浅谈AT91RM9200在以太网接口模块应用

0 引 言

在Internet飞速发展的今天，网络已经渗透到生活的方方面面，与网络的结合已经成为嵌入式系统发展的必然趋势。目前，ARM微处理器已经在多个领域中得到应用，各种基于ARM微处理器的设备应用数量已经远远超过了通用计算机，基于ARM微处理器的开发应用正成为数字时代的技术潮流。ARM（Advanced RISC Machines）是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。适用于多种领域，比如嵌入控制、消费/教育类多媒体、DSP和移动式应用等。

l AT91RM9200简介

AT91RM9200是基于ARM920T核的高性能、低功耗16/32位RISC（精简指令集计算机）微处理器。其内部集成丰富的外设资源，适用于要求外设资源丰富、功耗低、工作严格稳定的工业控制和野外仪器等方面。 从而为低功耗，低成本，高性能的计算机应用提供了一个单片解决方案。适用于要求外设资源丰富，功耗低，工作稳定的工业控制等方面。

AT91RM9200处理器主要具有如下特点：1）低功耗：VDDCORE电流为30.4mA,待机模式电流为3.1mA.2）双向、32位外部数据总线支持8位、16位、32位数据宽度读写，支持SDRAM、static Memory、Burst Flash、Compact FLASH和NAND Flash,满足采集站对于数据的采集和处理要求。3）提供一系列符合工业标准的外设接口，如：USART、SSC、SPI、USB及I2C等。4）具有20通道外围数据控制器（PDC或DMA），可以数据的传输更快，同时可以减轻CPU的负担，以便实时响应其它的处理。5）支持USB 2.0（12Mbps）主机端口，可以方便在野外采集时另接存储器，以便持续采集。 6）支持以太网10/100,可以很方便的实现采集之间的快速通信。

2 最小系统设计

硬件系统设计是嵌入式系统设计的基础，ARM系统硬件平台主要分为两部分：一部分为基于ARM处理器的最小系统；另一部分为外围扩展电路。系统只有在硬件最小系统调试稳定的基础上，才能灵活、轻松地扩展出其他外围应用，所以最小系统是保证微处理器可靠工作所必须的基本电路。基于AT91RM9200微处理器的最小系统由微处理器、电源电路、时钟电路、复位电路、JTAG接口、存储器模块、串行调试接口等电路组成。

2.1 电源电路设计

在系统中AT91RM9200需要1.8 V和3.3 V电源，另外，大部分外围器件需要3.3 V电源，小部分外围器件还需要5 V电源，假设输入电压为5 V直流稳压电源。为了得到可靠的3.3 V电压，此处选用的电压转换芯片是NCPlll7ST33T3,它的输入电压为5 V,输出电压为3.3 V,最大输出电流为0.8 A.同样，为了得到可靠的1.8 V电压，选用NCPlll7STl8T3,它的输入电压为5 V,输出电压为1.8 V,最大输出电流为0.8 A.由于3.3 V和1.8 V属于NCPlll7系列的2个固定输出电压，所以设计比较简单，只需要在电路中与芯片并联2个典型值为10 tLF、的滤波电容即可。

2.2 时钟电路设计

时钟电路为AT91RM9200和其他外设电路提供工作时钟。处理器内部带有锁相环电路，所以外接频率比较低的晶体振荡器，该设计用晶体振荡器Y1（20 MHz）作为系统的主时钟振荡器。处理器内部还带有实时时钟电路，还需要外接32.768 kHz的晶体振荡器。振荡器产生的主时钟和慢时钟经过微处理器内部2个锁相环后，产生系统所需的各种主时钟、外设时钟以及USB器件工作时钟。振荡器（英文：oscillator）是用来产生重复电子讯号（通常是正弦波或方波）的电子元件。其构成的电路叫振荡电路。能将直流电转换为具有一定频率交流电信号输出的电子电路或装置。种类很多，按振荡激励方式可分为自激振荡器、他激振荡器；按电路结构可分为阻容振荡器、电感电容振荡器、晶体振荡器、音叉振荡器等；按输出波形可分为正弦波、方波、锯齿波等振荡器。广泛用于电子工业、医疗、科学研究等方面。

