DSP與PCI網(wǎng)卡接口設(shè)計(jì)

基于DSP的嵌入式系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)一直是熱門領(lǐng)域,目前利用的以太網(wǎng)控制器大多都是ISA接口。隨著PCI總線逐漸取代ISA總線的趨勢,使PCI接口的以太網(wǎng)控制器也成為PC機(jī)的主流,但在嵌入式領(lǐng)域中PCI總線的應(yīng)用目前并不多見。本文將介紹利用Realtek公司生產(chǎn)的具有PCI接口的以太網(wǎng)控制芯片RTL8139實(shí)現(xiàn)RTL8139與DSP接口的方案。

1?RTL8139

　　RTL8139是帶PCI接口的10M/100M自適應(yīng)網(wǎng)卡控制芯片,它提供32位PCI總線控制,支持IEEE802.3u 100Base-T和IEEE802.3x的全雙工流量控制;符合PCI 2.2標(biāo)準(zhǔn),支持高級配置和電源接口(ACPI)和PCI對現(xiàn)代操作系統(tǒng)的電源管理(即對操作系統(tǒng)的直接電源管理),以提高電源管理的效率。此外,RTL8139還支持128KB的Boot ROM,提供網(wǎng)絡(luò)喚醒和遠(yuǎn)程喚醒功能;含有2個2KB的收發(fā)FIFO;能夠降低網(wǎng)絡(luò)維護(hù)成本,消除使用障礙,而且可以很方便地使網(wǎng)絡(luò)由10M升級到100M,且?guī)捒梢赃_(dá)到200Mbps。RTL8139內(nèi)部MAC層結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 RTL8139的PCI接口

　　PCI總線分為主(Master)、從(Target)二種類型,Master可以控制PCI總線,Target不能控制PCI總線。標(biāo)準(zhǔn)的主設(shè)備至少有49條線與PCI總線相連;從設(shè)備至少有47條線與PCI總線相連。RTL8139所提供的PCI接口有51條引腳,其引腳簡介如下。

　　(1)地址/數(shù)據(jù)信號

　　AD31～0:地址、數(shù)據(jù)多路復(fù)用的輸入/輸出信號,在FRAMEB有效時,是地址期;在IRDYB和TRDYB同時有效時為數(shù)據(jù)期。

　　C/BE3～0:總線命令和字節(jié)使能多路復(fù)用信號,負(fù)責(zé)傳輸總線命令。在數(shù)據(jù)期,由傳輸字節(jié)使能信號來表示數(shù)據(jù)線上哪些字節(jié)是有效數(shù)據(jù)。

　　(2)接口控制信號

　　FRAMEB:幀周期信號,表示訪問的開始和持續(xù)時間。

　　IRDYB、TRDYB:分別表示主、從設(shè)備準(zhǔn)備好信號,二者必須配合使用,同時有效時方能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

　　STOPB:目標(biāo)設(shè)備請求停止數(shù)據(jù)傳輸信號。

　　IDSEL:初始化設(shè)備選擇信號,在參數(shù)配置讀寫傳輸期間,用作片選信號。

　　DEVSELB:設(shè)備選擇信號。

　　(3)仲裁信號

　　REQB:總線占用請求信號,表示RTL8139申請總線控制權(quán)。

　　GNTB:總線占用允許信號,表示總線控制權(quán)已經(jīng)交給RTL8139。

　　主設(shè)備都必須有以上2種信號。

　　(4)錯誤報(bào)告信號

　　PERRB:數(shù)據(jù)奇偶校驗(yàn)錯誤信號。

　　SERRB:系統(tǒng)錯誤信號。

　　(5)其他信號

　　CLK:時鐘信號,最高可達(dá)33MHz。

　　CLKRUNB:時鐘運(yùn)行信號,這是RTL8139增設(shè)的信號,用來請求時鐘開始和表示時鐘狀態(tài)。

　　RSTB:復(fù)位信號,低電平有效,至少需要120ns的寬度。

　　INTAB:中斷請求信號,它需要與RTL8139的ISR和IMR寄存器配合使用。

　　在嵌入式系統(tǒng)中并不需要連接所有的引腳,可根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需要進(jìn)行選擇。

