DSP与以太网通信接口设计

ｉ ） ２８ 个 独 立 可 编 程 的 多 路 复 用 Ｉ／ Ｏ 引 脚 ； ｊ ） 串 行 通 讯 接 口 （ ＳＣＩ ） ； ｋ ） 串 行 外 部 设 备 接 口 （ ＳＰＩ ） 。 １．２ 电路框图 以 ＴＭＳ３２０Ｆ２４０ 作 为 主 控 制 芯 片 ， 以 ＲＴＬ８０１９ＡＳ 为 网 络 接 口 芯 片， 可方便地实现节点间的互联并进而构成分布式控制系统。 硬 件 电 路 框 图 如 图 １ 所 示 ， 包 括 主 处 理 器 ＤＳＰ 控 制 芯 片 ＴＭＳ３２０Ｆ２４０ 、以 太 网 控 制 芯 片 ＲＴＬ８０１９ＡＳ、驱 动 串 口 通 信 等 单 元 、片 外 扩 展 ＦＬＡＳＨ 、译 码 电 路 、电 源 模 块 、看 门 狗 电 路 、串 口 等 电 路 。
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一个标准的以太网物理传输帧由七部分组成， 如表 １ 所示（单 位： 字节） 。
表 １ 以太网的物理传输帧结构表
ＩＥＥＥ８０２ ．３ 帧 格 式 如 图 ２ 所 示 。
图 ２ ＩＥＥＥ８０２ ． ３ 帧 格 式 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 。 除 去 ＤＡ， ＳＡ， ＴＹＰＥ 的 １４ 字 节 ， 还 必 须 传 输 ４６ 字 节 的 数 据 ， 当 数 据 段 的 数 据 不 足 ４６ 字 节 时 需 填 充 ， 填 充 字 符 的 个 数 不 包 括 在 长 度 字 段 里 ； 超 过 １５００ 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 （ ＰＲ 、 ＳＤ） ， 就 认 为 接 收 数 据 开 始 。 ２．１．２ 网络层 网络层负责将数据报从源节点发送到目的节点， 完成网络内的 ＩＰ 寻 址 。 其 主 要 协 议 是 ＩＰ （ 网 际 协 议 ） 、ＡＲＰ （ 地 址 解 析 协 议 ） 、 ＩＣＭＰ （因 特 网 控 制 报 文 协 议 ）。 ＩＰ 协 议 ＴＣＰ／ ＩＰ 的 核 心 部 分 就 是 网 络 层 ， 它 主 要 由 ＩＰ 协 议 和 ＩＣＭＰ 两 个 协 议 组 成 ， 而 ＩＰ 协 议 是 ＴＣＰ／ ＩＰ 协 议 族 中 最 为 核 心 的 协 议 。所 有 的 ＴＣＰ 、ＵＤＰ 、ＩＣＭＰ 及 ＩＧＭＰ 数 据 都 以 ＩＰ 数 据 包 格 式 传 输 。 ＩＰ 协 议 有 三 个 重 要 功 能 ： 第 一 个 是 分 配 ＩＰ 地 址 和 到 达 目 的 主 机 的 包 发 送 （ 路 由 寻 址 ） 功 能 ； 第 二 个 是 ＩＰ 包 的 分 割 处 理 功 能 ； 第 三 个是重新构筑处理功能。 ＩＣＭＰ 协 议 ＩＣＭＰ 是 因 特 网 控 制 报 文 协 议 ， 用 来 将 数 据 报 出 现 的 问 题 以 发 送 通 知 的 方 式 反 馈 给 发 送 器 ， 是 主 机 和 网 关 使 用 的 一 个 机 制 。 在 ＩＰ 协议中， 当数据链路发生了故障而造成包不能到达的时候， 使用 ＩＣＭＰ 协 议 能 够 通 知 发 送 端 发 生 了 故 障 ， 所 以 ＩＣＭＰ 是 对 ＩＰ 协 议 进 行 辅 助 的 协 议 ， 可 以 弥 补 ＩＰ 协 议 的 不 足 。 它 包 括 差 错 报 告 和 查 询 两 种 类型的报文。 