基于S3C44B0X的嵌入式以太网接口设计

在互联网络和局域网络飞速发展的今天，计算机进行网络互联的同时，各种家电设备、仪器仪表、工业生产中的数据采集和控制正在走向网络化。

以太网 (Ethemet) 由于它的普遍性及低廉的接口价格，因而已经作为一种最通用的网络，广泛应用于生产和生活中。另一方面，嵌入式设备在价格、体积及实时性等方面是通用计算机无法比拟的，也已广泛应用于自动化控制、数据采集、通信网络等领域。因此，嵌入式以太网技术有着广阔的前景，首先要解决的问题就是嵌入式以太网接口问题。

本文基于最常用的嵌入式处理器 S3C44B0X 和以太网驱动器 RTL8019AS 来设计了一款嵌入式以太网接口。本设计的特点是，既可仅用于嵌入式以太网驱动设备，方便简单，又可进行扩展其他模块，必要时可以移植操作系统，应用于其他复杂领域。本文从 RTL8019AS 的内部结构工作原理出发，介绍了基于 S3C44B0X 的硬件接口电路，详细说明了基于硬件层的驱动程序 C 语言的设计。

1 以太网帧结构

一个标准的以太网物理传输帧由 7 部分组成： PR( 同步位 ) 、 SD( 分隔位 ) 、 DA( 目的地址 ) 、 SA( 源地址位 ) 、 TYPE( 类型字段 ) 、 DATA( 数据段 ) 、 FCS( 帧校验 ) 。

其传输帧结构 ( 及各部分长度 ) 如图 1 所示。

除了数据段的长度不定外，其他部分的长度固定不变。数据段为 46 ～ 1500 字节。以太网规定整个传输包的最大长度不能超过 1514 字节 (14 字节为 DA 、 SA 、 TYPE) ，最小不能小于 60 字节。需填充时，填充字符的个数不包括在长度字段中；超过 1 500 字节时，需拆成多个帧传送。事实上，发送数据时， PR 、 SD 、 FCS 及填充字段这几个数据段由以太网控制器自动产生；而接收数据时， PR 、 SD 被跳过，控制器一旦检测到有效的前序字段 ( 即 PR 、 SD) ，就认为接收数据开始。

2 芯片简介

S3C44B0X 是三星公司使用 ARM7TDMI 核生产的 16 ／ 32 位 RISC( 精简指令集计算机 ) 处理器，它提供了丰富的内置模块，包括： 8 kB Cache 和内部 SRAM ， LCD( 液晶显示器 ) 控制器， 2 通道的 UART ， 4 通道的 DMA( 直接存储器存取 ) ，存储器管理，带 PWM( 脉宽调制 ) 的定时器， I ／ O 口， 8 通道 10 位的 A ／ D 转换器， IIC 、 IIS 总线，同步 SIO 接口和 PLL( 锁相环 ) 倍频器，可根据需要进行接口扩展，并且价格低廉，目前已被广泛应用于嵌入式领域中。

RTL8019AS 是在嵌入式领域应用广泛且性价比很高的网络控制芯片。 RTL8019AS 的主要性能有：符号 Ethernet Ⅱ 与 IEEE 802.3(10Base5 、 10Base2 、 10BaseT) 标准；全双工，收发可同时达到 10 Mbit ／ s 的速率；内置 16 kB 的 SRAM ，用于收发缓冲，降低对主处理器的速度要求；支持 8 ／ 16 位数据总线， 8 个中断申请线以及 16 个 I ／ O 基地址选择；支持 UTP 、 AUI 、 BNC 自动检测，还支持对 10BaseT 拓扑结构的自动极性修正；允许 4 个诊断 LED 引脚可编程输出。

RTL8019AS 可分为以下几部分功能模块：

a) 远程 DMA 接口：处理器与 RTL8019AS 收发缓冲的连接通道，处理器只需对远程 DMA 操作。

b) 本地 DMA 接口： RTL8019AS 与网线的连接通道，完成控制器与网线的数据交换。

c)MAC( 介质访问控制 ) 逻辑：完成对远程 DMA 和本地 DMA 数据包传输、中断的产生等自动控制。

d) 地址识别逻辑：将接收到的数据帧中的目的地址和地址寄存器中的地址进行比较，判断其是否为发到本地的帧。

e)CRC( 循环冗余校验 ) 产生校验逻辑：在发送数据时，产生 CRC 码，对接收帧进行 CRC 。

f) 协议 PCA ：负责实施以太网规范。

RTL8019AS 内部有 16kB SRAM ，分为 64 页， 256 字节／页，组成环形队列作为收发缓冲区，只能按页操作，页地址从 0x4000 ～ 0x7FFF 。可以通过相关的寄存器读写操作，可以对缓冲区进行设置及状态的读取。由于接收缓冲区是按页即 256 B 来操作的，与缓冲区地址有关的寄存器中只需存储缓冲区的高 16 位地址即可。在本设计中，将前 32 页 (0x400 ～ 0x5fff) 作为接收缓冲区，将后 32 页 (0x6000 ～ 0x7ff) 作为发送缓冲区。

RTL8019AS 具有 32 位输入输出地址，地址偏移量为 00H ～ 1FH 。其中， 00H ～ 0FH 共 16 个地址为寄存器地址。远程 DMA 地址包括 10H ～ 17H ，都可以用来做远程 DMA 端口，只要用其中的一个就可以了。复位端口包括 18H ～ 1FH 共 8 个地址，功能相同，用于 RTL8019AS 复位。 RTL8019AS 的内部 I ／ O 基址是 00H ，但微处理器要访问 8019 的地址却不是 00H ，该地址是由处理器与网络控制器的连线决定的。

