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摘要　在自動(dòng)化控制及其他民用設(shè)備、工業(yè)控制如電力設(shè)備系統(tǒng)等領(lǐng)域，眾多設(shè)備的對外通訊接口仍然是低速串口。但低速串口有其固有的缺點(diǎn)：無法集中、全面、準(zhǔn)確而實(shí)時(shí)地監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。本文介紹基于微處理器SEP3203串口以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器的以太網(wǎng)接口的軟硬件設(shè)計(jì)方法，它可以變傳統(tǒng)的串口通訊為網(wǎng)絡(luò)通訊，實(shí)現(xiàn)串口設(shè)備的快速聯(lián)網(wǎng)。1引言在自動(dòng)化控制及其他民用設(shè)備、工業(yè)控制如電力設(shè)備系統(tǒng)等領(lǐng)域，眾多設(shè)備的對外通訊接口仍然是低速串口。因此現(xiàn)有系統(tǒng)的缺點(diǎn)是：無法集中、全面、準(zhǔn)確而實(shí)時(shí)地監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。隨著以太網(wǎng)在工業(yè)、商業(yè)領(lǐng)域的大規(guī)模使用以及網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化強(qiáng)勁勢頭的到來，用戶與供應(yīng)商迫切需要在任何時(shí)間和任何地點(diǎn)都可以實(shí)時(shí)訪問數(shù)據(jù)和進(jìn)行控制，做到遠(yuǎn)程快速故障分析與處理、設(shè)備的遠(yuǎn)程維護(hù)，以便提高質(zhì)量，提高工作效率并降低整體成本。完全換掉這些串口通訊的設(shè)備是既不經(jīng)濟(jì)也不可行的。針對一些實(shí)際需求，采用串口以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器就是解決這些問題的最佳解決方案。本課題串口以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器正是在這一要求下設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品, 本文就是本課題下的子課題部分。2基于ARM7TDMI的SEP3203微處理器簡介ARM7TDMI處理器是ARM7處理器系列成員之一，是目前應(yīng)用較廣的32位高性能嵌入式RISC處理器，SEP3203[1]是東南大學(xué)國家專用集成電路系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心基于ARM7TDMI處理器內(nèi)核設(shè)計(jì)的16/32位RISC微處理器芯片。它面向低成本手持設(shè)備和其它通用嵌入式設(shè)備，為用戶提供了豐富的外設(shè)、低功耗管理和低成本的外存配置。３串口以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器中與以太網(wǎng)接口相關(guān)的電路結(jié)構(gòu)為了實(shí)現(xiàn)該轉(zhuǎn)換模塊的研究，首先要選擇一個(gè)硬件平臺(tái)即嵌入式處理器。由于ARM是基于精簡指令系統(tǒng)（RISC）的32位內(nèi)核，代碼效率高，運(yùn)行速度快，綜合性能強(qiáng)，在基于ARM體系結(jié)構(gòu)的嵌入式CPU中，基于ARM7TDMI體系結(jié)構(gòu)的SEP3203嵌入式微處理器擁有較好的技術(shù)支持，因此本轉(zhuǎn)換器選擇SEP3203作為硬件平臺(tái)；轉(zhuǎn)換系統(tǒng)必須要有電源，供整個(gè)系統(tǒng)用；系統(tǒng)工作時(shí)需要有工作時(shí)鐘，因此本系統(tǒng)需要有時(shí)鐘電路；由于用戶需要的轉(zhuǎn)換器要有串口、USB和以太網(wǎng)口下載等功能，由于本文只針對以太網(wǎng)口，其它兩個(gè)接口本文不作介紹。以太網(wǎng)口與嵌入式芯片之間要有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)模塊，現(xiàn)把與以太網(wǎng)口相關(guān)電路結(jié)構(gòu)的部分設(shè)計(jì)顯示如圖1所示。4　網(wǎng)絡(luò)接口電路的硬件設(shè)計(jì)SEP3203芯片內(nèi)部沒有集成網(wǎng)絡(luò)模塊，但SEP3203芯片設(shè)計(jì)的接口豐富，可以方便地?cái)U(kuò)展?？紤]使用中可能對網(wǎng)速的要求比較高，因此本系統(tǒng)選用了10M的以太網(wǎng)接口。本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口采用REALTEK公司的RTL8019芯片。RTL8019AS 是一種高度集成的以太網(wǎng)芯片，能簡單的實(shí)現(xiàn)Plug and Play 并兼容NE2000。由于它擁有三種等級的掉電模式，所以它是綠色電腦的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的理想選擇。在全雙工模式下，如果是連接到一個(gè)同樣是全雙工的交換機(jī)或集線器，就可實(shí)現(xiàn)同時(shí)接收和發(fā)送[2]。RTL8019AS支持16KByte、32KByte、64KByte的BROM，另外還支持FLASH MENORY和頁訪問方式，最大支持4MByte（16K×256），此外還支持在運(yùn)行完BROM 后釋放內(nèi)存以供系統(tǒng)其他程序的運(yùn)行。網(wǎng)絡(luò)接口模塊的系統(tǒng)連接示意圖如圖2所示。由圖2可知，以太網(wǎng)接口通過系統(tǒng)總線外擴(kuò)而成。RTL8019AS的地址使用方式有5位、8位、11位三種。使用5位地址就可以訪問RTL8019AS所有的寄存器，實(shí)現(xiàn)最簡單的網(wǎng)絡(luò)功能。本系統(tǒng)使用8位地址滿足了操作系統(tǒng)對遠(yuǎn)程DMA端口的需求。