2.3 复位电路设计

AT91RM9200有2个独立的复位信号，即系统复位信号NRST与调试复位信号NTRSI,都是低电平有效。系统上电后，AT91RM9200必须执行一个上电复位，在过渡状态下，它的强制复位信号为低，直到电源电压和振荡器工作频率稳定为止。此外，NRST和NTRST还可以手动复位，以方便用户调试程序。

2.4 存储器模块设计

存储器模块包括NOR FLASH存储器和SDRAM存储器。

NOR FLASH存储器用于存储系统运行所需的程序和重要数据，即使掉电，程序和数据也不会丢失。该设计中所用芯片是Atmel公司生产的AT49BNl614T,以保持与AT91RM9200的兼容性，其存储容量为2 MB,工作电压为3.3 V,采用56引脚TSOP封装，具有16位数据宽度。AT91RM9200需要以下引脚与之对应相连：A[1:21],D[0:15],NCSO/BFCS,NRST,BFRDY,BFWE,BFOE.

SDRAM存储器的作用是存放系统运行时的程序和数据，掉电后该部分程序和数据会丢失。SDRAM:Synchronous Dynamic Random Access Memory,同步动态随机存储器，同步是指 Memory工作需要同步时钟，内部的命令的发送与数据的传输都以它为基准；动态是指存储阵列需要不断的刷新来保证数据不丢失；随机是指数据不是线性依次存储，而是自由指定地址进行数据读写。SDRAM从发展到现在已经经历了四代，分别是：第一代SDR SDRAM,第二代DDR SDRAM,第三代DDR2 SDRAM,第四代DDR3 SDRAM.（显卡上的DDR已经发展到DDR5） 设计中使用两片数据宽度为16位的SDRAM并为一个具有32位数据宽度的SDRAM模块，以充分发挥微处理器32位数据宽度的高性能。AT91RM9200需要以下引脚与HY57V561620对应相连：D[0:31],A[2:11],A[13:14],NBS0,N:BSl,NBS2,NBS3,SDCKE,SDCK,SDCS,RAS,CAS,SDWE.这里特别注意：A12引脚不使用。

2.5 JTAG接口电路设计

JTAG是英文"Joint Test Action Group（联合测试行为组织）"的词头字母的简写，该组织成立于1985 年，是由几家主要的电子制造商发起制订的PCB 和IC 测试标准。JTAG 建议于1990 年被IEEE 批准为IEEE1149.1-1990 测试访问端口和边界扫描结构标准。该标准规定了进行边界扫描所需要的硬件和软件。自从1990 年批准后，IEEE 分别于1993 年和1995 年对该标准作了补充，形成了现在使用的IEEE1149.1a-1993 和IEEE1149.1b-1994.JTAG 主要应用于：电路的边界扫描测试和可编程芯片的在线系统编程JTAG也是一种国际标准测试协议（IEEE 1149.1兼容），主要用于芯片内部测试。现在多数的高级器件都支持JTAG协议，如DSP、FPGA器件等。标准的JTAG接口是4线：TMS、TCK、TDI、TDO,分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。 相关JTAG引脚的定义为：TCK为测试时钟输入；TDI为测试数据输入，数据通过TDI引脚输入JTAG接口；TDO为测试数据输出，数据通过TDO引脚从JTAG接口输出；TMS为测试模式选择，TMS用来设置JTAG接口处于某种特定的测试模式；TRST为测试复位，输入引脚，低电平有效。GND JTAG调试接口设计是否标准，直接影响到硬件平台是否能够连接ARM仿真器。所以在设计时，有以下几点需要注意：

（1）尽可能按照标准的20针接口设计。如果设计成14针接口，一定要严格按照14针接口对应于20针接口的对应关系来设计。

（2）nTRST和nRESET、引脚不用时，要用10 kΩ的电阻拉高，否则JTAG上这两个引脚的信号不确定，会造成ARM调试器不能正常连接目标系统。

（3）JTAG上输出的信号都要用10 kΩ的电阻拉高。

2.6 UART、串行接口电路设计

AT91RM9200的UASRT作为同步/异步串行接口，在调试状态下作为调试串口；在正常工作状态下为一般串行口使用，可以通过RS 232实现与其他设备的通信。该设计中的UART、接口芯片是MAX3232,其工作电压为3.3 V,16引脚SOIC封装。其最为简单且常用的是三线制接法，即地线，接收数据线和发送数据线三脚对应相连。

