【文章內(nèi)容簡介】 。2. 32/64 位嵌入式控制器32/64 位嵌入式控制器的自身資源比較豐富，運(yùn)行速度較快，有強(qiáng)大的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）和函數(shù)庫的支持。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)一般都已經(jīng)在內(nèi)核中添加了 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議族，因此 32/64 位嵌入式系統(tǒng)可以很方便地接入以太網(wǎng)。 以太網(wǎng)控制器的選型對 8 位微控制器而言，在選擇以太網(wǎng)控制器時(shí)，需要考慮以下幾個(gè)因素：1. 需要考慮以太網(wǎng)控制器是否支持 8 位工作模式由于主機(jī)是 8 位微控制器，因此要求所選的以太網(wǎng)控制器必須支持 8 位工作模式。實(shí)際上，在比較老的產(chǎn)品中，只有部分基于 ISA 總線的以太網(wǎng)控制器才能支持，所以基于 PCI 總線的以太網(wǎng)控制器不在考慮之列。而近幾年才上市的產(chǎn)品，比較有代表性的有Silabs公司的CP2200/1以太網(wǎng)控制器和Microchip的ENC28J60 以太網(wǎng)控制器，大多專門為嵌入式系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，完全支持這種工作模式。2. 需要考慮以太網(wǎng)控制器是否具有片上緩存最好選用具有足夠片上緩存的以太網(wǎng)控制器，以簡化系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。3. 應(yīng)考慮以太網(wǎng)控制器與主機(jī)的數(shù)據(jù)交換形式在 8 位模式下，有的以太網(wǎng)控制器可以支持中斷，有的則只支持查詢。這些勢必對系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)產(chǎn)生一定影響。4．考慮與現(xiàn)有以太網(wǎng)的兼容性問題這些基于 ISA 總線的以太網(wǎng)控制器還可以分成兼容和非兼容兩類。前者一般上市時(shí)間較早，可供借鑒的參考資料比較豐富；后者則多為近期產(chǎn)品，但性能更佳。表21 列出了目前市面上幾種可供選用的以太網(wǎng)控制器及其主要特性。表21 幾種以太網(wǎng)控制器的比較制造商型號片內(nèi)緩存/位8位中斷模式以太網(wǎng)兼容性價(jià)格Cirrus LogicCS8900A4K/8否否高DaviDM9008F8K/16是是低MicrochipENC28J608K/8是否中RealtekRTL80198K/16是是低SilabsCP22008K+2K+4K/8是否較高通過比較，RTL8019 和 CP2200 兩種以太網(wǎng)控制器都適合本文的嵌入式系統(tǒng)，而其中的 CP2200 以太網(wǎng)控制器是一種使用得較廣泛的以太網(wǎng)控制器，最終，本文選擇 CP2200 以太網(wǎng)控制器作為嵌入式系統(tǒng)的以太網(wǎng)控制器。由美國 Silicon Laboratories 公司生產(chǎn)的 CP2200高集成以太網(wǎng)控制器芯片集成了介質(zhì)訪問控制層（MAC）和物理層（PHY）的性能，可以方便地與通用MCU進(jìn)行連接。另外，它還具有軟件移植性好等優(yōu)點(diǎn)?！　?. 性能指標(biāo)　　(1) 以太網(wǎng)控制器集成 MAC 和 10BASET PHY，完全兼容 100/1000 BASET 網(wǎng)絡(luò)；具有自動(dòng)協(xié)商的全/半雙工、自動(dòng)極性檢測和校正功能、自動(dòng)沖突重新發(fā)送、自動(dòng)填充及CRC生成并支持廣播和多播 MAC 處理?！　?2) 并行主機(jī)接口（30 Mbps的傳輸速率）具有8位復(fù)用或非復(fù)用模式；復(fù)用模式僅需11個(gè)I/O引腳；英特爾或者摩托羅拉總線格式；支持包接受中斷和網(wǎng)絡(luò)喚醒功能。　　(3) 8KB ISP非揮發(fā)性記憶體 Flash；廠商預(yù)先編程的唯一的48位MAC地址；不需要外接任何EEPROM?！　?4) LED 輸出驅(qū)動(dòng)器（連接/活動(dòng)）；專用 2KB 的 RAM 發(fā)送緩沖區(qū)和 4KB 的 RAM 接收先進(jìn)先出緩沖區(qū)；電源復(fù)位；能夠耐受 5V 電壓的 I/O。　　(5) 提供了免版稅TCP/IP協(xié)議族與設(shè)備驅(qū)動(dòng)；TCP/IP協(xié)議族配置向?qū)?；硬件診斷軟件和實(shí)例代碼?！　?6) 提供的應(yīng)用實(shí)例有遠(yuǎn)程檢測和監(jiān)測；庫存管理；網(wǎng)絡(luò)電話適配器；銷售點(diǎn)設(shè)備；網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘；嵌入式 WEB 服務(wù)器；遠(yuǎn)程以太網(wǎng)到 UART 橋接?！　?7) 供電電壓為 至 ?！　?8) 具有無鉛48引腳 TQFP（9x9毫米見方）和無鉛28引腳 QFN（5x5毫米見方）兩種封裝方式?！　?9) 預(yù)定的針腳數(shù)分別為 CP2200GQ 是48引腳；CP2201GM 是28引腳?！　?10)溫度范圍為 40至+85 ℃。　　