網(wǎng)絡(luò)接口模塊和SEP3203微處理器的連接線比較簡單，在PCB板上布線比較規(guī)則。網(wǎng)絡(luò)接口芯片RTL8019的實(shí)際電路連接圖見參考文獻(xiàn)[3]。網(wǎng)口選用了內(nèi)置變壓及指示燈的RJ45網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)際電路圖如圖3[4]所示， 對比SEP3203微處理器的SRAM接口協(xié)議，由于總線沒有等待信號，所以沒有使用IOCHRDY信號。由于SEP3203微處理器總線的最低數(shù)據(jù)位寬是16位，所以IOCS16B固定置于16位方式。5軟件平臺(tái)Nucleus綜合考慮各個(gè)因素，我們選擇了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Nucleus。Nucleus PLUS是美國著名RTOS廠商(ATI)(Accelerated Technology Inc)公司為實(shí)時(shí)嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一個(gè)搶先式多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核，其95％的代碼是用ANSI C寫成的，非常便于移植并支持大多數(shù)類型的處理器。Nucleus PLUS是一組C函數(shù)庫，下載到目標(biāo)板的RAM中或直接燒錄到到目標(biāo)板的ROM中執(zhí)行。在典型的目標(biāo)環(huán)境中，Nucleus PLUS核心代碼一般不超過20K字節(jié)大小，內(nèi)核規(guī)模非常小。Nucleus PLUS除提供功能強(qiáng)大的內(nèi)核操作系統(tǒng)外，還提供種類豐富的功能模塊。例如用于通訊系統(tǒng)的局域和廣域網(wǎng)絡(luò)模塊，支持圖形應(yīng)用的實(shí)時(shí)化Windows模塊，支持nternet網(wǎng)的WEB產(chǎn)品模塊，工控機(jī)實(shí)時(shí)BIOS模塊，圖形化用戶接口，以及應(yīng)用軟件性能分析模塊等，用戶可以根據(jù)自己的應(yīng)用來選擇不同的應(yīng)用模塊；6 網(wǎng)絡(luò)接口通信的設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)接口的硬件將網(wǎng)絡(luò)上傳送來的數(shù)據(jù)送入系統(tǒng)內(nèi)存中，并通知操作系統(tǒng)有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)到達(dá)。通常，網(wǎng)絡(luò)接口使用中斷機(jī)制來完成這一任務(wù)，一個(gè)中斷時(shí)處理器將正常的處理掛起，跳轉(zhuǎn)到設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的代碼段執(zhí)行。此時(shí)，由設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序管理所有細(xì)節(jié)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件通知協(xié)議棧已經(jīng)有一個(gè)分組到達(dá)，并要求進(jìn)行相應(yīng)的處理。當(dāng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件完成這些繁瑣的處理工作后，他將從中斷返回，處理器繼續(xù)從中斷發(fā)生處往下執(zhí)行。在本協(xié)議棧中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)ι蠈討?yīng)用屏蔽了接收和發(fā)送的細(xì)節(jié)。用戶只需要調(diào)用相應(yīng)的套接字即可以完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。比如用戶要使用非阻塞方式接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，可以使用Select()，在Select 的timeout 參數(shù)選擇NO_PREEMPT，即可以非阻塞方式接收發(fā)送。在本TCP/IP 實(shí)現(xiàn)中，協(xié)議棧初始化是依靠調(diào)用NETI_Init（）完成的。NETI_Init()完成兩個(gè)工作，首先是對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的初始化[5]， 然后就對系統(tǒng)所使用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行初始化流程說明：①程序由Main()函數(shù)開始，調(diào)用taskmain()。②taskmain()調(diào)用sys_ini()對系統(tǒng)初始化，調(diào)hardware_ini()對硬件初始化；調(diào)用vcre_tsk()創(chuàng)建了6個(gè)任務(wù),調(diào)用stak_tske()將部分任務(wù)放入就緒隊(duì)列，調(diào)用sys_sta()啟動(dòng)系統(tǒng)。③通過系統(tǒng)調(diào)度開啟任

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目前我們市面上主要出現(xiàn)的網(wǎng)線分為幾種，從五類網(wǎng)線開始，到超五類、六類、超六類增強(qiáng)型、七類網(wǎng)線一共五種規(guī)格。最低檔位的網(wǎng)線是五類網(wǎng)線，一般我們稱作垃圾線。五類網(wǎng)線為什么會(huì)垃圾？是因?yàn)槲孱惥W(wǎng)線的理論傳輸速率只有100Mpbs，傳輸帶寬也只有100MHz，這個(gè)速度無論對于公司的商業(yè)運(yùn)作還是個(gè)人的使用都是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。如果你在網(wǎng)線上面看到CAT 5這個(gè)字樣的話，那么別猶豫，趁早把網(wǎng)線換掉。這種網(wǎng)線的傳輸能力不足，即便是你使用網(wǎng)速再高的運(yùn)營商服務(wù)，也會(huì)最終受制于網(wǎng)線的瓶頸，引起網(wǎng)速延遲的情況發(fā)生。