1 引言

近幾年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，TCP/IP協(xié)議已成為應(yīng)用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)議。USB(通用串行總線)以靈活、方便、通信穩(wěn)定、成本低廉、即插即用等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與交換的通用接口。

ADChips公司的32位多媒體微處理器VirgineG2(簡(jiǎn)稱VG2)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)、圖像和音頻處理功能，而且能夠直接輸出NTSC/PAL制式模擬信號(hào)。VG2只提供了一路32位的I/O接口和兩路串行通訊接口，因此需要對(duì)VG2擴(kuò)展TCP/IP接口和USB接口，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)/近程數(shù)據(jù)的交互和大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

本文采用Realtek公司的RTL8019AS芯片對(duì)VG2進(jìn)行以太網(wǎng)接口擴(kuò)展，通過(guò)TCP/IP協(xié)議規(guī)范及LwIP實(shí)現(xiàn)VG2的TCP/IP協(xié)議棧。同時(shí)采用Philips公司的ISP1161芯片實(shí)現(xiàn)VG2的USB主/從控制接口擴(kuò)展。

2 VG2的以太網(wǎng)和USB硬件接口設(shè)計(jì)

2.1芯片簡(jiǎn)介

VG2內(nèi)嵌16/32位(EISCSE3208)多媒體微控制器，內(nèi)含2路4 KB的Cache、2D圖像加速器，32通道的8/16位音頻處理器以及DAC、DRAM，控制器、DMA、定時(shí)器、雙串口等多種外設(shè)。還具有8個(gè)外部片選信號(hào)(PCS0#一PCS7#)和27個(gè)中斷源，其中包括8個(gè)外部中斷(IRQ0～I(xiàn)RQ7)?；?D的2D圖形加速器支持NTSC/PAL制式電視顯示。

RTL8019AS是Realtek公司生產(chǎn)的以太網(wǎng)接口控制器，符合NE2000標(biāo)準(zhǔn)，遵循IEEE802.3協(xié)議。支持8位、16位的數(shù)據(jù)總線，有即插即用、跳線和免跳線三種工作方式。

RTL8019AS內(nèi)置16 KB RAM，用作收發(fā)緩沖以降低對(duì)主處理器的請(qǐng)求頻率。內(nèi)部還有遠(yuǎn)程DMA通道和本地DMA通道。

ISP1161是Philips公司生產(chǎn)的通用串行總線(USB)主機(jī)控制器(HC)和設(shè)備控制器(DC)，遵循USB 1.1，支持全速(12 Mbit/s)及低速(1.5 Mbit/s，)兩種數(shù)據(jù)傳輸模式。兩個(gè)USB控制器在使用中共用一個(gè)微處理器總線接口，但I(xiàn)/O地址不同，并有各自的中斷請(qǐng)求輸出引腳和獨(dú)立的DMA通道。ISP1161提供兩個(gè)下行端口和一個(gè)上行端口.每一個(gè)下行端口都有一個(gè)過(guò)流(OC)檢測(cè)輸入引腳及電源開(kāi)關(guān)控制輸出端，上行端口也有自身的VBUS檢測(cè)輸入端。另外還提供了單獨(dú)的喚醒輸入端和掛起輸出端。HC的下行端口能與USB兼容設(shè)備及具有USB上行端口的USB集線器連接。

2.2 VG2的TCP/IP和USB接口設(shè)計(jì)

2.2.1硬件設(shè)計(jì)

對(duì)VG2擴(kuò)展USB接口和以太網(wǎng)接口的硬件原理框圖如圖1所示。

以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)中。VG2的PCS6和IRQ6分別作為RTL8019AS的片選信號(hào)和中斷信號(hào)。RTL8019AS其他引腳連接方式為：JP接高電平，設(shè)置RTL8019AS工作在跳線方式下;IOS3～I(xiàn)OS0接低電平，設(shè)置其I/O基地址Ox300，這樣RTL8019AS只對(duì)地址為0x300～0x31F的信號(hào)產(chǎn)生響應(yīng);IRQS2～I(xiàn)RQS0接低電平，INT0被選中作為中斷請(qǐng)求的輸出;PL1、PL0接低電平，設(shè)置具有自動(dòng)檢測(cè)接口類型的功能。