1.2 主要寄存器

　　RTL8139的寄存器映射到I/O空間,I/O空間有256個地址,地址偏移量為00H～FFH。下面介紹幾個比較重要的寄存器。

　　(1)Command Register

　　該寄存器地址偏移量為0037H,功能為軟復(fù)位網(wǎng)卡,使能網(wǎng)卡的發(fā)送和接收。其描述如表1所示。

(2)Interrupt Status Register

　　該寄存器地址偏移量為3EH～3FH,在INTA引腳有效時表示中斷源,與IMR寄存器配合使用,它的值影響當(dāng)前所有中斷。其描述如表2所示。

　　(3)Receive Status Register

　　該寄存器通?？梢詮臄?shù)據(jù)包的包頭中讀出,是RTL8139芯片特有的。通過它可以知道網(wǎng)卡收包的狀態(tài)以便進(jìn)行接收處理。其描述如表3所示。

2? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　根據(jù)RTL8139的以上特點(diǎn),作者設(shè)計(jì)了RTL8139與DSP之間的接口解決方案。目前DSP與PCI的接口一般有二種方案:(1)用CPLD來實(shí)現(xiàn)。優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行功能優(yōu)化,不必實(shí)現(xiàn)所有PCI協(xié)議的功能,節(jié)約系統(tǒng)資源。占用系統(tǒng)資源大的用戶可以做成ASIC,有利于降低成本。但由于PCI協(xié)議的復(fù)雜性,短期內(nèi)還難以做到操作穩(wěn)定。(2)用專門的PCI橋芯片。PCI芯片功能強(qiáng)大,可減少開發(fā)時間和成本并能獲得較好的傳輸特性。目前市場上有許多PCI橋芯片產(chǎn)品,最為常見的是AMCC、PLX、CYPRESS等公司的產(chǎn)品,作者選用PLX公司的PCI9054作為本系統(tǒng)的PCI接口芯片。DSP與PCI接口設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

　　DSP選用TI公司的TMS320VC5402,它的運(yùn)算速度達(dá)100MIps,硬件接口功能強(qiáng)大(具有串行口、HPI主機(jī)接口和DMA控制器等),而且價格低廉,具有很高的性價比。接口的硬件連接如圖3所示。

圖3中,DSP通過PCI9054來讀寫PCI內(nèi)存,地址空間由PCI的基地址開始。PCI9054作為DSP的從設(shè)備和RTL8139的主設(shè)備。當(dāng)PCI寫時,接收寫信號,返回ready信號直到寫FIFO滿為止,并保持ready信號到寫FIFO可用。當(dāng)PCI9054從RTL8139讀出數(shù)據(jù)時將保持ready信號,直到BALST信號(表示PCI總線上的最后傳輸)有效,讀周期被終止,沒有讀出的數(shù)據(jù)將被FIFO舍棄。

　　要使嵌入式DSP系統(tǒng)要獨(dú)立運(yùn)行,必須外接EPROM或Flash存儲器用于存放程序。與EPROM相比,Flash芯片功耗低,支持在工作電壓下的擦寫,可以方便地編寫自己的Flash芯片燒錄程序,通過在片方式完成對Flash芯片的寫操作。本設(shè)計(jì)采用的是SST公司生產(chǎn)的SST39VF400A,它是一款基于CMOS技術(shù)的高性能、多用途的Flash存儲芯片,其存儲容量達(dá)4Mb,功耗低,使用2.7～3.3V單電源供電。為了方便程序的調(diào)試,外接了1片64K×16b的SRAM,以用于存放發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù),以便于對比,及時地發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。邏輯控制部分主要用于主處理器對外設(shè)(如PCI橋芯片、網(wǎng)絡(luò)適配芯片、SRAM及Flash等)的讀寫控制及地址分配。

3?軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)主要分為PCI網(wǎng)橋和網(wǎng)絡(luò)接口二部分。PCI網(wǎng)橋部分主要是對PCI9054進(jìn)行初始化,即對它的PCI端配置寄存器和本地端配置寄存器進(jìn)行正確的編程配置,以實(shí)現(xiàn)DSP與PCI網(wǎng)卡的無縫連接。網(wǎng)絡(luò)接口部分的編程包括對RTL8139進(jìn)行復(fù)位初始化,數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送。

　　RTL8139已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了OSI中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能,只需再加上高層協(xié)議即可。作為一個嵌入式系統(tǒng),為了節(jié)省系統(tǒng)資源,需要盡量使用簡化的協(xié)議。因此IP地址和本機(jī)物理地址在初始化RTL8139時設(shè)定,采用本地管理的地址方式,上層協(xié)議進(jìn)行了簡化,沒有封裝復(fù)雜的TCP協(xié)議。