超五類網(wǎng)線目前是家用使用最多的規(guī)格，雖然都是CAT 5的標(biāo)志，但超五類網(wǎng)線后面會(huì)增加一個(gè)e字母，完整地拼寫為CAT 5e，別看只增加了一個(gè)字母，它的網(wǎng)速提升比CAT 5快了10倍，傳輸速率達(dá)到了1000Mbps，傳輸帶寬也提升到了155MHz，這也是目前家用網(wǎng)線看到最多的規(guī)格。六類網(wǎng)線對比五類網(wǎng)線在傳輸速率上面基本相同，都是1000Mbps，但在帶寬上面提升到了250MHz，同樣六類網(wǎng)線也非常適合家用，網(wǎng)線文字上面寫著CAT 6字樣。到此家用網(wǎng)線我們最多建議大家升級到六類就可以了，超過六類規(guī)格的網(wǎng)線，對家庭用戶的意義不大。六類增強(qiáng)型是六類網(wǎng)線的衍生版，在網(wǎng)線上面的字幕表述為CAT 6A，傳輸速率提升明顯，高達(dá)10Gbps，傳輸帶寬也比六類網(wǎng)線提升了一倍達(dá)到了500MHz。但六類網(wǎng)線更適合商用場景模式，比如大型企業(yè)，高速應(yīng)用場景等。七類網(wǎng)線傳輸速率與六類增強(qiáng)型相同，同為10Gbps，傳輸帶寬為600MHz，在網(wǎng)線上面的字母表述為CAT 7，雖然個(gè)人用戶可以很方便的在電商平臺(tái)買到，并且價(jià)格不貴，但依然我不建議個(gè)人用戶購買。這類網(wǎng)線的應(yīng)用場景為數(shù)據(jù)中心等大型服務(wù)機(jī)構(gòu)。需要較為穩(wěn)定且快速的傳輸模式，七類網(wǎng)線可以說是一個(gè)非常好的選擇。

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嵌入式系統(tǒng)以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)了各種應(yīng)用系統(tǒng)中對功能、可靠性、成本、體積、功耗等的嚴(yán)格要求，因此它贏得了巨大的市場，在應(yīng)用數(shù)量上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了各種通用計(jì)算機(jī)。嵌入式接入Internet是近幾年隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及和發(fā)展而發(fā)展起來的一項(xiàng)新興概念和技術(shù)，它通過為現(xiàn)有嵌入式系統(tǒng)增加因特網(wǎng)接入能力來擴(kuò)展其功能，一般指設(shè)備通過嵌入式模塊而非PC系統(tǒng)直接接入Internet，以Internet為介質(zhì)實(shí)現(xiàn)信息交互的過程，通常又稱為非PC接入。嵌入式系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)接口控制芯片實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)的通信功能，成本低，控制方便可靠，滿足系統(tǒng)對通信的要求?？紤]到本身的特點(diǎn)，在大量工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用嵌入式設(shè)備功能比較單一，在上述網(wǎng)絡(luò)接口控制芯片接口程序的基礎(chǔ)上只需要開發(fā)簡化的嵌入式協(xié)議棧，就可滿足許多情況下的應(yīng)用需求。目前，許多公司和組織致力于將以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)無縫連接，使以太網(wǎng)越來越向底層延伸。以太網(wǎng)在現(xiàn)場設(shè)備中的應(yīng)用研究和基于以太網(wǎng)的智能芯片的開發(fā)等也日益成為研究的熱點(diǎn)。1 嵌入式接入網(wǎng)的主要方式目前嵌入式系統(tǒng)接入Internet通常有以下兩種主要方式：(1)采用高速的16／32Bit微控制器直接實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，這種方法的實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。這種方式可以使嵌入式系統(tǒng)直接與Internet相連，有很大的靈活性。缺點(diǎn)是占用的系統(tǒng)資源較多，對微控制器的要求也很高，無法在8／16Bit低速微控制器為核心的嵌入式系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)。(2)使用嵌入式網(wǎng)關(guān)來實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。各個(gè)嵌入式系統(tǒng)首先和網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，通信方式采用傳統(tǒng)的RS-232、RS-485等，由嵌入式網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，完成嵌入式系統(tǒng)的信息與Internet的信息交互。這種方案解決了以低速8／16Bit微控制器為核心的嵌入式系統(tǒng)接入Internet的問題。缺點(diǎn)是需要一個(gè)專門的嵌入式網(wǎng)關(guān)，而且和各個(gè)嵌入式系統(tǒng)之間的通信同樣受到速度和距離的限制，這種方法的實(shí)現(xiàn)成本將會(huì)增加。2 嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。硬件包括處理器微處理器、存儲(chǔ)器及外設(shè)器件和30端口、圖形控制器等。軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件（要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)操作）和應(yīng)用程序編程。嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器。嵌入式互聯(lián)的目標(biāo)是嵌入式設(shè)備工作在以網(wǎng)絡(luò)為中心的環(huán)境中，把“孤立的目標(biāo)系統(tǒng)”相互連接起來。