基于TMS320F28335和DM9000A芯片实现以太网接口的设计

处理器/DSP

891人已加入

描述

DSP(Digital Signal Processor)是一种独特的微处理器,是以数字信号来处理大量信息的器件。它强大的数据处理能力和高运行速度,是最值得称道的两大特色。随着网络技术的发展,在工业控制、智能仪器、智能家庭等领域,越来越多的DSP设备要求具有以太网通信功能,以便与外部网络设备进行数据通信。以太网控制芯片是以太网接口的核心器件,其性能是影响网络性能的关键因素之一,如何正确使用网络控制器是设计以太网接口的关键。本文采用处理器+以太网控制芯片+TCP/IP协议的DSP以太网接入方式,设计并实现了基于DSP的精简TCP /IP协议栈,并固化在DSP内,无需操作系统也可运行。

1 总体设计

本系统使用32位DSP处理器TMS320F28335和以太网控制芯片DM9000A为核心,DSP控制整个系统的运行,DM9000A实现网络传输的底层功能。并对TCP/IP协议栈自行裁剪,构成了DSP的以太网接口,实现了网络通信。其系统总体框图如图1所示。

dsp

2 系统硬件设计

2.1 DM9000A功能结构

DM9000A是DAVICOM公司推出的一款高度集成、低成本的快速以太网控制器,实现以太网媒体介质访问层(MAC)和物理层(PHY)的功能。该芯片具有通用的处理器接口,片内集成了10/100M自适应的PHY,内部含有16 KB SRAM用于接收/发送的FIFO缓存,3.3 V供电,并且支持IEEE 802.3以太网传输和8/16接口的两种主机工作模式协议。功能结构如图2所示。

dsp

2.2 接口电路的连接

接口电路主要由DSP、以太网控制芯片DM9000A、隔离变压器和RJ-45构成。DSP控制整个系统的运行,DM9000A实现以太网数据的底层传输。隔离变压器的主要作用:其一,可以增强信号,使其传输距离更远;其二,使芯片端与外部隔离,增强抗干扰能力,并对芯片端起保护作用;其三,当接到不同电平(如有的PHY芯片是2.5 V,有的PHY芯片是3.3 V)的网口时,不会对彼此设备造成影响。RJ-45接口可用于连接RJ-45接头,适用于由双绞线构建的网络,这种是最常见的以太网接口。DM9000A采用16位接口模式,数据地址复用总线D0~D15与DSP总线XD0~XD15相连;DM9000A的写信号引脚与DSP的XWE0n相连;读信号引脚与DSP的读引脚相连;DM9000A的片选信号引脚与DSP的CS0n相连;DM9000A的访问类型引脚CMD与DSP的普通I/O口GPIO61相连,高电平访问DM9000A的数据端口,低电平访问地址端口;DM9000A的复位引脚与DSP的GPIO 60相连;DM9000A的物理层接口TX+,TX-,RX+,RX-通过隔离变压器连接RJ-45至以太网。其以太网接口硬件连接如图3所示。

dsp

3 系统软件设计

网络接口的软件主要有DM9000A驱动程序设计和上层通信协议程序设计两个部分。DM9000A驱动程序设计主要是通过TMS320F28335控制总线配置DM9000A内部寄存器,完成对DM9000A初始化、以太网数据帧的发送和以太网数据帧的接收三部分。上层通信协议程序设计是对TCP/IP栈裁剪移植,主要完成对接收到的以太网数据帧进行解析并处理,并把要发送的数据封装成以太网数据,然后发送。

3.1 DM9000A驱动程序设计

3.1.1 DM9000A初始化

DM9000A正常工作需要在上电后对内部寄存器进行初始化,具体流程如下:

(1)启动PHY。设置通用寄存器GPR(1FH)的GEPIO0=0。

(2)进行两次软启动。设置网络控制寄存器NCR(00H)的RST=1,10μs后RST=0,同样的操作进行两次。

(3)选择网络模式。设置NCR的LBK=00,设置网络工作模式为正常模式。

(4)清除发送标志。设置网络状态寄存器NSR(01H)WAKEST=1,TX2END=1,TX1END=1。

(5)写6 B的以太网节点地址到物理地址寄存器PAR(10H~15H)中。

(6)设置中断屏蔽寄存器IMR(FFH)的PAR=1,使能指针自动跳回,当SRAM读/写指针超过SRAM的大小时,指针自动跳回起始位置;PRI=1,使能数据包接收中断。

(7)设置接收控制寄存器RCR(05H)的WTDIS=1,看门狗定时禁止;DSI_LONG=1,丢弃长数据包;DIS_CRC=1丢弃CRC校验错误的数据包;RXEN=1,使能接收功能。

初始化流程如图4所示。

dsp

完成上述初始化步骤后,DM9000A就处于正常工作状态,可以收发数据包。若有异常发生,就需要重复上述步骤,重启DM9000A以使芯片恢复到正常状态。

3.1.2 数据帧发送

DM9000A内部有16 KB的SRAM作为接收/发送数据的缓存区,其中前3 KB的空间,地址从0x0000H~0x0BFFH,用来缓存需要发送的数据。

数据发送的具体步骤如下:

