摘 要：介紹了一種基于ARM9的嵌入式以太網(wǎng)的設計方案。基于ARM內(nèi)核微處理器S3C2410的功能特點及其外擴組成部分，分析了以太網(wǎng)控制器芯片RTL8019AS的性能以及與S3C2410的接口。在軟件設計上，分析了BootLoader的作用，介紹了Linux的移植，并給出了通信程序的流程圖，實現(xiàn)了嵌入式以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸。

關鍵詞：嵌入式系統(tǒng);網(wǎng)關;ARM;移植

引　言

無所不在的網(wǎng)絡給網(wǎng)絡接入設備帶來了巨大的發(fā)展機遇。而隨著網(wǎng)絡接入市場的迅速增長，嵌入式網(wǎng)絡接入開始成為嵌入式系統(tǒng)技術中最令人關注的一個領域。在嵌入式網(wǎng)絡技術的推動下將會形成這樣一個局面：在網(wǎng)絡上傳輸?shù)男畔⒅?，將?0%的信息來自嵌入式系統(tǒng)，也許將有數(shù)以億計的汽車、通信設備、家用電氣以及工廠系統(tǒng)接入到不同網(wǎng)絡中，然后再組成一個龐大的Internet互聯(lián)網(wǎng)。為此，本文研究了一種基于 ARM芯片和嵌入式操作系統(tǒng)Linux，在以太網(wǎng)與RS -485總線之間的進行數(shù)據(jù)交換的嵌入式網(wǎng)關，以滿足嵌入式設備的網(wǎng)絡化功能需求。

硬件平臺設計

設計的嵌入式網(wǎng)關以ARM920T為核心的S3C2410微處理器，通過外擴存儲器、以太網(wǎng)口、串口、JTAG調(diào)試接口等構建硬件平臺，其硬件結構框圖如圖1所示。

CPU設計

CPU是整個嵌入式系統(tǒng)的實時控制核心，它在工業(yè)以太網(wǎng)中作為智能節(jié)點的主控制器，是整個嵌入式網(wǎng)關的核心。本文選用以ARM920T為核心的 S3C2410微處理器，S3C2410是32bit的RISC微處理器，該處理器特別適用于手持式設備以及高性價比、低功耗的網(wǎng)絡設備，它集成了LCD 控制器、USBHost、NAND控制器、BUS控制器、中斷控制、功率控制、存儲控制、UART、WatchDog、SPI、SDI/MMC、IS、 IC、GPIO、RTC、TIMER/PWM、ADC等豐富的資源。

存儲系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)可根據(jù)需要定制存儲空間。本文擴展了2片F(xiàn)lash芯片和1片SDRAM。Flash芯片主要有1片韓國現(xiàn)代公司的2MB16bit 數(shù)據(jù)寬度的 Flash芯片HY29LV160B191和1片韓國三星公司的16MB的NANDFlash芯片K9F2808UOB1571，SDRAM芯片采用的是 1塊韓國現(xiàn)代公司生產(chǎn)的SDRAMHY57V5616201。2MB的Flash芯片HY29LV160B對應的地址空間映射到地址0x00000000 上，作為存儲啟動配置參數(shù)及異常/中斷向量表的程序空間，系統(tǒng)復位后從其中讀取指令執(zhí)行程序;使用韓國現(xiàn)代公司的8MB的 SDRAMHY57V561620作為系統(tǒng)內(nèi)存，對應地址空間映射在地址Ox30000000開始，作為程序運行空間和數(shù)據(jù)空間，啟動代碼將系統(tǒng)映像復制到SDRAM后執(zhí)行。

串口部分

串口部分設計使用了2路UART，其中，一路通過電平轉換芯片MAX232，把3.3V的邏輯電平轉換為RS-232-C的邏輯電平進行傳輸，實現(xiàn)ARM 與PC機之間的通信，通過超級終端可在PC機上進行調(diào)試;另一路串行接口使用MAX1485進行電平轉換，實現(xiàn)從RS-485上接收現(xiàn)場總線發(fā)送的信息。

JTAG調(diào)試接口

在嵌入式系統(tǒng)中，芯片的燒寫、調(diào)試都需要用到JTAG調(diào)試接口，可滿足實時地實現(xiàn)對程序的分析和執(zhí)行的監(jiān)控。JTAG(Joint Test Action Group)是IEEE的規(guī)范標準，它可以通過現(xiàn)有的JTAG邊界掃描與ARMCPU內(nèi)核進行通信，屬于完全非插入式(不占用片上資源)調(diào)試，它無需目標存儲器，不占用目標系統(tǒng)的任何端口，而這些是普通的駐留監(jiān)控軟件所必需的。另外，JTAG調(diào)試的目標程序是在目標板上執(zhí)行的，仿真更接近于目標硬件，仿真結果與真實的運行環(huán)境更為接近，因此，逐漸成為采用更多的一種調(diào)試方式。