為適應(yīng)嵌入式分布處理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用上網(wǎng)需求，嵌入式系統(tǒng)必需配有一種或多種網(wǎng)絡(luò)通信接口，使嵌入式微控制器不僅能執(zhí)行傳統(tǒng)的控制功能，而且還能執(zhí)行與連接因特網(wǎng)相關(guān)的功能，從而把標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（TCP/IP）一直擴(kuò)展到嵌入設(shè)備，由嵌入式系統(tǒng)自身實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)器功能，這是解決嵌入式Internet問題的最佳方案；嵌入式設(shè)備接入Intranet/Internet網(wǎng)原則上講，只要實(shí)現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議就可以。針對嵌入式設(shè)備連接涉及的兩個(gè)關(guān)鍵問題即傳送信息的媒質(zhì)和采用的協(xié)議。最常用的聯(lián)接模式是以太網(wǎng)通信介質(zhì)的有線連接與TCP/IP協(xié)議。其網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議分層如圖1所示。利用網(wǎng)絡(luò)接口控制器（NIC-Network InteRFace Controller）來實(shí)現(xiàn)物理層和鏈路層協(xié)議，同時(shí)微處理器運(yùn)行嵌入式TCP/IP協(xié)議通信模塊來實(shí)現(xiàn)與Intranet/Internet網(wǎng)的連接。一旦這個(gè)目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)，就能在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下在任何時(shí)間從任何地點(diǎn)對位于任何其它地方的系統(tǒng)中的微控制器進(jìn)行監(jiān)控，利用傳統(tǒng)的Web和因特網(wǎng)機(jī)制遠(yuǎn)程監(jiān)視數(shù)據(jù)和運(yùn)行情況控制，而且還能在合適的條件下對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試、升級和維護(hù)。 技術(shù)難點(diǎn)分析3．1 發(fā)送數(shù)據(jù)的封裝把一組數(shù)據(jù)發(fā)送到基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)上，首要條件是產(chǎn)生符合TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)格式。首先從一個(gè)物理幀的格式來分析。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.3的物理幀如圖4所示：如果與嵌入式系統(tǒng)的通信只是局限于局域網(wǎng)之中，在物理幀的數(shù)據(jù)域內(nèi)可以直接放置要發(fā)送的數(shù)據(jù)。如果需要和其他的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，在物理幀的數(shù)據(jù)域中需要封裝更高層的協(xié)議，嵌入式系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)應(yīng)該封裝在高層協(xié)議的數(shù)據(jù)域內(nèi)。這些數(shù)據(jù)的層層封裝和物理幀的形成對于速度沒有特殊的要求，普通的低速微控制器完全可以實(shí)現(xiàn)。3．2 發(fā)送數(shù)據(jù)的發(fā)送以10M以太網(wǎng)為例說明，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)該做的工作是，首先對待發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，而后對編碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行扭曲處理，使發(fā)送的數(shù)據(jù)適合在 10M以太網(wǎng)上傳輸，最后把處理好的數(shù)據(jù)以10M的速度發(fā)送到以太網(wǎng)上。同時(shí)，為了保證數(shù)據(jù)的有效發(fā)送，系統(tǒng)還應(yīng)具有沖突檢測和重發(fā)的功能。從以上的發(fā)送過程可以看出，直接用普通的微控制器是很困難的，應(yīng)該考慮用其他的方法實(shí)現(xiàn)。4 一種嵌入式網(wǎng)絡(luò)接口的實(shí)現(xiàn)方案基于因特網(wǎng)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的核心問題是如何實(shí)現(xiàn)嵌入式網(wǎng)絡(luò)接口。在眾多實(shí)現(xiàn)方案中,以ＭＣＵ為核心的實(shí)現(xiàn)方案,雖然實(shí)現(xiàn)起來有一定困難,仍因其極低的成本,受到格外重視。在此實(shí)現(xiàn)了一種網(wǎng)絡(luò)接口芯片與ＭＣＵ相結(jié)合的方案,如圖5所示。RTL8019AS與硬件實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接口芯片中,選用RTL8019AS。由臺(tái)灣Ｒｅａｌｔｅｋ公司生產(chǎn)的RTL8019AS以太網(wǎng)控制器,由于其優(yōu)良的性能、低廉的價(jià)格,使其在市場上的10Ｍｂｐｓ網(wǎng)卡中占有相當(dāng)?shù)谋壤?。使?051/52兼容單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對RTL8019AS的控制,電路圖如圖6所示。RTL8019AS采用8位數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶€模式(ＩＯＣＳ16接地, ＪＰ接高電平)。Ｐ0口通過地址鎖存器實(shí)現(xiàn)地址數(shù)據(jù)復(fù)用。