嵌入式系統以太網卡控制器LAN91C96

引 言

　　當今社會已經進入數字信息技術和網絡技術高速發展的后PC(Post-PC)時代，嵌入式系統已經廣泛滲透到科學研究、工程設計、軍事技術、各類產業和商業文化藝術、娛樂業以及人們的日常生活等方方面面；而網絡技術的快速發展和互聯網的廣泛應用，使得嵌入式產品有了更廣泛的前景。各種家電設備、PDA、儀器儀表、工業生產中數據的采集與控制等設備正在逐漸走向網絡化，以共享互聯網絡中龐大的信息資源。嵌入式設備的網絡化開發有著廣闊的前景。

　　本文以SMSC公司的LAN91C96嵌入式以太網控制器為例，介紹嵌入式系統網絡接口卡(NIC)的軟硬件設計。

1 以太網控制器LAN91C96簡介

　　LAN91C96是SMSC公司生產的專門用于嵌入式產品的10M以太網控制器。其優良的性能、低功耗及小尺寸，使LAN91C96成為嵌入式NIC中的主流產品。

圖1

    1.1 主要特點

◆ 支持IEEE802.3(ANSI8802-3)以太網標準

◆ 全雙工收發方式，具有睡眠模式

◆ 6KB的片上RAM

◆ 與處理器接口可采用PCMCIA、ISA或Motorola 68000

◆ 支持先進的傳輸隊列管理

◆ 硬件MMU

◆通過串行EEPROM選擇性配置

◆ 全雙工傳輸模式

◆可連接同軸電纜和雙絞線，支持10Base5、10Base2、10BaseT，并可自動檢測所連介質

◆ 高級的電源管理特性

◆ 支持“Magic Packet”電源管理技術

◆ 低功耗的CMOS設計

1.2 內部框架

　　圖1是LAN91C96原理框圖。

　　LAN91C96網卡控制其內部集成了6KB的RAM，用來存放數據包。內部的MMU、判決器和DMA對數據包的傳輸發送進行有效的管理。CSMA/CD(載波監聽多路訪問/沖突避免)模塊集成了IEEE 802.3 MAC層協議，負責監聽網絡情況和地址過濾，若目的地址是LAN91C96的地址、廣播地址或多播地址，則接收此數據包，否則拋棄。內部物理接口(PHY)包含一個ENDEC和10BaseT Transceiver。編解碼器(ENDEC)負責曼徹斯特(Manchester)編解碼，并提供標準6腳連接單元接口(AUI)，外接同軸傳輸接收器，應用10Base2/5。傳輸數據時，10BaseT Transceiver負責把主控制器傳過來的反向不歸零碼(NRZ)數據轉換為Manchester數據，并以適當的電平加以驅動；接收時負責連接完整性測試。外接的串行電可擦除只讀ROM(EEPROM)中可存儲網卡的MAC地址，當OS啟動加載網卡時，以太網控制器就從EEPROM的固定地址中讀取MAC地址并存儲在相應的寄存器中。

    1.3 工作原理

　　LAN91C96內部6KB的RAM為數據包的傳輸接收提供緩沖，使全雙工工作模式下數據傳輸率可達10Mbps；MMU把RAM分成256B的頁，并負責為每個數據幀分配一個或多個頁。

　　當主處理器傳輸數據時，MMU首先根據數據大小為其在RAM中分配若干頁。在數據傳送到RAM時，此數據幀的幀號也在TX FIFO中排隊，然后此數據幀在輪到時傳送到PHY模塊進行Manchester編碼，最后根據CSMA/CD協議把此數據幀傳送到相應的介質上。

　　在介質上有數據時，LAN91C96將數據幀復制一份并傳送到ENDEC模塊進行Manchester解碼，而CSMA/CD模塊根據該數據幀頭的目的地址是否為本網卡MAC地址、廣播或多播地址來決定此數據幀的取舍。若地址匹配，MMU為其在RAM中開辟相應大小的空間，并以中斷的方式告知主處理器。在數據幀被取走后，MMU釋放此塊內存。