在完成以上几部分电路设计后，基于AT91RM9200的嵌入式系统就具有了安全可靠的工作条件，也为下面的扩展以太网接口设计打下了良好的基础。

3 以太网接口设计

在ARM系统中，以太网接口是与远程机进行通信及调试的基础，还可以进行内部局域网和互联网间的通信。而基于ARM的系统若没有以太网接口，其应用价值就会大打折扣。因此，就整个嵌入式系统而言，以太网接口电路是必不可少的，但同时也是相对复杂的。

从硬件的角度看，以太网接口电路主要由MAC控制器和物理层接口（PHY）两大部分构成。该设计中所用到的以太网接口芯片RTL8019AS,其内部结构包含这两部分。RTL8019AS是一款高集成度的以太网控制芯片，具有8/16位总线模式，集成了IEEE802.3协议标准的MAC层和PHY层的性能，与NE2000相兼容，支持以太网全双工通信方式；支持UTP,AUI和BNC自动检测，支持16位I/O基本地址选项和额外I/O地址输入/输出完全解码方式；支持存储器瞬时读写，收发可同时达到10 Mb/s的速率，内置16 KB的SRAM,可以方便地与微处理器进行连接。它支持多种嵌入式处理器芯片，内置有FIFO缓存器用于发送和接收数据。

3.1 以太网接口工作原理

使用RTL8019AS作为以太网的物理层接口，它的基本工作原理是：在收到由主机发来的数据包后，侦听网络线路。如果线路忙，它就等到线路空闲为止，否则，立即发送该数据帧。在发送过程中，首先为数据包添加帧头（包括前导字段和帧开始标志），然后生成CRC校验码，最后将此数据帧发送到以太网上。

在接收过程中，它将从以太网收到的数据包在经过解码、去帧头和地址校验等步骤后缓存在片内。在CRC校验通过后，它会根据初始化配置情况，通知RTL8019AS收到了数据包。最后，用某种传输模式（I/O模式、Memory模式、DMA模式）传到ARM系统的存储区中。

3.2 硬件电路设计

用RTL8019AS芯片设计的以太网控制器相关电路，可以通过RJ45连上以太网，在判断网卡芯片是否工作正常时，有两个依据，一是看状态指示LED是否有闪烁；二是用专用网络监听工具软件进行监听。在本设计中用两个LED指示灯表示接收和发送状态，当有网络连接且收发数据包时，LED闪烁。此外，网卡芯片单独不能工作，还必须有一个网络变压器在RJ45接口和网卡芯片中间进行电平转换，该设计中所用的电平转换器是20F001N.另外要特别注意，由于RTL8019AS的复位引脚是高电平有效，而AT91RM9200的NRST引脚是低电平有效，所以不能直接将两个引脚进行连接。该设计所用的解决方法是：在两引脚间加上一个共发射极的三极管，利用它的反相作用，来达到两个复位引脚间的电平匹配。同时，为了提高数据的传输速率，需要将网卡芯片设计成16位的数据通道，这就要求将RTL8019AS的IOCSl6B引脚用电阻上拉来达到设计目的。RTL8019AS与AT91RM9200进行连接还需要以下引脚：NOE,NEW,NCS2,D[O:15],一条中断线IRQ0以及地址线A[O:4]（设计RTL8019AS的I/O基地址为300H,所以只需要SA[O:4]接A[O:4],而A[5:19]只需要接地即可）。至此，硬件电路已经设计完毕，整个电路的结构框图如图1所示。

4 软件设计

4.1 以太网口初始化

初始化第一步是复位以太网口。以太网口复位分为硬件复位和软件复位。硬件复位通过给RTL8019AS的RESET引脚发送一个复位脉冲；软件复位通过写端口达到复位，也就是给18~1F之间的任意一个寄存器写入任意一个数，就使得以太网口复位。第二步是设置一些寄存器的初始值，寄存器保存本机的物理地址，只有和寄存器保存的物理地址相同的以太网帧才被接收（RCR寄存器中PRO=O）。

以太网口第一次复位必须是硬件复位，硬件复位以后要经过大约10 ms的等待才能对以太网口操作，特别是发送和接收操作。

4.2 以太网口存储及初始化

RTL8019AS内部RAM地址范围从0x0000~0x7FFFF,其中0x4000~Ox7FFF用作接收和发送缓冲区。缓冲区是按页管理的，256 b为一页，这样接收发送缓冲页面是0x40~0x7F.发送缓冲区的起始页在TPSR寄存器中设置，接收缓冲区的起始页在PSTART寄存器中设置，PSTART实际上也表明了发送缓冲区的结束页。接收缓冲区的结束页是PSTOP.所以发送缓冲区的页从TPSR到PSTART-1,接收缓冲区的页从PSTART到PSTOP-1.一般设置如下：