Ｐ3.4片選RTL8019AS。數(shù)據(jù)收發(fā)不使用中斷驅(qū)動(dòng),全部由軟件查詢實(shí)現(xiàn)?；刂愤x擇引腳ＩＯＳ[3:0]空,Ｉ/Ｏ基地址為300Ｈ。使用雙絞線為通信介質(zhì),所使用的引腳有:ＴＰＩＮ+,ＴＰＩＮ-,ＰＯＵＴ+,ＴＰＯＵＴ-,連入耦合隔離變壓器ＦＢ2022,通過ＲＪ 45插頭實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)的連接。通常ＴＣＰ/ＩＰ是指Ｉｎｔｅｒｎｅｔ協(xié)議簇,而不單單是ＴＣＰ/ＩＰ。因此,在8ｂｉｔＭＣＵ不大的ＲＯＭ空間里,不可能實(shí)現(xiàn)所有的ＴＣＰ/ＩＰ協(xié)議?？紤]到嵌入式應(yīng)用中硬件系統(tǒng)的多樣性,完成特定功能的應(yīng)用程序也各不相同,因而軟件的設(shè)計(jì)在保證滿足功能前提下,最好短小,易于被移植,尤其是應(yīng)用程序與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議軟件應(yīng)具備一定的獨(dú)立性。因此,選擇ＴＣＰ/ＩＰ作為嵌入式網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議,同時(shí)必須對ＴＣＰ/ＩＰ協(xié)議簇根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行必要的刪減,即實(shí)現(xiàn)一個(gè)ｔｈｉｎＴＣＰ/ＩＰ協(xié)議簇。通常的ｔｈｉｎＴＣＰ/ＩＰ的層次結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)的ＴＣＰ/ＩＰ的一樣,也是四層結(jié)構(gòu)(圖7)。以太網(wǎng)接口層主要實(shí)現(xiàn)對以太網(wǎng)接口芯片的控制,ＩＰ層根據(jù)實(shí)際需要選擇實(shí)現(xiàn)ＡＲＰ(地址解析協(xié)議)、ＲＡＲＰ(反向地址解析協(xié)議)、ＩＣＭＰ(因特網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議)以及ＩＧＭＰ(網(wǎng)絡(luò)組管理協(xié)議)。傳輸層主要由ＴＣＰ(傳輸控制協(xié)議)和ＵＤＰ(用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議)組成,在實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí),根據(jù)需要可只實(shí)現(xiàn)其中一個(gè)。ＣＩＰ(控制信息協(xié)議)是專為控制設(shè)備、基于對象的一種方法,它是獨(dú)立于特定網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層協(xié)議,提供了訪問數(shù)據(jù)和控制設(shè)備操作的服務(wù)集。ＣＩＰ的制定需要根據(jù)具體應(yīng)用加以考慮,與通常協(xié)議的格式相似,也為“命令+數(shù)據(jù)”模式。

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摘要：為了得到比傳統(tǒng)片上網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)資源接口(NI)更高的數(shù)據(jù)傳輸效率和更加穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸效果，提出了一種新的高效網(wǎng)絡(luò)接口的設(shè)計(jì)方法，并采用Verilog HDL語言對相關(guān)模塊進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)了高效傳輸功能，同時(shí)又滿足核內(nèi)路由的設(shè)計(jì)要求。最終通過仿真軟件Xilinx ISE Design Suite 12．3和ModelSim SE 6．2b得到了滿足設(shè)計(jì)要求的仿真結(jié)果。隨著納米時(shí)代的到來，集成電路工藝不斷的發(fā)展，特別是VISI設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步，系統(tǒng)級芯片的設(shè)計(jì)迎來了巨大的挑戰(zhàn)，而這個(gè)挑戰(zhàn)的的關(guān)鍵就是怎么樣實(shí)現(xiàn)更高的通信效率。這個(gè)問題的出現(xiàn)也預(yù)示著多核技術(shù)時(shí)代的到臨。為了應(yīng)對這個(gè)挑戰(zhàn)，人們提出了片上網(wǎng)絡(luò)(Network On Chip，NoC)的概念。片上網(wǎng)絡(luò)(NoC)移植了網(wǎng)絡(luò)通信的方式，進(jìn)而來解決多核時(shí)代的IP核互聯(lián)通信的問題。由于片上網(wǎng)絡(luò)(NoC)具有優(yōu)秀的可擴(kuò)展性和相對較好的功耗效率，目前已經(jīng)被大多數(shù)人認(rèn)為是解決當(dāng)前甚至未來芯片設(shè)計(jì)中關(guān)于通信問題的最重要的技術(shù)之一。1 NoC簡介為傳統(tǒng)2D-MESH結(jié)構(gòu)的NoC示意圖。圖中明顯可以看出片上網(wǎng)絡(luò)(NoC)主要由4部分組成：資源節(jié)點(diǎn)(IP核)、路由節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)接口NI(Network Interface)和全局鏈路。其中網(wǎng)絡(luò)接口NI就是連接IP核與通信網(wǎng)絡(luò)的橋梁，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)接口NI的設(shè)計(jì)也是片上網(wǎng)絡(luò)(NoC)設(shè)計(jì)技術(shù)中重要的一環(huán)。網(wǎng)絡(luò)接口NI使NoC實(shí)現(xiàn)了計(jì)算資源與通信網(wǎng)絡(luò)部分的分離，允許IP核和網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)分別獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì)，使計(jì)算資源相對網(wǎng)絡(luò)更加透明，從而實(shí)現(xiàn)不同資源間的互聯(lián)，提高了設(shè)計(jì)的重用性。