LPC23xx的自適應以太網通信接口設計

以太網接口是嵌入式系統進行以太網通信的硬件基礎。隨著微電子技術的進步，許多嵌入式控制芯片集成了以太網控制器，這使得嵌入式系統中以太網接口的開發更為便利[1]。LPC23xx是NXP半導體公司(由Philips公司創建)于2006年12月前后推出的基于ARM7TDMIS內核的微控制器，與LPC21xx和LPC22xx相比，最為突出的特點是片上集成了10 Mbps/100 Mbps以太網控制器。

1??LPC23xx以太網控制器的結構和配置

　　如圖1所示，LPC23xx以太網接口主要部分的功能如下[2]：

圖1? LPC23xx以太網接口示意結構框圖

　　① 控制寄存器，用于配置以太網控制器的工作方式、讀取控制器的當前狀態等；
　?、?總線接口，AHB總線與以太網控制器進行數據交換的接口；
　?、?接收/發送DMA，實現接收/發送緩沖區到總線接口的批量數據傳輸；
　　④ 接收/發送緩沖區，與DMA協同工作，暫存接收/發送的數據；
　　⑤ 發送流量控制，在網絡負載過大時插入以太網暫停幀以控制網絡流量；
　?、?接收過濾器，濾除以太網幀的控制部分，提取有效的數據；
　　⑦ MII(介質無關接口)/RMII(裁減的介質無關接口)，與外部PHY設備按規定的時序進行實時數據通信的接口；
　?、?MMII(MII管理接口)，配置PHY設備的工作方式，讀取PHY設備的當前狀態信息。

　　在使用LPC23xx的以太網控制器之前，用戶須將正確的配置信息寫入圖1中的控制寄存器。其步驟如下：

　?、?清除LPC23xx以太網控制器的軟件復位狀態；
　?、?通過MMII對PHY設備進行正確的配置；
　?、?選擇與PHY設備的通信接口(RMII或MII)，受芯片尺寸所限，NXP已推出的LPC 2364、LPC 2366、LPC2368和LPC2378只有RMII的引腳；
　?、?配置DMA引擎和收發緩沖區的首地址及長度；
　?、?配置以太網接口的MAC(介質存取控制)地址，選擇以太網速率(10 Mbps或100 Mbps)；
　　⑥ 使能接收/發送通道。

　　在以上6個步驟中，較為關鍵是對接收/發送緩沖區的配置(步驟④)，以下為詳細的配置過程。為不影響以太網接口數據傳輸的實時性，一般選取LPC23xx以太網控制器專用的16 KB RAM作為收/發緩沖區的物理載體。按以太網幀的結構，可將收/發緩沖區分別劃分為若干個相對獨立的緩沖單元(也可以不劃分)，每個單元對應著一個或多個描述符和狀態符。描述符用來設置對應部分的首地址和控制信息，狀態符存儲著對應單元最新的狀態信息。這些描述符和狀態符在邏輯上分別組成一個環形陣列：描述符環形陣列的首地址由RxDescriptor(接收描述符基址寄存器) /TxDescrip tor(發送描述符基址寄存器)指定，大小由RxDecriptorNumber(接收描述符寄存器數量) /TxDescriptorNumber(發送描述符寄存器數量)指定；狀態符的陣列首地址由RxStatus(接收狀態基址寄存器) / TxStatus(發送狀態基址寄存器)指定，大小與描述符陣列相同。在描述符陣列和狀態符陣列形成后，就可以通過RxProducerIndex(接收產生索引寄存器) /TxProducerIndex(發送產生索引寄存器)、RxConsumerIndex(接收消耗索引寄存器) /TxConsumerIndex(發送消耗索引寄存器)對描述狀態符陣列進行操作而實現數據的收/發。

2? 網絡數據接收和發送的控制

　　NXP公司在LPC23xx的用戶指南(參考文獻[2])中對其以太網控制器中數據的接收和發送有較為詳細的介紹；但沒有涉及描述符和狀態符的環形陣列的概念，接收和發送的控制過程較為機械，本文在實際工程應用的基礎上對此做了改進。以發送為例，圖2為一個連續發送過程，將發送緩沖區分為4個單元，0和4、1和5、2和6、3和7是與這4個單元對應的描述符。發送過程如下：