2. 內(nèi)部結(jié)構(gòu)CP220X 以太網(wǎng)控制器內(nèi)部可分為主機(jī)接口（Host Interface）、接收/發(fā)送緩沖區(qū)（TX/RX Buffer）、以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制（MAC）、以太網(wǎng)物理層（PHY）和 LED 控制等。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖22 所示。圖22 CP2200 以太網(wǎng)控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3. 工作原理　　主處理器（Host）通過以太網(wǎng)控制器的主機(jī)接口來收發(fā)數(shù)據(jù)。主處理器要向以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先通過主機(jī)接口將數(shù)據(jù)報(bào)傳送到以太網(wǎng)控制器的發(fā)送緩沖區(qū)（TX Buffer），然后發(fā)出發(fā)送命令。以太網(wǎng)控制器在發(fā)送完前一幀數(shù)據(jù)之后，自動(dòng)將此數(shù)據(jù)報(bào)封裝成以太網(wǎng)幀，將其發(fā)送到以太網(wǎng)上，從而完成此幀的發(fā)送。以太網(wǎng)控制器將接收到的數(shù)據(jù)幀通過 MAC 比較、CRC 校驗(yàn)后，由 FIFO 存到接收緩沖區(qū)（RX Buffer），收滿一幀后，設(shè)置相應(yīng)的中斷標(biāo)志位，主處理器通過查詢該中斷標(biāo)志位來獲取與新以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀相關(guān)的信息，進(jìn)而做出相應(yīng)的處理?！　∫蕴W(wǎng)控制器內(nèi)部有 FIFO 緩存和 CRC 生成器/校驗(yàn)器。接收邏輯在接收時(shí)鐘脈沖的控制下，將串行數(shù)據(jù)組成字節(jié)送到 FIFO 和 CRC校驗(yàn)器；發(fā)送邏輯將 FIFO 送來的字節(jié)在發(fā)送時(shí)鐘脈沖的控制下逐步按位移出，并送到 CRC生成器；CRC 校驗(yàn)器邏輯在接收時(shí)對輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行 CRC 校驗(yàn)，將結(jié)果與幀尾的 CRC 比較，如不同，該幀數(shù)據(jù)將被拒收；在發(fā)送時(shí), CRC生成器對數(shù)據(jù)幀自動(dòng)生成 CRC，并附加在數(shù)據(jù)尾傳送；地址識(shí)別邏輯對接收幀的目的地址與預(yù)先設(shè)置的本地物理地址進(jìn)行比較，如果不同且不滿足廣播地址（broadcast address）的設(shè)定要求，以太網(wǎng)控制器將拒絕接收該幀數(shù)據(jù)。4. 內(nèi)部 RAM 地址的分配　　CP2200 以太網(wǎng)控制器內(nèi)置的存儲(chǔ)器分別由 8KB Flash、4kB 接收緩存區(qū)和 2kB 發(fā)送緩存區(qū)組成，但 MCU 只需從 CP2200 以太網(wǎng)控制器讀取數(shù)據(jù)或向 CP2200 以太網(wǎng)控制器發(fā)送數(shù)據(jù)就可以了，不必考慮具體是哪一種存儲(chǔ)器，因而使用非常方便。5. C8051F340微控制器和 CP2200 以太網(wǎng)控制器的互聯(lián)C8051F340微控制器為了有效地控制并與之交換數(shù)據(jù)，CP2200以太網(wǎng)控制器必須將C8051F340 微控制器引腳與其相應(yīng)引腳連接起來[5758]，其連接圖如圖23所示。圖23 C8051F340和 CP2200 的非雙工模式連接原理圖(1) CP2200 以太網(wǎng)控制器的工作方式選擇從圖23中可以看出，CP2200 以太網(wǎng)控制器的 MUXEN 和 MOTEN 兩個(gè)引腳是接地的，因此它工作在非雙工模式。(2) CP2200 以太網(wǎng)控制器的中斷接收CP2200 以太網(wǎng)控制器的中斷引腳 /INT 被連接到 C8051F340 微控制器的 引腳上，因此C8051F340 CP2200 以太網(wǎng)控制器產(chǎn)生的任何中斷消息?！　?3) 地址線連接　　由于采用的C8051F340微控制器的尋址范圍是 16 位的，所以需將 CP2200 以太網(wǎng)控制器的16 位地址線 與C8051F340微控制器的地址線連接。　　(4) 數(shù)據(jù)線連接　　由于采用的C8051F340微控制器是 8 位的，所以只需將 CP2200 以太網(wǎng)控制器的低 8 位地址線 與C8051F340微控制器的地址線連接。(5) CP2200 以太網(wǎng)控制器的復(fù)位引腳CP2200 以太網(wǎng)控制器的復(fù)位引腳 /RST 被連接到 C8051F340 微控制器的 引腳上，因此C8051F340 微控制器可以對 CP2200 以太網(wǎng)控制器實(shí)現(xiàn)軟件復(fù)位。(6) 診斷 LEDCP2200 以太網(wǎng)控制器提供兩個(gè)連接診斷 LED 的 LINK 和 ACT引腳，可以即時(shí)指示其連接狀態(tài)。 