網(wǎng)絡(luò)接口NI主要面向地址信號，數(shù)據(jù)的打包、解包、編碼，同步等方面的問題。文獻(xiàn)提出的是一種既滿足擔(dān)保服務(wù)又滿足最大努力服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)接口NI，但是此網(wǎng)絡(luò)接口NI主要應(yīng)用于AEthereal系統(tǒng)中。文獻(xiàn)介紹了一種以O(shè)CP從模塊存在的網(wǎng)絡(luò)接口，應(yīng)用于XpIPes系統(tǒng)。2 通用網(wǎng)絡(luò)接口NI的結(jié)構(gòu)及模塊功能網(wǎng)絡(luò)接口的作用主要基于網(wǎng)絡(luò)中關(guān)于信息包信息的傳輸，并且將其轉(zhuǎn)換成資源模塊可用的形式。它的主要功能包括3個(gè)方面：提取關(guān)于IP核與網(wǎng)絡(luò)之間的通信協(xié)議；支持任何IP核與網(wǎng)絡(luò)接口連接；對數(shù)據(jù)進(jìn)行打包和解包。當(dāng)數(shù)據(jù)在NoC中傳輸時(shí)，網(wǎng)絡(luò)接口將主IP核中的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，并進(jìn)行校驗(yàn)，然后將其傳輸?shù)铰酚晒?jié)點(diǎn)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，最后由目的IP核的網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行解包，校驗(yàn)進(jìn)入到目的IP核中。圖2是通用網(wǎng)絡(luò)接口的結(jié)構(gòu)模塊圖，如圖2所示其主要由通用核接口、數(shù)據(jù)打包單元、數(shù)據(jù)解包單元、存儲(chǔ)單元和異步FIFO構(gòu)成。數(shù)據(jù)打包單元主要將來自IP核的信息進(jìn)行打包，其首先將信息轉(zhuǎn)換成流控單元(flit)，然后在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸，其主要由包頭編碼單元，數(shù)據(jù)處理單元和FIFO控制單元構(gòu)成。而解包單元主要是將數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)換，滿足目的IP核所需要的數(shù)據(jù)形式。數(shù)據(jù)打包單元和數(shù)據(jù)解包單元共享網(wǎng)絡(luò)接口中的存儲(chǔ)單元，這樣做主要是易于鏈接不同模塊。3 高效網(wǎng)絡(luò)接口的設(shè)計(jì)3．1 總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析本文主要是設(shè)計(jì)一種高效的網(wǎng)絡(luò)接口使其滿足數(shù)據(jù)的快速傳輸，同時(shí)能承受高的通信壓力，使其也可用于核內(nèi)路由的數(shù)據(jù)傳輸。核內(nèi)路由及將傳統(tǒng)的路由節(jié)點(diǎn)嵌入到IP核中，與IP核共享存儲(chǔ)單元，益于IP核與網(wǎng)絡(luò)通信部分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸加速，以便于加快整個(gè)NoC的網(wǎng)絡(luò)通信速率。據(jù)文獻(xiàn)可知，核內(nèi)路由也將是NoC發(fā)展的重要方向之一。如圖3所示，本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)接口主要包含數(shù)據(jù)接收，數(shù)據(jù)發(fā)送，緩沖區(qū)模塊和寄存器控制組4部分。當(dāng)原始數(shù)據(jù)從IP核傳輸?shù)奖揪W(wǎng)絡(luò)接口，首先由數(shù)據(jù)接收模塊將原始數(shù)據(jù)打包，并將其分為多個(gè)片(flit)。通常數(shù)據(jù)包被分為：Head flit，Datel flit，Date2 flit，Tailflit等4部分，而本網(wǎng)絡(luò)接口將其壓縮為Head flit，Datel flit，Date2 and control flit三部分，主要是將Tailflit壓縮到傳統(tǒng)Data2 flit中，因?yàn)門ail flit中只含有一個(gè)完成控制信號，所以將其合并到最后一個(gè)數(shù)據(jù)片上，通過寄存器控制模塊控制發(fā)送，通過網(wǎng)絡(luò)到達(dá)目的網(wǎng)絡(luò)接口，由其將接受到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解包，滿足目的IP核的需求，同時(shí)傳輸?shù)侥康腎P核。由于本網(wǎng)絡(luò)接口也可以嵌入到IP核中，因此可以提前將Head flit發(fā)送出去，使Head flit的發(fā)送與數(shù)據(jù)打包并行處理。這樣就加速了數(shù)據(jù)的傳輸速率。此模塊主要是完成接收路由節(jié)點(diǎn)發(fā)出來的數(shù)據(jù)包以及本地IP核發(fā)出的數(shù)據(jù)包。其結(jié)構(gòu)如圖4所示，由數(shù)據(jù)接收邏輯控制模塊和數(shù)據(jù)接收狀態(tài)機(jī)模塊。 此模塊主要工作流程為：接收控制邏輯模塊→產(chǎn)生緩存地址和有效信號→狀態(tài)機(jī)模塊→產(chǎn)生接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)。簡單狀態(tài)圖如圖5所示。當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位，整個(gè)狀態(tài)機(jī)處于空狀態(tài)(idle)，當(dāng)同時(shí)接收到有效的數(shù)據(jù)信號和信道控制信號時(shí)，進(jìn)入接收數(shù)據(jù)長狀態(tài)(r_length)。