(1)利用写操作寄存器MWCMD(F8H),将需要发送的数据帧写入DM9000A的发送缓存区。

(2)将数据帧长度写入长度寄存器TXPLL(FCH)和TXPLH(FDH)。

(3)设置发送控制寄存器TCR(02H),TXREQ=1,数据帧开始发送。

(4)检查网络状态寄存器NSR(01H)的TX2END和TX1END位,判断此帧数据是否发送完。

数据帧发送流程图如图5所示。

dsp

3.1.3 数据帧接收

当DM9000A数据接收使能后,DM9000A就会自动接收数据。DM9000A接收到的数据先保存在地址从0x0C00~0x3FFF的13 KB内部SRAM缓存空间中,它是一个环形结构。

利用寄存器MRCMDX(FOH)和寄存器MRCMD(F2H)可获取缓存中的数据帧信息。接收到的数据帧格式如图6所示。

dsp

其中第1个字节是接收数据标志字节,表征接收到数据帧是否有效。第2个字节是接收数据帧的状态字节,其中的内容与接收状态寄存器RSR中的内容相同,可以用来判断所接收的数据帧是否正常。第3,4个字节是接收到数据的长度字节,其中低位在前,高位在后。从第5个字节开始的数据才是真正数据帧内容。

数据接收过程如下:

(1)检查中断状态寄存器:ISR(FEH),若PRS位为1,说明有新的数据帧接收,写1清除PRS位;若为0,说明无数据,直接返回。

(2)读取第1个字节,即接收数据标志字节。如果该字节为01,则表示接收下来的是有效数据帧;如果该位为00则表示没有数据到达,或数据已经接收完成;如果既不是01又不是00,则认为有异常发生,这时就要将DM9000A芯片重启以使芯片恢复到正常状态。

(3)读取第2个字节,即接收状态字节。根据接收状态字节判断所接收的数据帧是否正常。

(4)读取第3,4字节,即数据帧长度字节。

(5)读取真正的数据帧内容。

(6)根据获取的长度信息,判断是否读完一帧。如果读完,接着读下一帧,直到遇到首字节是00H的帧,说明接收数据已读完。

数据帧接收流程如图7所示。

dsp

3.2 上层通信协议程序设计

TCP/IP协议模型可以分为四个层次,从下到上依次为:链路层、网络层、传输层和应用层。每一层都有不同的功能,低一层为高一层提供服务。

标准的TCP/IP协议栈对处理器的计算、存储要求比较高,然而,DSP系统的计算资源和存储资源通常是非常有限,在DSP中实现标准的TCP/IP协议栈将占用大量系统资源,不利于DSP其他方面的应用,因此必须对它进行简化并优化,尽可能做到代码精简,降低存储开销。本系统设计和实现了TCP/IP通信协议的必要部分,包括:ARP,IP,ICMP,TCP,UDP等协议。

ARP(地址解析协议)为IP地址到对应的硬件地址之间提供动态映射。IP协议是TCP/IP协议的核心,所有的TCP,UDP,ICMP的数据都是以IP数据格式传输的。ICMP(网络控制报文)是用来传递差错报文以及其他需要注意的信息,有各种类型的ICMP报文,本文只用到ICMP的请求回显(类型字段为8、代码字段为0)。TCP提供一种面向连接的、可靠的字节流服务,交换数据之前必须先建立一个TCP连接,即“三次握手”UDP是一个简单的面向数据报的传输层协议,它把应用程序传给IP层的数据发送出去,但是并不保证他们能到达目的地。在链路层,当DM9000A完成一个以太网数据帧接收后,将其读入暂存数组,检查以太网帧类型字段,该字段值为0x0806,表示数据帧为ARP帧;该字段的值为0x0800,表示数据帧为IP帧。接着,分别交由ARP协议处理模块或IP协议处理模块。编程时使用框架如下:

if(完成以太网数据帧接收)

{ if(以太网类型字段==0x0806)

{ARP处理模块}

if(以太网类型字段==0x0800)

{IP处理模块}

}

网络层收到的为ARP数据报,ARP根据操作字段(ARP请求为1,ARP应答为2),或者发送ARP应答或者更新ARP地址映射表。若为IP数据报,IP协议处理模块对数据包解析后,IP首部协议字段若为1就将数据交给ICMP协议处理模块,若为6则交给TCP处理模块,若为17则交给UDP处理模块。传输层得到UDP的报文后,按照UDP协议中的端口,分别送给不同的应用层序。若传输层得到的是TCP报文,则要根据TCP的状态转换图进行处理。在TCP或UDP的处理模块中,根据目的端口号,分别将数据送往不同的用户应用程序。其工作流程如图8所示。

dsp

4 结语

本文把高度集成、低成本的快速以太网控制器DM9000A与数据处理能力强大、高运行速度的DSP(TMS320F28335)相结合,设计出了一种DSP的以太网接口。实验结果表明,DSP系统可以通过该接口实现以太网数据通信,经自行裁剪的TCP/IP协议栈,不仅实现了IP,ARP,ICM P,TCP和UDP协议,而且提高了数据传输效率。该接口具有硬件接口简单、外围器件少、运行稳定可靠、性价比高等特点,同时也能够满足测试、采集等高速数据传输系统的要求,符合当今DSP设备趋于网络化发展的方向。

责任编辑:gt

打开APP阅读更多精彩内容
声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表德赢Vwin官网 网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉

全部0条评论

快来发表一下你的评论吧 !

×
20
完善资料,
赚取积分