當(dāng)PCS6有效時(shí)，VG2為RTL8019AS映射從0x0160 0000開(kāi)始的1 MB內(nèi)存，SA8和SA9位為高電平，對(duì)應(yīng)于RTL8019AS的地址線信號(hào)為0000 0000 0011 000X XXXX，I/O基址設(shè)置為0x300。這樣通過(guò)地址的低5位就可以讀取RTL8019AS內(nèi)部的32個(gè)寄存器。對(duì)VG2控制映射RTL8019AS內(nèi)部寄存器地址為0x0160 0000+相應(yīng)的偏移地址(0x00～Ox1F)。

2.2.2 USB接口設(shè)計(jì)

VG2采用PCS7和IRQ7分別作為ISP1161的片選信號(hào)和中斷信號(hào)，ISP1161采用I/O通信的方式，其I/O地址如表1所列。

ISP1161寄存器是一個(gè)指令-數(shù)據(jù)雙重結(jié)構(gòu)寄存器。一個(gè)完整的寄存器訪問(wèn)周期首先為指令階段，然后為數(shù)據(jù)階段。指令(也可以理解為寄存器的指針)指向ISP1161的下一個(gè)將被訪問(wèn)的寄存器。一個(gè)指令為8位長(zhǎng)，在一個(gè)微處理器的16位數(shù)據(jù)總線上，指令占用低字節(jié)，高字節(jié)被填充為0。微處理器先向指令端口寫入一個(gè)指令代碼.然后從數(shù)據(jù)端口讀/寫數(shù)據(jù)字。

當(dāng)PCS7有效時(shí)，VG2為ISP1161映射從0x1700 0000開(kāi)始的1 MB內(nèi)存。ISP1161主機(jī)控制器的數(shù)據(jù)和命令地址分別是Ox0170 0000和Ox0170 0002，設(shè)備控制器的數(shù)據(jù)和命令地址分別是0x0170 0004和0x0170 0006。

3軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件部分通過(guò)在VG2中嵌入實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)μC/OS一Ⅱ來(lái)實(shí)現(xiàn)。在μC/OS一Ⅱ平臺(tái)上分別對(duì)各個(gè)接口進(jìn)行多任務(wù)的控制。

3.1 μC/OS-Ⅱ移植

μC/OS一Ⅱ是一個(gè)完整、可移植、固化、裁剪的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核。如果只保留其最核心的代碼，則可壓縮到3 KB。將μC/OS-Ⅱ移植到VG2微處理器上需改寫與硬件相關(guān)的匯編語(yǔ)言。具體改寫內(nèi)容如下所示：

(1)改寫OS_CPU.H中部分函數(shù)

#define OS_TASK_SW() asm("swi 7")，通過(guò)軟件中斷指令來(lái)實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的任務(wù)切換函數(shù)：#defi-neOS_ENTER_CRITICAL()asm("clrl3")，#define OS_EXIT_CRITICAL asm("set 13")，通過(guò)對(duì)SR狀態(tài)寄存器的中斷控制位設(shè)置實(shí)現(xiàn)使能或禁止操作系統(tǒng)響應(yīng)中斷請(qǐng)求;#define OS_STK_GROWTH 1，定義VG2的堆棧由高到低。

(2)改寫OS_CPU_C.C中部分函數(shù)

OSTaskStkInit()為任務(wù)棧結(jié)構(gòu)的初始化函數(shù)。VG2響應(yīng)中斷請(qǐng)求信號(hào)后，將當(dāng)前寄存器值按先入后出的順序壓入堆棧。

OSTaskStkInit()按照壓入堆棧順序?qū)Ω魅蝿?wù)棧初始化。

OSStartHighRdy()函數(shù)跳轉(zhuǎn)到所有處于就緒狀態(tài)任務(wù)中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)開(kāi)始運(yùn)行。操作系統(tǒng)首先得到最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)棧的指針，然后從任務(wù)棧中彈出所有寄存器值，實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)。

OSCtxSw()是任務(wù)級(jí)的任務(wù)切換函數(shù)。swi 7(軟件中斷)的中斷向量指向該函數(shù)。當(dāng)需要任務(wù)切換時(shí)，首先該函數(shù)將當(dāng)前任務(wù)寄存器值壓入堆棧。然后將當(dāng)前任務(wù)任務(wù)棧指針保存到任務(wù)控制塊中。最后判斷出最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)，并彈出其任務(wù)棧內(nèi)容，開(kāi)始運(yùn)行。

OSTickISR()為操作系統(tǒng)提供一個(gè)周期性的時(shí)鐘源。VG2的定時(shí)器0被設(shè)定成第20 ms發(fā)出一個(gè)時(shí)鐘中斷信號(hào)，中斷向量指向該函數(shù)。首先該函數(shù)保存當(dāng)前任務(wù)狀態(tài)，并將全局變量OSTime遞增1。然后判斷出最高優(yōu)先級(jí)任務(wù).并彈出其任務(wù)棧內(nèi)容，開(kāi)始運(yùn)行。[!--empirenews.page--]