以太網(wǎng)接口

本文以太網(wǎng)接口中所使用的芯片有RTL8019AS、74LVC4245、FB2022(網(wǎng)卡變壓器)。RTL8019AS是性價比高且?guī)в屑床寮从霉δ艿娜p工以太網(wǎng)控制器，其主要特點包括：符合EtherNetⅡ與IEEE802.3標準;全雙工，收發(fā)可同時達到10Mb/s的速率，內(nèi)置 16KB的 SRAM，用于收發(fā)緩沖，減低對主處理器的要求;支持UTP、AUI、BNC自動檢測，還支持對10BaseT拓撲結構的自動極性修正;允許4個診斷 LED引腳編程輸出。RTL8019AS內(nèi)部有2塊RAM區(qū)，1塊16KB，地址為0x4000～0x7fff;1塊32Byte，地址為 0x0000～0x001f。RAM按頁存儲，每256Byte為1頁。本方案中將RTL8019AS的RAM的前12頁 (0x4000～0x4Bfff)作為發(fā)送緩沖區(qū);后52頁(0x4c00～0x7fff)作為接收緩沖區(qū);第0頁只有32Byte，用來存儲以太網(wǎng)的物理地址。

RTL8019AS芯片的引腳SA0～SA19為地址總線;SD0～SD15為數(shù)據(jù)總線;引腳INT0接S32C410芯片的外部中斷信號;引腳AEN是地址使能腳，作為芯片的選通信號，將中斷接到CPU的nGCS3地址映射到bank3。RTL8019AS的地址空間范圍是 0x18000300～0x1800031f。引腳IOS0～3設置為接地或空閑，表明RTL8019AS內(nèi)部寄存器總線地址從300H開始。

引腳X1、X2接一個20MHz的無源晶振，作為外部時鐘信號輸入;引腳JP接高電平，選擇跳線模式：引腳IORB、IOWB作為輸入輸出讀寫指令端;引腳RSTDRV是復位端，連接復位信號;引腳SMEMRB、SMEMWB是芯片的存儲器讀命令和寫命令。

引腳TPIN+，TPIN-、TPOUT+，TPOUT-作為媒體接口管腳，是接收IP數(shù)據(jù)報所需要用到的管腳，在設計網(wǎng)卡芯片電路時通過一個隔離變壓器和RJ-45的網(wǎng)絡外接口相連，外部主機通過以太網(wǎng)網(wǎng)線與RJ-45接口進行連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

隔離變壓器的TD+管腳連接網(wǎng)卡芯片的TPOUT+引腳;TD-連接TPOUT-;RD+連接TPIN+;RD-連接TPIN-。8019通過隔離變壓器與RJ-45連接，實現(xiàn)與主機進行接收和發(fā)送IP數(shù)據(jù)報等工作。

此外，硬件部分還包括電源電路、晶振電路、復位電路，在此就不一一介紹。

軟件部分設計

嵌入式系統(tǒng)的軟件部分分為BootLoader的編寫、操作系統(tǒng)與文件系統(tǒng)的移植、應用程序的編寫三部分。

BootLoader的編寫

BootLoader是系統(tǒng)加電后運行的第1段軟件代碼，即處理器芯片復位后進入操作系統(tǒng)之前執(zhí)行的一段代碼，主要是為運行操作系統(tǒng)提供基本的運行環(huán)境，如初始化CPU堆棧、初始化存儲器系統(tǒng)等。BootLoader代碼與CPU芯片的內(nèi)核結構、具體芯片和使用的操作系統(tǒng)等因素有關，其功能類似于PC機的 BIOS。通過運行BootLoader程序，可以初始化存儲器等硬件設備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的狀態(tài)，為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準備好正確的環(huán)境。其一般編寫的步驟為：[!--empirenews.page--]

(1)屏蔽所有的中斷。為中斷提供服務通常是操作系統(tǒng)或設備驅(qū)動程序的責任，因此，在BootLoader的執(zhí)行全過程中可以不必響應任何中斷;

(2)設置中斷向量;

(3)設定存儲器控制寄存器;

(4)初始化堆棧和寄存器。系統(tǒng)堆棧初始化取決于用戶使用了哪些中斷，以及系統(tǒng)需要處理哪些錯誤類型、并且定義處理器的幾種工作方式。一般來說管理者堆棧必須設置，如果使用了IRQ中斷，則IRQ堆棧也必須設置;