　?、?如果上次數據發送完畢，就得到圖2(a)所示的狀態，此時TxProducerIndex=TxConsumerIndex
　?、?將要發送的數據寫入4個緩沖單元中，將TxProduceIndex更新為4TxProducerIndex，即為圖2(b)所示的狀態，此后數據開始發送；
　　③ 等待上次發送結束(用中斷或查詢均可以實現等待)，得到圖2(c)數據發送完畢的狀態；
　?、?若有后續的數據要發送，再將數據寫入4個緩沖單元中，將TxProducerIndex更新為4TxProducerIndex，就得到圖2(d)所示的狀態，此后數據開始發送；
　　⑤ 重復以上過程，就得到了圖2所示的連續發送過程。

圖2? LPC23xx以太網控制器的連續發送過程

　　接收與發送過程類似。如果已經對LPC23xx控制器的接收通道進行了正確的配置，當4個緩沖單元(假定接收緩沖區也被劃分為4個單元)滿時，會產生中斷。在中斷服務程序中讀取這4個緩沖單元，然后將RxConsumerIndex更新為4RxConsumerIndex，就完成了一次接收過程。需要指出的是，LPC23xx以太網控制器的接收和發送通道均需要先“產生”后“消耗”。對接收通道而言，以太網控制器是“產生者”，主機是“消耗者”；發送通道則恰好相反。

3? PHY設備的配置

　　LPC23xx控制器提供了RMII和MMII與PHY設備進行數據通信。其中RMII負責網絡數據的收發，MMII負責PHY設備的配置和當前狀態的讀取。本設計選取國家半導體公司DP83848I芯片作為以太網接口的PHY設備，其應用電路如圖3所示。DP83848I可由硬件來配置，也可由軟件來配置。本設計選擇由硬件來配置，而通過MMII來讀取DP83848I最新的狀態。

　　以太網接口的自適應能力由DP83848I的自動協商功能體現出來。自動協商功能提供了一種在網絡連接的兩端之間交換配置信息的機制，在該機制下，這兩端將自動選擇最優的配置[34]。

　　DP83848I支持4種不同的以太網工作方式(10 Mbps半雙工、10 Mbps全雙工、100 Mbps半雙工和100 Mbps全雙工)，自動協商功能在芯片配置的基礎上自動選擇性能最高的工作方式。DP83848I的AN_EN、AN1 和AN0 引腳的電平控制著自動協商功能。在, RESET_N引腳輸入低脈沖(復位信號)期間，會采樣AN_EN、AN1 和AN0的電平來決定芯片的工作方式，當AN_EN、AN1 和AN0全為“1”的時候，即圖3中接入R1、R2和R3，4種工作方式均在協商的范圍之內[5]。

　　LPC23xx對DP83848I的配置過程如下：

　?、?發送脈寬大于1 μs的復位信號，等待自動協商過程完成；
　?、?查詢基本模式狀態寄存器(BMSR)的第5位，當該位變高時，表明自動協商過程完成，結束等待；
　?、?查詢BMSR的15、14、13、12和11位，獲取以太網接口的工作方式；
　　④ 配置LPC23xx以太網控制器的工作方式。

圖3以太網接口的PHY設備的硬件電路

　　關于如何通過MMII讀寫DP83848I的內部寄存器，請查閱參考文獻[2]的149150頁，在此不再贅述。

　　本文介紹了以LPC23xx以太網控制器為依托、以DP83848I為PHY設備而設計的一種自適應以太網接口。應用了較新的電子器件和電子技術，為嵌入式系統中以太網底層的軟硬件設計提供了參考，也為TCP/IP協議在嵌入式系統上實現提供了硬件平臺。

參考文獻

[1] ?韓光潔, 趙海,等．Embedded Internet 技術及其綜述[J]．小型微型計算機系統，2004, 25(5)：798-802．
[2] ?Philips Semiconductor．LPC2364/6/8/78 User manual, Rev 016，200610．
[3] ?王廷堯．以太網技術與應用[M]．北京：人民郵電出版社，2005．
[4] ?劉樹波，葉季平．嵌入式系統中快速以太網適配器設計[J]．武漢大學學報: 工學版，2003,36(5)：123-126．
[5]? National Semiconductor．DP83848I PHY TER? Industrial Temperature Single Port 10/100 Mb/s Ethernet Physical Layer Transceiver,200704．