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DSP（Digital Signal Processor）是一種獨特的微處理器，是以數字信號來處理大量信息的器件。它強大的數據處理能力和高運行速度，是最值得稱道的兩大特色。隨著網絡技術的發展，在工業控制、智能儀器、智能家庭等領域，越來越多的DSP設備要求具有以太網通信功能，以便與外部網絡設備進行數據通信。以太網控制芯片是以太網接口的核心器件，其性能是影響網絡性能的關鍵因素之一，如何正確使用網絡控制器是設計以太網接口的關鍵。本文采用處理器+以太網控制芯片+TCP/IP協議的DSP以太網接入方式，設計并實現了基于DSP的精簡TCP /IP協議棧，并固化在DSP內，無需操作系統也可運行。
1 總體設計
本系統使用32位DSP處理器TMS320F28335和以太網控制芯片DM9000A為核心，DSP控制整個系統的運行，DM9000A實現網絡傳輸的底層功能。并對TCP/IP協議棧自行裁剪，構成了DSP的以太網接口，實現了網絡通信。其系統總體框圖如圖1所示。
2 系統硬件設計
2.1 DM9000A功能結構
DM9000A是DAVICOM公司推出的一款高度集成、低成本的快速以太網控制器，實現以太網媒體介質訪問層（MAC）和物理層（PHY）的功能。該芯片具有通用的處理器接口，片內集成了10/100M自適應的PHY，內部含有16 KB SRAM用于接收/發送的FIFO緩存，3.3 V供電，并且支持IEEE 802.3以太網傳輸和8/16接口的兩種主機工作模式協議。功能結構如圖2所示。
2.2 接口電路的連接
接口電路主要由DSP、以太網控制芯片DM9000A、隔離變壓器和RJ-45構成。DSP控制整個系統的運行，DM9000A實現以太網數據的底層傳輸。隔離變壓器的主要作用：其一，可以增強信號，使其傳輸距離更遠;其二，使芯片端與外部隔離，增強抗干擾能力，并對芯片端起保護作用;其三，當接到不同電平（如有的PHY芯片是2.5 V，有的PHY芯片是3.3 V）的網口時，不會對彼此設備造成影響。RJ-45接口可用于連接RJ-45接頭，適用于由雙絞線構建的網絡，這種是最常見的以太網接口。DM9000A采用16位接口模式，數據地址復用總線D0～D15與DSP總線XD0～XD15相連;DM9000A的寫信號引腳與DSP的XWE0n相連;讀信號引腳與DSP的讀引腳相連;DM9000A的片選信號引腳與DSP的CS0n相連;DM9000A的訪問類型引腳CMD與DSP的普通I/O口GPIO61相連，高電平訪問DM9000A的數據端口，低電平訪問地址端口;DM9000A的復位引腳與DSP的GPIO 60相連;DM9000A的物理層接口TX+，TX-，RX+，RX-通過隔離變壓器連接RJ-45至以太網。其以太網接口硬件連接如圖3所示。
3 系統軟件設計
網絡接口的軟件主要有DM9000A驅動程序設計和上層通信協議程序設計兩個部分。DM9000A驅動程序設計主要是通過TMS320F28335控制總線配置DM9000A內部寄存器，完成對DM9000A初始化、以太網數據幀的發送和以太網數據幀的接收三部分。上層通信協議程序設計是對TCP/IP棧裁剪移植，主要完成對接收到的以太網數據幀進行解析并處理，并把要發送的數據封裝成以太網數據，然后發送。
3.1 DM9000A驅動程序設計
3.1.1 DM9000A初始化
DM9000A正常工作需要在上電后對內部寄存器進行初始化，具體流程如下：
（1）啟動PHY。設置通用寄存器GPR（1FH）的GEPIO0=0。
（2）進行兩次軟啟動。設置網絡控制寄存器NCR（00H）的RST=1，10μs后RST=0，同樣的操作進行兩次。
（3）選擇網絡模式。設置NCR的LBK=00，設置網絡工作模式為正常模式。
（4）清除發送標志。設置網絡狀態寄存器NSR（01H）WAKEST=1，TX2END=1，TX1END=1。
（5）寫6 B的以太網節點地址到物理地址寄存器PAR（10H～15H）中。
（6）設置中斷屏蔽寄存器IMR（FFH）的PAR=1，使能指針自動跳回，當SRAM讀/寫指針超過SRAM的大小時，指針自動跳回起始位置;PRI=1，使能數據包接收中斷。
（7）設置接收控制寄存器RCR（05H）的WTDIS=1，看門狗定時禁止;DSI_LONG=1，丟棄長數據包;DIS_CRC=1丟棄CRC校驗錯誤的數據包;RXEN=1，使能接收功能。
初始化流程如圖4所示。
完成上述初始化步驟后，DM9000A就處于正常工作狀態，可以收發數據包。若有異常發生，就需要重復上述步驟，重啟DM9000A以使芯片恢復到正常狀態。
3.1.2 數據幀發送
DM9000A內部有16 KB的SRAM作為接收/發送數據的緩存區，其中前3 KB的空間，地址從0x0000H～0x0BFFH，用來緩存需要發送的數據。
數據發送的具體步驟如下：
（1）利用寫操作寄存器MWCMD（F8H），將需要發送的數據幀寫入DM9000A的發送緩存區。