ＡＲＰ 协 议 ＡＲＰ 是 解 析 地 址 协 议 ， 主 要 完 成 物 理 地 址 的 映 射 ， 即 用 来 将 ＩＰ 地 址 与 物 理 地 址 联 系 起 来 并 相 互 转 换 。 因 为 ＩＰ 地 址 只 是 主 机 在 抽象网络层中的地址， 是不能直接用来通信的， 在实际网络的链路 上 传 输 数 据 帧 时 必 须 转 变 成 ＭＡＣ 帧 ， 所 以 最 终 还 要 使 用 硬 件 物 理 地 址 。这 样 形 成 了 只 能 使 用 ＩＰ 地 址 的 上 层 协 议 软 件 和 只 能 使 用 物 理 地 址 的 下 层 设 备 驱 动 程 序 软 件 之 间 的 分 界 线 。ＡＲＰ 协 议 包 括 静 态 映 射 和 动 态 映 射 ， 一 般 采 用 动 态 映 射 。 ＡＲＰ 软 件 包 由 三 个 组 件 构 成 ： 输 出 处 理 模 块 、输 入 处 理 模 块 和 高 速 缓 存 控 制 模 块 。 传输层 传 输 层 包 括 的 主 要 协 议 有 ＴＣＰ （ 传 输 控 制 协 议 ） 、ＵＤＰ （ 用 户 数 据 报 协 议 ）。 在 ＴＣＰ／ ＩＰ 协 议 族 中 ， 实 现 传 输 层 功 能 的 、有 代 表 性 的
ＤＳＰ 芯 片 是 专 门 为 实 现 各 种 数 字 信 号 处 理 算 法 而 设 计 的 、具 有 特 殊 结 构 的 微 处 理 器 ， 其 卓 越 的 性 能 、不 断 上 升 的 性 价 比 、日 渐 完 善 的开发方式使它的应用越来越广泛。同时以太网是当今最受欢迎的 局 域 网 之 一 ， 具 有 组 网 方 便 、开 放 性 高 等 特 点 。如 何 将 ＤＳＰ 与 以 太 网 连 接 起 来 ， 实 现 ＤＳＰ 与 ＤＳＰ 或 ＤＳＰ 与 ＰＣ 机 间 的 网 络 互 连 显 得 非 常 重 要 。 本 文 通 过 对 ＤＳＰ 芯 片 ＴＭＳ３２０Ｆ２４０ 、 以 太 网 控 制 芯 片 ＲＴＬ８０１９ＡＳ 及 ＴＣＰ／ ＩＰ 协 议 等 的 分 析 ， 设 计 出 一 种 ＤＳＰ 与 以 太 网 互 连 的 接 口 电 路 ， 以 实 现 通 过 以 太 网 对 ＤＳＰ 控 制 。
１ 系统硬件分析 ＤＳＰ 与 以 太 网 间 通 过 网 络 接 口 控 制 器 连 接 ， 以 太 网 控 制 器 芯 片 ＲＴＬ８０１９ＡＳ 实 现 以 太 网 媒 介 访 问 层 （ＭＡＣ） 和 物 理 层 （ＰＨＹ） 的 功 能 ， 包 括 ＭＡＣ 数 据 帧 的 收 发 、 地 址 识 别 、ＣＲＣ （Ｃｙｃｌｉｃ Ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ Ｃｈｅｃｋ ， 循 环 冗 余 检 验 ） 编 码 ／ 校 验 、曼 彻 斯 特 编 解 码 、超 时 重 传 、链 路 完 整 性 测 试 、信 号 极 性 检 测 与 纠 正 等 。 主 处 理 器 ＴＭＳ３２０Ｆ２４０ 完 成 在 ＲＴＬ８０１９ＡＳ 的 外 部 总 线 上 读 写 ＭＡＣ 帧 。 １．１ 芯片介绍 １ ．１ ．１ 以 太 网 控 制 芯 片 — —— ＲＴＬ８０１９ＡＳ 简 介 由 台 湾 Ｒｅａｌｔｅｋ 公 司 生 产 的 ＲＴＬ８０１９ＡＳ 以 太 网 控 制 器 ， 由 于 其 优 良 的 性 能 、低 廉 的 价 格 ， 使 其 在 市 场 上 １０Ｍｂｐｓ 网 卡 中 占 有 相 当 的 比例。其主要性能如下： ａ） 符 合 ＥｔｈｅｒｎｅｔＩＩ 与 ＩＥＥＥ８０２．