    1.4 數據幀的構成

　　一個IEEE 802.3數據幀由以下幾個部分組成：前導位(preamle)、幀起始位(SFD)、目的地址(destination)、源地址(source)、數據長度(length)、數據(data)、幀校驗字(FCS)。如圖2所示，數據的數量范圍46~1500B，如一組要傳送的數據為46B，就用零補足；超過1500B時，需要拆成多個幀傳送。前導位、幀起始位和幀校驗字僅供控制器本身用，主處理器收到的數據幀的組成依次包括：接收狀態(1B)、下一幀的頁地址指針(1B)、目的地址(6B)、源地址(6B)、數據長度/幀類型(2B)、數據。數據長度/幀類型的值小于或等于1500B時，表示數據場的長度；反之，表示數據幀的類型。如值依次為 0x08、0x00，表示數據為IP包；值依次為0x08、0x06，表示數據為ARP包。

2 以太網卡設計方案

    2.1 硬件設計方案

　　此設計方案采用的嵌入式處理器是Intel公司的PXA250(XScale)。該處理器是Intel為了滿足便攜式和嵌入式應用需求而優化的微處理器。PXA250基于Intel XScale微體系結構，RISC架構，最高可以運行400MHz。 PXA250采用ARM指令、數據高速緩存、內存管理單元(MMU)和讀/寫緩沖器。另外，PXA250提供系統支持邏輯、多串行通信通道、彩色/灰度刻度LCD控制器、支持PCMCIA、通用I/O端口、USB、串口、紅外接口、JTAG、音頻等。

　　圖3是嵌入式以太網卡的原理圖。LANC91C96內部寄存器可通過對地址線A0、A1、A2、A3……的操作來訪問，LAN91C96內部寄存器寬度是16bit；而PXA250的訪問寬度是32bit，所以LANC91C96的A1、A2、A3……分別與PXA250的A2、A3、A4……相連。LANC91C96的數據訪問寬度是16bit，所以其16根數據線與PXA250的低16根數據線相連。中斷INTR0與PXA250的GPIO11相連。

　　外接的93C46是1Kbit的串行EEPROM，64×16陣列，按字訪問，用來存儲以太網卡的MAC地址。MAC地址是48bit，預先燒寫在EEPROM的指定位置。每次系統啟動時，LAN91C96從EEPROM重讀出自己的MAC地址，存在指定的寄存器中。EX2001是針對10M以太網的變壓濾波器。

圖3

      2.2 軟件設計方案

　　該嵌入式設備運行Windows CE．net操作系統。Windows CE是一個搶先式多任務并具有強大通信和圖形顯示功能的Win32嵌入式操作系統，具有可移植性、實時性、模塊化等特點；是微軟專門為信息設備、移動應用、消費類電子產品、嵌入式應用設計的高性能操作系統。Windows CE是從整體上為有限資源的平臺設計的多線程、完整優先級、多任務的操作系統。其模塊化設計允許它對于從掌上電腦到專用工業控制器的用戶電子設備進行定制。

　　對LAN91C96的軟件操作采用中斷處理方式：當系統有數據要傳輸時，首先把該數據傳到LAN91C96，LAN91C96把數據封裝成幀，加上前導字、校驗字等部分，并檢測到網絡中沒有數據在傳輸，才把此數據幀傳輸到網絡中，并向系統提出中斷，告知已成功傳輸數據；當LAN91C96接收到一數據幀時，首先由CSMA/CD模塊察看此數據幀的目的地址，若為此網卡MAC地址、廣播地址或多播地址，才向系統提出中斷，并把此數據幀傳到LAN91C96的數據寄存器中。系統對此包進行處理，察看是否校驗字錯誤等，并剝去前導字，然后傳給上層NDIS進行處理。

3 結 論

　　基于上述方案的嵌入式以太網卡可以穩定地工作，實際網絡速度可以達到９Mbps(依網絡狀況而定)，并具有FTP等功能。