基于AX88796B的網絡接口模塊的設計與實現

引言
網絡技術應用日益普及的今天，工業現場的儀器儀表、數據采集和控制設備也日趨網絡化，工業自動化和網絡的結合越來越密切。而將以太網和嵌入式系統相結合應用于工業控制中已成為趨勢。
AX88796B是Asix公司推出的一款為嵌入式和工業以太網應用而設計的低引腳數以太網控制芯片。其內部集成10/100Mb/s自適應的介質訪問層MAC和物理層收發器PHY以及8K×16位的SRAM。AX88796B可應用于商業級0～70C和工業級-40C～85C的溫度范圍。AX88796B支持MCS-51系列、80186系列、ISA總線和SRAM-like接口類型。執行基于IEEE802.3/IEEE802.3u局域網標準的10Mb/s和100Mb/s以太網控制功能，并且提供發送隊列功能來增強標準NE2000的發送性能。
AT91R40008微控制器是基于ARM7TDMI核的32位RISC結構的嵌入式微控制器，非常適于工業實時控制應用。AX88796B引腳的LQFP封裝減少了PCB空間并且和NE2000兼容，編程簡單，其驅動可以容易快速的移植到許多嵌入式系統中。因此，綜合上述兩種芯片的優點，我們選擇AX88796B和AT91R40008作為工業實時控制中嵌入式網絡應用的解決方案，具有很好的工業應用價值和前景。

圖1 AX88796B內部結構圖

AX88796B內部結構及工作原理
1 AX88796B的內部結構
網卡上電復位時EEPROM接口能夠通過CSR中偏移為14H的SMI/EEPROM寄存器來存取數據，MAC地址由EEPROM中讀取，并被自動載入地址為0000h～001fh和0400h～040fh的內部存儲區中。如果沒有使用EEPROM，每次上電對網卡進行初始化時候就手動給它分配一個MAC地址。

AX88796B內部有一個16KB（0x4000～0x7fff）大小的SRAM，該SRAM是雙端口SRAM，可以同時被網卡讀寫和用戶讀寫，這片地址空間的一部分被保留用來存放一個緩沖環結構，另一部分可以給用戶使用。在本設計中，16KB的SRAM全部被用來接收和發送數據包。本地DMA正是通過這個緩沖環結構來接收報文的。這個結構由一連串相鄰的固定長度為256B的緩沖區構成，每256字節稱為一頁，共有64頁。頁的地址就是地址的高8位，頁地址為0x00～0xff。其中0x40～0x4B為網卡的發送緩沖區，共12頁，剛好可以存儲2個最大的以太網包，所以我們把發送緩沖區分成兩部分進行輪流發送。使用0x4c～0x7f共52頁為網卡的接收緩沖區。AX88796B的SRAM空間結構和收發緩沖區結構如圖2、3所示。

圖2 SRAM空間結構

圖3 收發緩沖區

2 AX88796B的工作原理
由四個寄存器來控制接收緩沖區的操作。Page Start Address Register (PSTART)和Page Stop Address Register(PSTOP)定義了接收緩沖區的起始和終止頁號，形成一個接收緩沖環。當前頁地址寄存器（Current Page Register）指向第一個用于存儲數據包的緩沖區。邊界指針寄存器（Boundary Pointer Register）指向在緩沖環中第一個未被主機讀取的數據包。如果本地DMA地址與Boundary Pointer Register的值相等，則接收過程中止。邊界指針也被用來初始化遠端DMA來移動一個數據包，當數據包被移走后，邊界指針也向前增長。這樣，Current Page Register如同一個寫指針，Boundary Pointer如同一個讀指針。接收到一個數據包時，從PSR中指定的頁號開始存儲，如果一個256B的緩沖區不夠，DMA會執行一個前向連接來連接下一個緩沖區以存儲這個數據包的剩余部分。連接的時候緩沖區必須是連續的，一個數據包總是會被存儲在相鄰的緩沖區里。在連接下一個緩沖區前，緩沖管理邏輯會執行兩個比較，首先比較下一個緩沖區的DMA地址是否和page Stop Register相等，若相等，則DMA地址被恢復為page start address register中保存的地址。其次和boundary pointer register比較，如果相等，則接收報文過程終止。Boundary Pointer Register能夠防止緩沖區里的數據還沒有讀出就被重寫。
要發送和接收數據包就必須通過DMA讀寫AX88796B內部的SRAM。DMA分為遠程DMA（Remote DMA）和本地DMA（Local DMA）。CPU從網卡的SRAM讀寫數據稱為遠端DMA。AX88796B讀寫SRAM稱為本地DMA。數據包的接收過程：當數據包到達網卡的MAC層后，本地DMA先將到達MAC層的報文傳送到網卡的內存中，主機CPU再通過遠端DMA通道從網卡內存中讀取數據包。數據包的發送過程：主機CPU通過遠端DMA把要發送的數據包送到網卡的內存中，本地的DMA將該數據包傳送到MAC層，再經由內部的PHY層發送至網絡。