(5)如有必要則需要改變處理器模式、狀態(tài);

(6)初始化C語言所需的存儲器空間。為正確運行應用程序，在初始化期間應將系統(tǒng)需要讀寫的數(shù)據(jù)和變量從ROM拷貝到RAM中。一些要求快速響應的程序，如中斷處理程序，需要在RAM中運行;如果使用Flash，對Flash的擦除和寫入操作也是在RAM里運行的。

嵌入式系統(tǒng)的啟動程序是嚴重依賴于硬件的，所以需要用匯編語言來進行編寫。完成上述步驟后，系統(tǒng)就完成了對硬件和軟件運行環(huán)境的初始化。最后將實時操作系統(tǒng)代碼從Flash讀入到內(nèi)存空間中，開始運行實時操作系統(tǒng)。

操作系統(tǒng)與文件系統(tǒng)的移植

Linux作為一種優(yōu)秀的操作系統(tǒng)，近幾年在嵌入式領域異軍突起，成了最有潛力的嵌入式操作系統(tǒng)。突出的一個優(yōu)點就是免版稅和開放源碼，另外它可應用于多種硬件平臺，具有良好的移植性、高的可靠性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡功能、完備的文件系統(tǒng)以及豐富的API，為嵌入式網(wǎng)關提供了強大的軟件支持。因此，本文選擇 Linux作為嵌入式網(wǎng)關的操作系統(tǒng)。對Linux的移植有以下幾個步驟：

(1)下載Linux源代碼，建立交叉編譯環(huán)境;

(2)配置和編譯內(nèi)核;

(3)制作文件系統(tǒng)，編寫相應的設備驅(qū)動程序;

(4)下載，調(diào)試和執(zhí)行內(nèi)核，并在文件系統(tǒng)中添加自己的應用程序。

應用程序的編寫

本文利用Socket套接字和TCP/IP協(xié)議編寫了一個簡單的客戶機/服務器模式的網(wǎng)絡應用程序。因為本系統(tǒng)只是起到網(wǎng)關的作用，只需實現(xiàn)現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)上位機兩方之間的通信，并不需要處理其數(shù)據(jù)的邏輯意義和內(nèi)容。在這種模式下，以太網(wǎng)上位機被設定為服務器，它運行了服務器端的應用程序。該程序主要用于監(jiān)聽服務器端口、接受客戶端的連接請求、接受客戶端的信息、向客戶端發(fā)送信息等。網(wǎng)關系統(tǒng)中運行的是客戶端程序，該程序主要是用于申請連接到服務器、將現(xiàn)場總線方發(fā)來的消息向服務器發(fā)送、處理服務器發(fā)來的信息、將這些信息發(fā)送給現(xiàn)場總線系統(tǒng)。應用程序軟件流程如圖2所示。

軟件中調(diào)用的函數(shù)主要有：

(1)intsocket(intfamily，inttype，intprotocol)。此函數(shù)為通信創(chuàng)建一個端口，若正常調(diào)用將返回一個整型的文件描述符，錯誤調(diào)用將返回-1。

(2)intbind(intsockfd，conststructsockaddr

*address，size-taddress-len)。此函數(shù)一旦Socket調(diào)用成功并返回了一個文件描述符，便將該Socket與服務器本機上一個端口相關聯(lián)，就可以在該端口監(jiān)聽服務請求。該函數(shù)只用于服務器端程序，客戶端無須調(diào)用此函數(shù)。

(3)intlisten(ints，intbacklog)。服務器用來監(jiān)聽是否有服務請求。

(4)intaccept(intsockfd，void*addr，int*addrlen)。連接端口的服務請求。但某個客戶端試圖與服務器監(jiān)聽的端口連接時，該連接請求將排隊等待服務器調(diào)用此函數(shù)接受它。

(5)intsend(intsockfd，constvoid*msg，intlen，intflags);recv(intsockfd，void*buf，intlen，unsignedintflags)。發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

(6)intconnect(intsockfd，structsockaddr*serv-addr，intaddrlen)。此函數(shù)用來與遠端服務器建立一個TCP連接。

(7)intclose(intsockfd)。結束數(shù)據(jù)傳輸。

結束語

本文介紹了以S3C2410處理器為核心、用RTL8019AS作為網(wǎng)絡接口芯片的嵌入式以太網(wǎng)接口的具體軟、硬件方法，可用于工業(yè)現(xiàn)場實現(xiàn)現(xiàn)場節(jié)點的自動上網(wǎng)，從而實現(xiàn)對現(xiàn)場遠程控制，具有很好的發(fā)展前景。