隨著clk上升沿的到達(dá)，順序進(jìn)入接收數(shù)據(jù)目的地址的狀態(tài)(r_desti_addr)，接收源地址狀態(tài)(r_source_addr)，接收數(shù)據(jù)狀態(tài)(r_receive)。數(shù)據(jù)接收完成后，置數(shù)據(jù)傳輸完成信號無效后，狀態(tài)機(jī)恢復(fù)初始狀態(tài)(idle)。3．3 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊的設(shè)計(jì)此模塊主要是將從路由節(jié)點(diǎn)得到的數(shù)據(jù)發(fā)送給IP核，或者是將從IP核得到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)中去。設(shè)計(jì)思路同數(shù)據(jù)接收模塊相似。結(jié)構(gòu)圖如圖6所示分為2部分：數(shù)據(jù)發(fā)送控制邏輯模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)機(jī)模塊。其狀態(tài)機(jī)的轉(zhuǎn)移圖如圖7所示。簡述：idle→(有效數(shù)據(jù)發(fā)送信號)ask(信道請求信號)→(響應(yīng)信道請求)buf_en→(clk上沿)t_length→t_date→(數(shù)據(jù)信號完成響應(yīng))idle。3．4 寄存器控制組模塊的設(shè)計(jì)此模塊主要分為：狀態(tài)寄存器，邏輯控制寄存器，接收數(shù)據(jù)長寄存器，接收數(shù)據(jù)源地址寄存器。4個(gè)寄存器都為8位寄存器。滿足了各節(jié)點(diǎn)對網(wǎng)絡(luò)接口的控制。表1為狀態(tài)寄存器。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)接口的工作狀態(tài)有表中寄存器的低兩位所代表。“0”代表處于r_date，“1”代表處于s_date。4 系統(tǒng)仿真與驗(yàn)證結(jié)果 本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)接口主要是使用Xilinx ISE Design suite 12．3和ModelSim SE 6．2b仿真軟件進(jìn)行仿真和驗(yàn)證。圖8是網(wǎng)絡(luò)接口中數(shù)據(jù)接收模塊功能仿真圖，圖9是數(shù)據(jù)發(fā)送模塊功能仿真圖。實(shí)驗(yàn)主要是通過主時(shí)鐘控制數(shù)據(jù)的發(fā)送，采用50 MHz的時(shí)鐘，每2個(gè)時(shí)鐘發(fā)送一個(gè)IP核數(shù)據(jù)，發(fā)送完成的到flag標(biāo)識。從結(jié)果可以看出此設(shè)計(jì)便于加快數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸效率。實(shí)驗(yàn)中源IP核輸出數(shù)據(jù)為32位，通過NI1把數(shù)據(jù)分為高16位和低16位輸出，到達(dá)目的NI2，通過NI2把數(shù)據(jù)合并為32位，最終輸入到目的IP核內(nèi)。結(jié)果顯示，數(shù)據(jù)傳輸過程數(shù)據(jù)保持了較強(qiáng)的穩(wěn)定性，同時(shí)發(fā)送與接收都準(zhǔn)確的做出了應(yīng)答，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。5 結(jié)語本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)接口主要是針對對數(shù)據(jù)傳輸速率要求較高，對傳輸效果穩(wěn)定性要求較高的NoC體系。通過實(shí)驗(yàn)基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求，同時(shí)此網(wǎng)絡(luò)接口具有較強(qiáng)的實(shí)用性，對與今后核內(nèi)路由的研究具有重要的意義。

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不知道你有沒有感覺過，明明電腦沒有問題，可偏偏打游戲的時(shí)候就卡的要命，用360整體查殺了一遍電腦，也沒有病毒，電腦買的時(shí)間不長，按道理性能應(yīng)該完全夠用。到底問題出在哪里了呢？其實(shí)，你應(yīng)該好好的檢查一下你的路由器！在開始的時(shí)候，我一定要給大家普及一個(gè)路由器使用誤區(qū)，很多人會(huì)覺得路由器是工具型的產(chǎn)品，只要路由器不壞，能上網(wǎng)，就沒有必要對它進(jìn)行換新服務(wù)。其實(shí)這個(gè)思路是完全不對的。要理解為什么路由器要更換，首先還是要從WiFi的理論說起，1999年Wi-Fi Alliance正式成立，2002年才正式更名為Wi-Fi聯(lián)盟，在當(dāng)年大家使用model撥號貓上網(wǎng)，相信大家每家電話費(fèi)都非常感人。后來有了路由器和交換機(jī)，大家開始使用有線上網(wǎng)。再到后面才是真正的無線路由器開啟的網(wǎng)絡(luò)覆蓋模式。1999年的第一代WiFi 802.11b 到2019年的WiFi 6 802.11.ax，在過去的20年時(shí)間，WiFi速度提升了整整650倍！同時(shí)路由器也在各個(gè)不同時(shí)期擔(dān)任著不同的角色，如果到今天你的無線路由器還是極路由1 54Mbps網(wǎng)速的話，那難怪你的電腦卡的不行！你試想一下！交著最貴的寬帶費(fèi)一個(gè)月好幾百塊錢，用著卻是最早期的路由器（自己還完全不知情），還天天叫囂著網(wǎng)絡(luò)卡頓，想一想你是不是做了冤大頭？看我口型：路由器真的要換！尤其是到現(xiàn)在還沒有使用WiFi 6的路由器！WiFi 5躍進(jìn)到WiFi 6可不只是網(wǎng)速提升那么簡單，我拿我自己的親身經(jīng)歷跟大家分享。以前家里裝修的時(shí)候，并沒有為家中預(yù)留網(wǎng)關(guān)，但隨著家中的互聯(lián)設(shè)備越來越多，家中冰箱、洗衣機(jī)、智能電燈、空調(diào)都具備聯(lián)網(wǎng)功能，這其中很大一部分的設(shè)備只能連接2.4GHz頻段。你可以很輕松的將2.4GHz頻段和5GHz頻段做拆分。