　　簡化的網(wǎng)卡初始化程序如下:

　　#define??? CMD_RST???? 0x10?????? //復(fù)位標(biāo)志

　　#define??? CMD_RE??????0x08?????? //接收使能

　　#define??? CMD_TE??????0x04?????? //發(fā)送使能

　　#define??? SUCCESS?????0xFF?????? //網(wǎng)卡初始化成功標(biāo)志

　　Reset_init_rtl8139()

　　{

????????????? CMD=0x10;//軟復(fù)位網(wǎng)卡

????????????? while((read_cmd & CMD_RST)==0) read_cmd=CMD;

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 //檢查網(wǎng)卡是否復(fù)位完成

????????????? write_mac_ip();　　　　　//設(shè)定網(wǎng)卡的MAC地址和IP地址

????????????? CMD=CMD_RE | CMD_TE;　　 //接收發(fā)送使能

????????????? set_RxConfig();????????? //接收配置

????????????? set_TxConfig();????????? //發(fā)送配置

????????????? init_rx_addr();????????? //初始化接收緩沖區(qū)地址

????????????? Rxmissed=0;????????????? //clear 0

????????????? CMD=CMD_RE | CMD_TE;

????????????? return SUCCESS;

　　}

　　程序中:CMD為RTL8139的Command寄存器,通過它來對芯片復(fù)位并檢查復(fù)位成功與否;write_mac_ip()是向IDR0~IDR5寫入MAC地址,設(shè)定IP地址;set_RxConfig()主要是對Receive Configuration Register進(jìn)行設(shè)置。此外,網(wǎng)卡初始化程序設(shè)定只接收物理地址匹配的包,不接收組播和廣播。

　　RTL8139接收緩沖區(qū)的大小可選,并設(shè)定為16KB。初始化過程中根據(jù)DSP的快慢還需要加一些延時,這一點(diǎn)非常重要。因?yàn)樵S多寄存器的設(shè)置都需要時間,若時間不夠,某些寄存器的值可能會設(shè)置不正確,從而導(dǎo)致初始化失敗,RTL8139的收發(fā)功能也會受到影響。

　　RTL8139數(shù)據(jù)的收發(fā)用中斷方式完成。當(dāng)主處理器要向網(wǎng)上發(fā)送數(shù)據(jù)時,先將1幀數(shù)據(jù)通過DMA通道送到控制器的發(fā)送緩沖區(qū),然后發(fā)出傳送命令,RTL8139按照PCI總線主模式將數(shù)據(jù)從發(fā)送緩沖區(qū)轉(zhuǎn)移到內(nèi)部發(fā)送FIFO中。當(dāng)FIFO中數(shù)據(jù)包完整時,RTL8139即開始包發(fā)送?？刂破髟跀?shù)據(jù)發(fā)送完成后通過中斷方式通知主處理器;接收數(shù)據(jù)時,網(wǎng)上來的數(shù)據(jù)包首先被放在接收FIFO中,同時RTL8139要進(jìn)行組播地址過濾。當(dāng)接收FIFO中數(shù)據(jù)包已達(dá)到接收配置寄存器的要求時,RTL8139請求PCI總線按照PCI主模式將數(shù)據(jù)傳到接收緩沖區(qū),接收滿1幀后,同樣以中斷方式通知主處理器。數(shù)據(jù)的收發(fā)是通過 DMA通道來完成的。中斷子程序流程圖如圖4所示。

　　數(shù)據(jù)包的封裝按照IEEE802.3協(xié)議、IP協(xié)議和UDP協(xié)議,其幀格式如圖5所示。

　　封裝的過程依次在源數(shù)據(jù)前加上UDP頭、IP頭和LLC頭。LLC頭即通常所說的以太網(wǎng)包頭,但也可以根據(jù)自己的需要加上其他協(xié)議如TCP、ARP或HTTP。不過在嵌入式系統(tǒng)中,為了節(jié)省資源,應(yīng)盡量減少協(xié)議的使用。在分組語音數(shù)據(jù)傳輸中,實(shí)時語音數(shù)據(jù)可以用UDP,而控制信號可以用TCP。

4? 結(jié)束語

　　本文所提出的DSP與RTL8139的接口解決方案已在試驗(yàn)中得到實(shí)現(xiàn),并已用于IP分組語音數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)傳輸,效果良好。隨著ISA總線的淘汰,PCI接口的網(wǎng)絡(luò)控制器必將在嵌入式領(lǐng)域中得到更廣泛的應(yīng)用。