網絡接口硬件設計
1 AX88796B的引腳配置
AX88796B與CPU的連接方式有MCS51模式、ISA模式、186模式，此方案使用了ISA 8bit模式。片選引腳CSn，讀寫信號RDn、WRn、RSTn都是低電平有效，分別和AT91r40008相應引腳相連即可。AX88796B的數據線SD0～SD15和AT91r40008的DATA[0:15]相連，可通過軟件配置為16位或8位DMA數據傳輸方式。AX88796B的IRQ是可編程的，中斷請求信號可以通過配置BTCR或EEPROM來選擇其觸發方式和中斷I/O緩沖類型，AT91r40008中斷觸發方式應該和BTCR的配置相一致。其他重要引腳如IOIS16、PME、EECE、EECK在本設計中懸空處理。引腳配置應根據網卡芯片手冊說明和設計方案而定。
對AX88796B控制狀態寄存器（CSR）的操作，需要確定其基地址，基地址的選擇應根據AT91r40008的可編程外部總線EBI的地址和片選信號來確定。AT91r40008的EBI處理位于地址空間0x00400000～0xFFC00000的訪問操作，在訪問過程中，它將產生外部器件的控制訪問信號。當把網卡寄存器地址空間映射進EBI后，直接對EBI地址空間操作即可控制網卡的寄存器讀寫。對每個映射進EBI接口的外圍器件，可以編程等待周期數、數據浮空時間、數據總線寬度（8位或16位）等。
2 AT91r40008與AX88796B接口電路

圖4 硬件連接原理圖

電路如圖4所示。

AX88796B的驅動程序設計
AX88796B的網卡驅動程序是處理器CPU和網卡硬件的接口，網卡驅動程序主要包括以下幾部分：網卡的初始化；數據包的接收和發送；中斷處理子程序。
1 網卡初始化
在網卡的初始化過程中除了完成對相關寄存器的定義與賦值外，還要完成對接收緩沖環的構造。AX88796B的所有寄存器除了數據端口寄存器外都是8位數據寬度。數據端口寄存器可以通過配置DCR寄存器中的WTS設置成8位或16位寬。AX88796B將偏移量為01h～0fh的寄存器分為4頁(Page0～Page3)進行操作。與NE2000兼容的寄存器只有3頁(Page0～Page2)。初始化需要設置頁0與頁1的相關寄存器，頁2的寄存器是只讀的，不可以設置，頁3的寄存器不是NE2000兼容的，不用設置。初始化函數主要要完成以下諸項工作。
/*AX88796B_init*/
/*調用復位子程序對AX88796B進行復位。有兩種復位方式:一是硬件復位，通過拉高拉低RESET引腳達到復位AX88796B的目的；二是軟件復位，從0x1f端口讀數據使AX88796B復位。*/
ReadByte(RESET);
WriteByte(RESET,0xff);
delay(3000);
WriteByte(IMR,0);/*初始化中斷屏蔽寄存器IMR，寫入0x00,禁止所有中斷請求。*/
WriteByte(CR,0x61);/*選中頁1，停止AX88796B。*/
delay(1000);
WriteByte(CPR,0x4C);/*初始化接收緩沖環寫頁指針CPR＝PSTART*/
WriteByte(PAR0～PAR5,MAC);/*設置網卡芯片MAC地址，清除多播地址寄存器。*/
WriteByte(MAR0～MAR7,0);
WriteByte(CR,0x21);/*停止網卡，切換到頁0。*/
delay(1000);
WriteByte(BNRY,0x79);/*寫邊界指針寄存器(BNRY)為0x79；*/
WriteByte(PSTART,0x4c);/*設置接收緩沖區的起始頁地址0x4c；*/
WriteByte(PSTOP,0x80);/*PSTOP接收緩沖區的結束頁地址0x80；*/
WriteByte(TPSR,0x40);/*TPSR發送頁的起始地址0x40；*/
WriteByte(DCR,0x80);/*設置數據配置寄存器為8位數據傳輸模式。*/
/*設置接收配置寄存器為0x4C，使接收緩沖區僅接收廣播地址數據包和多點播送地址包。*/
WriteByte(RCR,0x4C);
/*設置TCR發送配置寄存器為0x80，采用全雙工模式，當數據包長度小于60字節時自動填充，發送時附加CRC校驗。*/
WriteByte(TCR,0x80);
WriteByte(ISR,0xFF);/*清除中斷狀態寄存器。*/
WriteByte(IMR,0x11);/*允許覆寫中斷和數據包接收中斷。*/
WriteByte(BTCR,0x30);/*中斷觸發方式為高電平有效，IRQ輸出為推挽驅動方式*/
WriteByte(CR,0x22);/*啟動芯片，AX88796B初始化完成。*/
delay(1000);
wrcurpge=read(CPR);
rdnxtpge=wrcurpge;
2 數據包的發送和接收
判斷AX88796B是否接收到新的數據包有兩種方式：輪循和中斷。單片機用輪循方式較多。為了提高CPU性能和實時性要求，這里采用中斷方式。當網卡接收到新數據包時進入中斷，首先判斷CPR是否等于BNRY，若相等，則表示接收緩沖區已被存滿，則停止接收數據包，而不會覆蓋舊的數據；若不等，則將接收緩沖區中待讀取的數據包的起始地址寫入RSAR[0，1]寄存器，數據包的開始4字節寫入RBCR[0，1]寄存器，并啟動遠端DMA讀命令，通過讀取4個信息字節得到待讀取數據包的長度、接收狀態和下一個將被讀的頁的指針信息。然后通過遠端DMA讀命令，將數據包從網卡SRAM中讀入CPU內存中，并更新讀頁指針寄存器BNRY，CPU每從網卡內存中讀走一頁數據，BNRY便加一，這需要通過程序實現。網卡通過CPR將接收到的數據包寫入接收緩沖區，每寫完一頁，CPR將自動加一，當加到最后的空頁（這里是PSTOP=0x80）時，CPR將自動恢復為接收緩沖區的首頁（PSTART=0x4c）。網卡接收關鍵性代碼如下：
/*AX88796B_receive*/
uint8 rcvinfo[4],i;
  uint16 pktlength,index;
  /*得到待讀取數據包的信息，并將其保存在rcvinfo數組中*/
 WriteByte(RSAR0,0x00);
  WriteByte(idx,RSAR1,rdnxtpge);
  WriteByte(RBCR0,0x04);
  WriteByte(RBCR1,0x00);
  WriteByte(CR,0x0A);
  for(i=0;i<4;i++)
  rcvinfo[i]=*((uint8*)(DP_PORT+Base_addr));
  pktlength=rcvinfo[2]+(rcvinfo[3]*256)-4;
  /*根據得到的待讀取數據包的長度pktlength，將數據包讀入CPU內存Buf*/
  WriteByte(RSAR0,0x4);
  WriteByte(RSAR1,rdnxtpge);
  WriteByte(RBCR0,(uint8)(pktlength&0x00ff));
  WriteByte(RBCR1,(uint8)(pktlength>>8));
  WriteByte(CR,0x0A);
  ReadData(uint16*Buf,uint16 length);
  /*更新BNRY指針，并返回pktlength值*/
 rdnxtpge=rcvinfo[1];
if(rdnxtpge==PSTART)
    WriteByte(idx,BNRY,PSTOP-1);
    else
    WriteByte(idx,BNRY,rdnxtpge-1);
return pktlength;
CPU通過遠端DMA通道將網卡發送緩沖區的起始地址和要發送的字節數分別寫入RSAR[0，1]和RBCR[0，1]，然后啟動遠端DMA寫命令即可將數據包寫入網卡內存，此后將字節數寫入TBCR[0，1]寄存器，啟動發送命令就可將數據包發送到網絡上。網卡發送的關鍵代碼如下：