使发送缓冲区可以容纳下两个最大以太网帧（最大为1 514 B），第一个帧放在SEND_START_PAGEO起始页，第二个帧放在SEND_START_PAGE1起始页，剩下的缓冲区都作为接收缓冲区。

RTL8019AS内部RAM是双口 RAM,因为它要支持两个独立的操作：一个是用户CPU读取RAM中的内容，对这个操作RTL8019AS提供一个读写口，也就是寄存器中的Remote DMA Port;另一个是RTL8019AS内部控制电路把从网络接收的数据写入RAM中，这时RAM称为Local DMA.RTL8019AS通过Local DMA写入RAM是不需要用户干涉的，它通过Remote DMA Port读写RAM.

读RAM见RTLReadRam函数，代码如下：

这个函数表示从address开始读取size个字节的内容到buff指向的内存中。设置CR寄存器指令为：writereg（cr,（0x00 | er_remote_read | cr_start_com-mand））；然后从Remote DMA Port读取size次，就得到所需的数据。

写RAM函数，操作基本上和读RAM函数差不多，只要将最后一步的读size次改成写size次就可以。

4.3 发送数据包

发送数据包的基本步骤如下：

（1）首先将发送的起始页，一般是发送缓冲区内的页（Ox40~Ox4b），写入StartPage变量中。将要发送的数据写入地址为StartPage《8开始的缓冲区中，然后等待上一次发送结束。对于过大或者过小的数据包，不发送；对于过小的帧，在发送时要填充。

TPSR为发送起始寄存器，将StartPage写入TPSR寄存器，高字节写入TBCRH（TBCRl），低字节写入TBCRL（TBCRO）。当写发送命令时，RTL8019AS将从TPSR《8地址开始发送size个字节的数据。

（2）发送数据帧：发送缓冲区可以存储2个最大的以太网帧，一个起始页为SEND_START_PAGEO,另一个起始页SEND_START_PAGEl,两个交替使用。发送数据帧时，CR寄存器设置为：writereg（cr,（（prepage&OxCO）|cr_abort_compile_dma|cr_txp |cr_start_command]））；发送数据包函数代码如下：

4.4 接收数据包

接收数据包的步骤如下：

（1）接收缓冲操作。当RTL8019AS接收到一个数据包后，自动将接收的数据包放到CURR页。如果一页放不下，则CURR加1;如果CURR=接收结束页，则CURR自动变成接收开始页，继续写入接收的数据。

（2）用户读取接收数据包。RTL8019AS通过Local DMA把接收的数据写入接收缓冲区，并自动改变CURR和识别缓冲区的界限，这些都不需要用户干预。

当一个无错的数据接收完毕，则触发中断处理函数。然后读取数据包到分配的内存，可以从接收字节计数器中得知读取数据。这里要处理一种情况：如果接收的数据包存储不是连续的，在这种情况下要分2次才能读取1个完整的数据包，判断是否存储不连续的条件是：

bnry>Head[1]&&Head[1]!=RECEIVE_START_PAGE

其中：bnry是这个包的起始页；Head[1]是下一个包的起始页。

接收数据包函数与发送数据包函数相似，只需要修改相应寄存器配置即可。然后将接收的数据写入网络接口层的输入队列，如果写入失败则释放内存。写入后上层协议将提取这个数据包。最后网卡通过中断控制器向ARM响应中断，中断完毕清除中断标志。

5 结 语

ARM微处理器正以其极好的性价比和极低的功耗，与其他体系结构的微处理器进行激烈的竞争，其应用将进一步深入到各行各业。可以预测，在将来的一段时期内，ARM微处理器将成为32位微处理器市场的统治者。了解、学习、掌握和应用ARM微处理器技术很有必要，也非常重要。在ARM系统采用高性能的以太网控制器，系统通信和调试快速、可靠，具有很高的实时性。该设计构造一个基于以太网的嵌入式系统的应用，该接口模块的主要任务是完成与外界的信息交互，以达到网络监控的目的。在实际应用中，它运行稳定，能够十分方便地实现网络互连。