３ （ １０Ｂａｓｅ５ 、１０Ｂａｓｅ２ 、１０ＢａｓｅＴ） 标 准； ｂ ）全 双 工 通 信 ， 收 发 可 同 时 达 到 １０Ｍｂｐｓ 的 速 率 ； ｃ）内 置 １６ＫＢ 的 ＳＲＡＭ， 用 于 收 发 缓 冲 ， 降 低 对 主 处 理 器 的 速 度 要求； ｄ ）支 持 １６ｂｙｔｅ 数 据 总 线 ， ２０ｂｙｔｅ 地 址 总 线 ， ８ 个 中 断 申 请 线 以 及 １６ 个 Ｉ／ Ｏ 地 址 选 择 ； ｅ） 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； ｆ）允 许 ４ 个 诊 断 ＬＥＤ 引 脚 可 编 程 输 出 ； １ ．１ ．２ 主 控 制 芯 片 — —— ＴＭＳ３２０Ｆ２４０ 简 介 ＴＭＳ３２０Ｆ２４０ 是 ＴＩ 公 司 的 一 款 优 秀 数 字 信 号 处 理 器 ， 将 ＤＳＰ 的 高速运算能力与高效控制能力集于一体， 它具有以下特性： ａ ） ３２ 位 的 中 央 算 术 逻 辑 单 元 ； ｂ ） ３２ 位 加 法 器 ； ｃ ） 三 个 １６ 位 定 时 器 （ ２ 和 ３ 可 级 联 成 ３２ 位 定 时 器 ） ； ｄ ） 片 内 ５４４ ×１６ 位 的 数 据 ／ 程 序 ＲＡＭ； ｅ ） １６Ｋ×１６ 位 的 片 内 闪 速 Ｅ２ＰＲＯＭ； ｆ） ２２４ Ｋ×１６ 位 的 最 大 可 寻 址 存 储 器 空 间 ； ｇ） １６ 位 地 址 总 线 和 １６ 位 数 据 总 线 ； ｈ） ６ 个外部中断（ ３ 个可屏蔽中断） ；
图 １ 硬件电路框图 ２ 系统软件分析 本 系 统 主 要 是 在 ＤＳＰ 中 实 现 ＴＣＰ／ ＩＰ 协 议 栈 ， 这 里 我 们 主 要 采 用 以 太 网 ＩＥＥＥ８０２ 。３ 、ＩＰ 、ＵＤＰ 、ＡＲＰ 等 协 议 作 为 通 信 协 议 ， 传 输 数 据 通 过以太网控制器完成。在数据发送前， 首先要对待传输的数据进行 协 议 封 装 。 因 此 ， 需 要 对 ＴＣＰ／ ＩＰ 协 议 进 行 分 析 。 ２． １ ＴＣＰ ／ ＩＰ 协 议 栈 的 设 计 ＴＣＰ／ ＩＰ 协 议 采 用 分 层 的 结 构 ， 从 上 到 下 依 次 为 应 用 层 、传 输 层 、 网 络 层 、数 据 链 路 层 ， 物 理 层 ， 每 一 层 只 对 相 邻 层 提 供 服 务 。 应 用 层 、传 输 层 和 网 络 层 用 软 件 来 实 现 ， 主 要 通 过 ＤＳＰ 编 写 一 个 ＴＣＰ／ ＩＰ 协议栈。 ２．１．１ 数据链路层和物理层 数 据 链 路 层 和 物 理 层 依 靠 以 太 网 控 制 芯 片 实 现 。 包 括 ＭＡＣ 数 据 帧 收 发 、地 址 识 别 、ＣＲＣ 编 码 ／ 校 验 、曼 彻 斯 特 编 解 码 、超 时 重 传 等 。ＤＳＰ 只 需 要 在 ＲＴＬ８０１９ＡＳ 的 外 部 总 线 上 读 写 ＭＡＣ 帧 。所 有 数 据 位的传输由低位开始， 但传输的位流是用曼彻斯特编码的， 曼彻斯 特 编 码 由 ＲＴＬ８０１９ＡＳ 自 动 完 成 ， 无 需 ＤＳＰ 进 行 处 理 。 本 系 统 中 用 到 以 太 网 Ｅｔｈｅｒｎｅｔ 协 议 ， 协 议 规 定 了 在 直 接 相 连 的 计 算 机 之 间 使 用 通 信介质进行通信的规格标准。数据链路层主要利用以太网控制芯片 的驱动程序提供一个与物理层的接口， 完成数据的收发， 物理编码 的转换等功能， 而 ＣＲＣ 校验由以太网控制芯片自动完成。具体到程序实现 就是由 ＲＴＬ８０１９ＡＳ 完成网卡驱动程序， 解决以太网络数据包的收发。