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摘要：為了實(shí)現(xiàn)嵌入式以太網(wǎng)通信，使用以太網(wǎng)控制芯片DM9000A和單片機(jī)MSP430F5529，組成了嵌入式以太網(wǎng)接口，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)通信，其中單片機(jī)完成自身以及以太網(wǎng)控制芯片的初始化、數(shù)據(jù)的封包和收發(fā)控制，而DM9000A芯片負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成框圖和硬件設(shè)計(jì)，給出了實(shí)際的接口電路，重點(diǎn)描述了單片機(jī)和DM9000A芯片之間的軟件接口程序設(shè)計(jì)，并給出了網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的應(yīng)用方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)體積小、接口簡單、速度快、功耗低，具有很高的推廣價(jià)值。隨著嵌入式技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展及以太網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，以太網(wǎng)接口在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛，網(wǎng)絡(luò)化成為未來設(shè)備發(fā)展的一個(gè)重要方向，各種嵌入式設(shè)備已經(jīng)成功滲透到各個(gè)領(lǐng)域，并逐漸朝著網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向發(fā)展。以太網(wǎng)以其在實(shí)時(shí)性、可靠性、標(biāo)準(zhǔn)化等方面的卓越性能及其便于安裝、維護(hù)簡單、不受通信距離限制等優(yōu)點(diǎn)，已發(fā)展成為一種成熟的技術(shù)。本文以MSP430F5529單片機(jī)和以太網(wǎng)控制器DM9000A為硬件組成，通過軟件編程，和上位機(jī)實(shí)現(xiàn)了UDP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信。1 硬件設(shè)計(jì)DM9000A是DAVICOM公司推出的一款高速以太網(wǎng)接口芯片，是完全集成的和符合成本效益單芯片快速以太網(wǎng)MAC控制器，其被設(shè)計(jì)為低功耗、高處理性能，而其操作又非常簡單，具有通用的處理器接口，可以與多種處理器直接連接，數(shù)據(jù)總線寬度可設(shè)置為8 b和16 b，支持3．3 V和5 V電源模式。MSP430F5529單片機(jī)是TI公司的一款超低功耗單片機(jī)。該芯片采用低功耗設(shè)計(jì)，具有五種低功耗模式，從低功耗模式到喚醒模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于6μs，其獨(dú)特的時(shí)鐘設(shè)計(jì)，每個(gè)時(shí)鐘都可以打開或關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對整體功耗的控制。供電電壓范圍為1．8～3．6 V，具有強(qiáng)大的中斷功能，集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)和較多的I／O端口，提高了對外圍設(shè)備的開發(fā)能力。在本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)MSP430F5529控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，以太網(wǎng)控制器DM9000A實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牡蛯庸δ?。單片機(jī)完成對DM9000A的初始化，并將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)按協(xié)議要求進(jìn)行以太網(wǎng)幀封裝，發(fā)送給DM9000A；以中斷的方式接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，并對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，對有用數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。DM9000A接收從單片機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過RJ45傳送到遠(yuǎn)程主機(jī)，并通過RJ45接收從遠(yuǎn)程主機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)初步解析后保存在緩存中，然后向單片機(jī)發(fā)出中斷信號，由單片機(jī)來完成對數(shù)據(jù)的讀取。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。系統(tǒng)中單片機(jī)和以太網(wǎng)控制器都采用3．3 V來供電。單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控芯片，和DM9000A之間采用8 b模式(將EECS腳接一個(gè)10 kΩ的上拉電阻)，使用P6端口和DM9000A的數(shù)據(jù)端口相連接，傳輸數(shù)據(jù)或地址數(shù)據(jù)，無需電平轉(zhuǎn)換；P1．0腳和CMD相連，為高時(shí)為數(shù)據(jù)讀／寫操作，為低時(shí)為地址讀／寫操作；P1．1腳和INT腳相連，作為單片機(jī)的數(shù)據(jù)讀取中斷信號；P1．2，P1．3腳分別和IOR腳、IOW腳相連，用于控制讀或?qū)懖僮?，低電平有效，即在信號的上升沿進(jìn)行讀(IOR)寫(IOW)操作；P1．4腳和CS腳相連，作為DM9000A的片選信號。2 DM9000A芯片操作DM9000A的讀／寫操作與一般的異步存儲(chǔ)器相同，圖2和圖3分別顯示了DM9000A的讀／寫時(shí)序。