/*AX88796B_transmit*/
/*將數據寫入網卡的發送緩沖區*/
WriteByte (RSAR0,0x00);
 WriteByte (RSAR1,TX_BUF_Start);
 WriteByte (RBCR0,(uint8)(len&0xFF));
 WriteByte (RBCR1,(uint8)(len>>8));
 WriteByte (CR,0x12); 
 WriteData((uint16*)addr,len);
 WriteByte (idx,TPSR,TX_BUF_Start);
/*發送緩沖區的數據發送到網絡*/
 WriteByte (TBCR0,(uint8)(len&0xFF));  
 WriteByte (TBCR1,(uint8)(len>>8)); 
 WriteByte (CR,0x26);
3 中斷處理
中斷的處理和CPU關聯密切，在軟件中必須先配置好網卡的片選線和中斷信號線。數據包到來時，網卡將其保存在SARM中，同時觸發一個中斷。處理器接收到中斷信號后，進入中斷處理程序。在中斷處理程序中讀AX88796B的中斷狀態寄存器ISR來判斷是什么樣類型的中斷，如果讀出的值的最低位為1，則代表是數據包接收中斷，這時需觸發一個消息，進入到讀網卡函數。讀網卡函數的功能是將網絡數據包從網卡的內存接收到主機中，接著向上層傳遞，進行相應的處理。
一個報文的發送過程就是通過調用寫網卡函數，將報文發送到網卡的內存中去。然后將AX88796的控制寄存器（CR）的發送位TXP（Transmit packet）位置1，即將報文發送。
中斷處理子程序的關鍵代碼：
/*IRQ0_handler*/
uint8 InterruptStatus;
InterruptStatus=read(ISR);//讀中斷狀態寄存器
write(IMR,0x00);//禁止中斷
write(ISR,InterruptStatus);//清除中斷狀態寄存器
if(InterruptStatus&0x01)//是否為數據包接收中斷
OSQPost(TcpIpMsgQ,&idx);//通知上位機接收到數據包
write(IMR,0x11);//使能接收中斷和覆寫中斷