RTL8019AS 寄存器分为 4 页，即 PAGE0 ～ PAGE3 ，每一页的地址偏移量均为 0x00 ～ 0x1f 由 RTL8019AS 的 CR( 命令寄存器 ) 中的 PS1 、 PS0 位来决定要访问的页，每一页中的寄存器由 SA0 ～ SA3 寻址。第 0 页和第 1 页的寄存器很重要，用于数据收发的控制和中断管理等，使用前必须对其进行配置。第 2 页和第 3 页只用于诊断和其他一些配置，很少使用。

3 设计思路

首先， S3C44B0X 通过 RTL8019AS 的 I ／ O 口，对其相关寄存器进行配置。在通信时， S3C44B0X 与 RTL8019AS 的收发缓存器的数据交换由远程 DMA 控制，而 RTL81019AS 收发缓存器与以太网总线之间的数据交换由它的本地 DMA 控制。 RTL8019AS 通过中断的方式通知 S3C44B0X 数据收发的结果和状态， S3C44B0X 通过查询中断状态寄存器的值，作出相应处理。

系统结构如图 2 所示。

4 接口电路设计

接口电路如图 3 所示。

S3C 44B0X 的 nOE 、 nWE 分别与 RTL8019AS 的 IORB 、 IOWB 相连，控制数据的读和写操作，低电平有效。 RTL8019 使用中断 0 ，对应 S3C4480 的外部中断 1 。

RTL8019AS RTL8019AS 有 3 种工作方式：

a) 跳线方式： I ／ O 和中断由跳线决定；
b) 即插即用方式 (PNP) ：由软件进行自动配置，使用这种方法时，系统的启动程序必须包含支持 PNP 的函数；
c) 免跳线方式： I ／ O 和中断由外接的 EEPROM93C46 中的内容决定。

在本设计中，为了降低启动程序和接口电路的复杂性，选择跳线方式，故 JP 接高电平。

X1 、 X2 分别为 20 MHz 晶振的输入输出端。 LED0 ～ 2 分别连接 3 个发光二极管，指示网络连接、数据传输和发送的情况。 20F001 为网卡滤波器，内部包含一对低通滤波器和一对隔离变压器，其输出 TX+ ／ - 、 RX+ ／ - 与 RJ45 的信号口相连

由于在本设计中 RTL8019AS 的 AEN 与 S3C44B0X 的 nGCS2 相连，所以对应 S3C44B0X 的存储器的起始地址 0x0600-0000 ；并且，由于 RTL8019AS 的 IOS0 ～ IOS3 接地，在跳线模式下，当 IOS0 ～ IOS1 为 0000 时， RTL8019AS 的基址为 0300H 。因此，在本设计中， S3C44B0X 访问 RTL8019AS 的基址就是 0x0600-0300 。

5 驱动程序设计

5.1 程序设计思路

在本设计方案中，驱动程序主要包含 3 个函数，即系统的初始化函数、接收数据包函数、发送数据包函数。 初始化部分完成 RTL8019AS 在使用之前的初始化工作，包括设置相关工作模式的寄存器、分配和初始化接收和发送缓冲区、初始化网卡接收地址等。

MAR0-MAR7- 多点地址寄存器：这 8 个寄存器的值是根据多播地址数组的值生成的，提供对多播地址的过滤，过滤掉一些不属于自己接收多播数据包。

这里均设为 FFH ，接所有多播地址的数据包：

下面 6 条语句设置 MAC 地址，寄存器为 PAR0 ～ PAR5 ：实际地址寄存器，这些寄存用来对目标地址数据包进行比较，以确定接收或者拒绝接收。地址放在数组 add[6] 中。

5.2 数据的传输和发送

数据的传输和发送由本地 DMA 传输和与远程 DMA 传输两部分完成，前者大部分工作由 RTL8019AS 自动完成，我们要做的是设置收发缓冲区的大小及指针变量，这些工作在 RTL8019AS 的初始化时已完成，因此只需要编写远程 DMA 读写函数。对远端 DAM 口的读写，不同的只是数据传输方向，这里，仅以读操作为例，即编写从 RTL8019AS 接收缓冲区取数据包到 S3C4480X 。 ( 注意：远程 DMA 的写函数，即向 RTL8019AS 发送缓冲区写数据函数 --send_data() 省略。 )

5.3 以太网接口通信函数流程

这里采用中断和查询相结合的方式来决定是否发送和接收数据。当 RTL8019AS 的 ISR( 中断状态寄存器 ) 的任意一中断位置位时， S3C4B0X 都要对其进行中断相应 ( 在这里只关注第 0 中断位和第 1 中断位，即分别反映 RTL8019AS 已正确接收到数据和已成功发送数据包，因此在初始化函数中将其他位屏蔽 ) 。这时要对 ISR 进行访问，来判断是何种中断，进而作出相应的响应，如图 4 所示。

6 结束语

本设计经过软硬件的调试，并已成功地进行以太网数据传输。由于 S3C4480X 出众的性价比及丰富的外围接口，通过扩展本设计可以应用到嵌入式仪器仪表、工业数据采集网络、嵌入式网络控制等许多领域。