OSIntCtxSw()為系統(tǒng)執(zhí)行中斷后任務(wù)調(diào)度函數(shù)。系統(tǒng)在中斷響應(yīng)后執(zhí)行該函數(shù)判斷出最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)，然后彈出其任務(wù)棧內(nèi)容，開(kāi)始運(yùn)行。 3.2以太網(wǎng)接口的TCP/IP協(xié)議移植

由于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ是一個(gè)操作系統(tǒng)內(nèi)核，本身沒(méi)有集成TCP/IP協(xié)議棧，所以需要移植合適的TCP/IP協(xié)議棧。LwIP協(xié)議棧是適用于8位、16位、32位微處理器嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)小型TCP/IP協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)了ARP、TCP、UDP、IP這些最基本的協(xié)議。LwIP可以看作是為系統(tǒng)提供的函數(shù)，通過(guò)它來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)包的發(fā)送與接收。LwIP允許有多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口都對(duì)應(yīng)一個(gè)structnetif，而且都包含相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口的屬性和收發(fā)函數(shù)。其中netif->input()指向IP層的接收函數(shù)ip_input()，netif->output()指向ne2k_send_packet()驅(qū)動(dòng)程序中的發(fā)送函數(shù)。驅(qū)動(dòng)程序可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口的接收、發(fā)送、初始化以及中斷處理。本設(shè)計(jì)中采用中斷方式來(lái)接收數(shù)據(jù)，使用VG2的外部中斷INT6，在VG2的中斷向量表中可以按照如下定義：

3.3 USB接口的PTD協(xié)議移植

VG2與ISP1161之間以PTD(Philips Transfer Descriptor)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行通信。PTD數(shù)據(jù)提供了USB通信的相關(guān)信息，如指令、狀態(tài)和USB數(shù)據(jù)包等。VG2中PTD數(shù)據(jù)的物理存儲(chǔ)介質(zhì)是微處理器的系統(tǒng)RAM。對(duì)于ISP1161，存儲(chǔ)介質(zhì)為內(nèi)部FIFO緩沖區(qū)RAM。ISP1161可使用PTD數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義一塊數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，使其與USB終端設(shè)備進(jìn)行通信。VG2設(shè)立這個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)采存放當(dāng)前幀(1 ms幀)。每幀傳送的承載數(shù)據(jù)必須包含一個(gè)PTD作為傳輸頭，以描述傳輸特性。PTD數(shù)據(jù)一般為DWORD(雙字或4字節(jié))格式，結(jié)構(gòu)如表2所示。

PTD數(shù)據(jù)頭為8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包含了ISP1161的傳輸類型、裝載數(shù)據(jù)的發(fā)送位置、裝載數(shù)據(jù)的實(shí)際大小、傳輸速度、傳輸對(duì)象等。當(dāng)傳輸執(zhí)行完畢后。其內(nèi)部會(huì)作相應(yīng)的改變，在PTD數(shù)據(jù)頭中表征了本次傳輸結(jié)果.包括傳輸發(fā)生的錯(cuò)誤信息等。

3.4部分程序流程

以太網(wǎng)收發(fā)任務(wù)程序流程如圖2所示。USB通信任務(wù)程序流程如圖3所示。

本設(shè)計(jì)采用的操作系統(tǒng)是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可以同時(shí)支持以太網(wǎng)通信和USB設(shè)備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，系統(tǒng)能獲得很高的效率和穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用RTL8019AS通過(guò)TCP/IP協(xié)議規(guī)范及LwIP,實(shí)現(xiàn)了VG2的TCP/IP協(xié)議棧，通信波特率可達(dá)到10Mb/s。同時(shí)采用Philips公司的ISP1161，實(shí)現(xiàn)VG2的USB主/從控制接口擴(kuò)展，符合USB1.1規(guī)范，通信速率可達(dá)到1.5Mb/s。該設(shè)計(jì)用于所研制的數(shù)字化家居智能控制器，通過(guò)以太網(wǎng)、USB和其他接口，將家用電器、家庭安防、門禁、四表自動(dòng)抄表、有線電視網(wǎng)、電話和寬帶網(wǎng)系統(tǒng)等獨(dú)立單元的家居設(shè)施跨平臺(tái)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)/近程操作控制和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與交換。