（2）將數據幀長度寫入長度寄存器TXPLL（FCH）和TXPLH（FDH）。
（3）設置發送控制寄存器TCR（02H），TXREQ=1，數據幀開始發送。
（4）檢查網絡狀態寄存器NSR（01H）的TX2END和TX1END位，判斷此幀數據是否發送完。
數據幀發送流程圖如圖5所示。
3.1.3 數據幀接收
當DM9000A數據接收使能后，DM9000A就會自動接收數據。DM9000A接收到的數據先保存在地址從0x0C00～0x3FFF的13 KB內部SRAM緩存空間中，它是一個環形結構。
利用寄存器MRCMDX（FOH）和寄存器MRCMD（F2H）可獲取緩存中的數據幀信息。接收到的數據幀格式如圖6所示。
其中第1個字節是接收數據標志字節，表征接收到數據幀是否有效。第2個字節是接收數據幀的狀態字節，其中的內容與接收狀態寄存器RSR中的內容相同，可以用來判斷所接收的數據幀是否正常。第3，4個字節是接收到數據的長度字節，其中低位在前，高位在后。從第5個字節開始的數據才是真正數據幀內容。
數據接收過程如下：
（1）檢查中斷狀態寄存器：ISR（FEH），若PRS位為1，說明有新的數據幀接收，寫1清除PRS位;若為0，說明無數據，直接返回。
（2）讀取第1個字節，即接收數據標志字節。如果該字節為01，則表示接收下來的是有效數據幀;如果該位為00則表示沒有數據到達，或數據已經接收完成;如果既不是01又不是00，則認為有異常發生，這時就要將DM9000A芯片重啟以使芯片恢復到正常狀態。
（3）讀取第2個字節，即接收狀態字節。根據接收狀態字節判斷所接收的數據幀是否正常。
（4）讀取第3，4字節，即數據幀長度字節。
（5）讀取真正的數據幀內容。
（6）根據獲取的長度信息，判斷是否讀完一幀。如果讀完，接著讀下一幀，直到遇到首字節是00H的幀，說明接收數據已讀完。
數據幀接收流程如圖7所示。
3.2 上層通信協議程序設計
TCP/IP協議模型可以分為四個層次，從下到上依次為：鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層。每一層都有不同的功能，低一層為高一層提供服務。
標準的TCP/IP協議棧對處理器的計算、存儲要求比較高，然而，DSP系統的計算資源和存儲資源通常是非常有限，在DSP中實現標準的TCP/IP協議棧將占用大量系統資源，不利于DSP其他方面的應用，因此必須對它進行簡化并優化，盡可能做到代碼精簡，降低存儲開銷。本系統設計和實現了TCP/IP通信協議的必要部分，包括：ARP，IP，ICMP，TCP，UDP等協議。
ARP（地址解析協議）為IP地址到對應的硬件地址之間提供動態映射。IP協議是TCP/IP協議的核心，所有的TCP，UDP，ICMP的數據都是以IP數據格式傳輸的。ICMP（網絡控制報文）是用來傳遞差錯報文以及其他需要注意的信息，有各種類型的ICMP報文，本文只用到ICMP的請求回顯（類型字段為8、代碼字段為0）。TCP提供一種面向連接的、可靠的字節流服務，交換數據之前必須先建立一個TCP連接，即“三次握手”UDP是一個簡單的面向數據報的傳輸層協議，它把應用程序傳給IP層的數據發送出去，但是并不保證他們能到達目的地。在鏈路層，當DM9000A完成一個以太網數據幀接收后，將其讀入暫存數組，檢查以太網幀類型字段，該字段值為0x0806，表示數據幀為ARP幀;該字段的值為0x0800，表示數據幀為IP幀。接著，分別交由ARP協議處理模塊或IP協議處理模塊。編程時使用框架如下：
if（完成以太網數據幀接收）
{ if（以太網類型字段==0x0806）
{ARP處理模塊}
if（以太網類型字段==0x0800）
{IP處理模塊}
}
網絡層收到的為ARP數據報，ARP根據操作字段（ARP請求為1，ARP應答為2），或者發送ARP應答或者更新ARP地址映射表。若為IP數據報，IP協議處理模塊對數據包解析后，IP首部協議字段若為1就將數據交給ICMP協議處理模塊，若為6則交給TCP處理模塊，若為17則交給UDP處理模塊。傳輸層得到UDP的報文后，按照UDP協議中的端口，分別送給不同的應用層序。若傳輸層得到的是TCP報文，則要根據TCP的狀態轉換圖進行處理。在TCP或UDP的處理模塊中，根據目的端口號，分別將數據送往不同的用戶應用程序。其工作流程如圖8所示。
4 結語
本文把高度集成、低成本的快速以太網控制器DM9000A與數據處理能力強大、高運行速度的DSP（TMS320F28335）相結合，設計出了一種DSP的以太網接口。實驗結果表明，DSP系統可以通過該接口實現以太網數據通信，經自行裁剪的TCP/IP協議棧，不僅實現了IP，ARP，ICM P，TCP和UDP協議，而且提高了數據傳輸效率。該接口具有硬件接口簡單、外圍器件少、運行穩定可靠、性價比高等特點，同時也能夠滿足測試、采集等高速數據傳輸系統的要求，符合當今DSP設備趨于網絡化發展的方向。
責任編輯：gt
工商網監
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