
[HKEY_LOCAL_MACHINECommDM90001Parms]
"BusNumber"=dword:0
"BusType"=dword:0
"InterruptNumber"=dword:3E
"IoBaseAddress"=dword:D3000000
"RxMode"="PIO"
"NetworkAddress"="00-01-33-33-33-33"
[HKEY_LOCAL_MACHINECommDM90001ParmsTcpIp]
"EnableDHCP"=dword:0
"DefaultGateway"="192.168.126.1"
"UseZeroBroadcast"=dword:0
"IpAddress"="192.168.126.100"
"Subnetmask"="255.255.255.0"
"DNS"="192.168.126.1"
[HKEY_LOCAL_MACHINECommTcpipLinkage]
"Bind"=multi_sz: "ppp", "DM90001"
将设计的模块与本地局域网连通，并分配MAC地址和IP地址，利用PC的ping程序，得到回应，说明ARP、IP、ICMP协议正常。利用自己编写的基于windows的应用程序，向模块发送连接请求，模块返回正确的应答信息，TCP协议正常。
5.结束语
本文详细介绍了基于三星公司ARM9芯片S3C2440嵌入式系统的网络接口设计方案，在实际应用中该系统运行稳定，能够十分方便地实现嵌入式系统的网络互连。由于采用了高性能的工业级以太网控制器DM9000AE，系统通讯快速可靠，具有很高的实时性。在以太网日益普及的今天，此方案能够给那些传统不具备网络通讯能力的嵌入式设备进行智能化改造，也适用于新型智能仪器仪表和工业自动化系统设备的开发，有着广泛的应用前景。
4.网络接口模块的软件设计
本系统采用Windows CE操作系统，具有强大的网络支持功能，Windows CE支持包括TCP / IP在内的Internet的所有网络协议。Windows CE的网络驱动程序都遵循NDIS（Network Driver Interface Specification，网络驱动接口规范），NDIS提供了两个抽象层，用来把网络驱动程序和协议栈相连。NDIS模型的示意图图4所示。
图4 NDIS模型的示意图
DM9000AE在windows CE下的驱动程序就是基于这个模型而编写，被编译成动态链接库，以用户态下的DLL文件形式存在。入口函数为DriverEntry（）。DM9000驱动的工作流程如图5所示。
NdisMInitializeWrapper（）函数的作用是通知NDIS 一个小端口网卡正在被初始化，此函数在ndis.dll中提供。然后对NDIS40_MINIPORT_CHARACTERISTICS结构体变量初始化，主要是设置一些回调函数（MiniportInitialize（），MiniportReset（），MiniportInterruptHandler（），MiniportISRHandler（），MiniportQueryInformation（），MiniportSetInformation（），MiniportSend（）。接着就是通过NdisMRegisterMiniport（）函数利用NDIS40_MINIPORT_CHARACTERISTICS这个结构体向NDIS系统进行注册。再接下来就是MiniportInitialize（），在其中有NIC_DRIVER_OBJECT类的初始化，以及该类的EDriverInitialize（）函数调用，在此函数中全面展开了dm9000的所有初始化操作。
对DM9000的所有初始化操作的实现在dm9000.cpp文件中，主要也是通过DeviceEntry（）这个函数来实现。在DeviceEntry（）这个函数中只做了一件事：new了一个C_DM9000类的实例并return。紧接着就是C_DM9000的实例通过DeviceSetDefaultSettings（）；DeviceSetEepromFormat（）；DeviceRetriveConfigurations（hconfig）；EDeviceValidateConfigurations（）等等对DM9000AE进行的一系列初始化操作。然后NIC_DRIVER_OBJECT指向DriverStart（），在DriverStart（）中C_DM9000只进行了一个非常简单但最重要的操作就是它在此DeviceEnableInterrupt（）启动了中断，接下来就是无休止的等待、接收、发送，DM9000就此开始工作了。
图5 DM9000驱动的工作流程
在完成了驱动程序之后，我们还需要在Platform.reg文件中对DM9000的注册表项进行相应的设置：
[HKEY_LOCAL_MACHINECommDM9000]
"DisplayName"="Crystal DM9000 ISA Ethernet Controller"
"Group"="NDIS"
"ImagePath"="DM9000.DLL"
[HKEY_LOCAL_MACHINECommDM9000Linkage]
"Route"=multi_sz:"DM90001"
[HKEY_LOCAL_MACHINECommDM90001Parms]
"BusNumber"=dword:0
"BusType"=dword:0
"InterruptNumber"=dword:3E
"IoBaseAddress"=dword:D3000000
"RxMode"="PIO"
"NetworkAddress"="00-01-33-33-33-33"
[HKEY_LOCAL_MACHINECommDM90001ParmsTcpIp]
"EnableDHCP"=dword:0
"DefaultGateway"="192.168.126.1"
"UseZeroBroadcast"=dword:0
"IpAddress"="192.168.126.100"
"Subnetmask"="255.255.255.0"
"DNS"="192.168.126.1"
[HKEY_LOCAL_MACHINECommTcpipLinkage]
"Bind"=multi_sz: "ppp", "DM90001"
将设计的模块与本地局域网连通，并分配MAC地址和IP地址，利用PC的ping程序，得到回应，说明ARP、IP、ICMP协议正常。利用自己编写的基于windows的应用程序，向模块发送连接请求，模块返回正确的应答信息，TCP协议正常。
5.结束语
本文详细介绍了基于三星公司ARM9芯片S3C2440嵌入式系统的网络接口设计方案，在实际应用中该系统运行稳定，能够十分方便地实现嵌入式系统的网络互连。由于采用了高性能的工业级以太网控制器DM9000AE，系统通讯快速可靠，具有很高的实时性。在以太网日益普及的今天，此方案能够给那些传统不具备网络通讯能力的嵌入式设备进行智能化改造，也适用于新型智能仪器仪表和工业自动化系统设备的开发，有着广泛的应用前景。
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