C8051F340開發(fā)板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)嵌入式客戶端因?yàn)橐度?TCP/IP 協(xié)議族和實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜客戶端功能，需要較大的程序存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，所以采用了美國 Silicon Laboratories 公司的 8 位 C8051F340 微控制器，它自帶 64KB 的 FLASH ROM，256+4K 字節(jié)的 RAM 和外部并口數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 XRAM，免去了擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器的麻煩。為了有較大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)來存放接收的和發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)，需要外部擴(kuò)展 32KB 的 SRAM 62256。這兩種芯片的選用，主要為TCP/IP協(xié)議族的嵌入提供條件和保證提供較大的數(shù)據(jù)處理空間。　　C8051F340微控制器內(nèi)置的64kB非易失性Flash存儲(chǔ)器。可以通過并口方式與MCU連接。在程序中用來存儲(chǔ)嵌入式客戶端的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置（IP 地址、子網(wǎng)掩碼、默認(rèn)網(wǎng)關(guān)、物理地址）等。以太網(wǎng)控制器 CP220X 這一重要部件主要完成向以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)和從以太網(wǎng)接收數(shù)據(jù)。它內(nèi)置的脈沖變壓器可以與外接RJ45接口直接相連，以便對以太網(wǎng)上的脈沖進(jìn)行轉(zhuǎn)換和濾波。使用雙絞線作為傳輸介質(zhì)，通過RJ45 接口可以將系統(tǒng)連接到待測試的端口，并接人以太網(wǎng)，也可以直接連到 PC 微機(jī)上。RS232 接口使用 DB 9 公頭，用于連接 PC 機(jī)進(jìn)行工作參數(shù)設(shè)置。串行口的波特率設(shè)置為 38400波特，數(shù)據(jù)格式為無奇偶校驗(yàn)位，8 位數(shù)據(jù)，1位停止位。本文的嵌入式系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖24所示[59]。圖24 嵌入式客戶端的硬件實(shí)現(xiàn)圖 本章小結(jié)本章從比較嵌入式客戶端與嵌入式服務(wù)器的異同入手，研究了本課題的重點(diǎn)嵌入式以太網(wǎng)測試功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)；隨后，討論了嵌入式系統(tǒng)硬件選型的基本原則、微控制器核心和以太網(wǎng)控制器等選型問題；最后，介紹了C8051F340開發(fā)板的特點(diǎn)。第三章　嵌入式以太網(wǎng)測試的設(shè)計(jì)本章將詳細(xì)研究嵌入式客戶端各種以太網(wǎng)測試功能的設(shè)計(jì)。其中，設(shè)計(jì)方法采用在嵌入式領(lǐng)域常用且比較成熟的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法。首先，介紹本章所使用的軟件設(shè)計(jì)方面的知識(shí)基礎(chǔ)；然后，具體討論嵌入式以太網(wǎng)以太網(wǎng)測試功能的七個(gè)模塊。 軟件設(shè)計(jì)知識(shí)概要眾所周知，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)過程中，必須遵從信息的隱蔽性和模塊獨(dú)立性兩個(gè)基本的原則。由于結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法能夠很好地遵從這兩個(gè)原則，因此，對這些功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，本文將采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法，軟件設(shè)計(jì)中主要設(shè)計(jì)方法之一。在研究本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)之前，首先對結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法的一些相關(guān)知識(shí)做一簡要介紹。結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法是在模塊化、自上而下逐層細(xì)化、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)等軟件設(shè)計(jì)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。該方法的實(shí)施過程如下：1．總結(jié)出系統(tǒng)應(yīng)有的功能，對每個(gè)功能，從功能的完成過程考慮，將各個(gè)過程列出來，并標(biāo)識(shí)出過程轉(zhuǎn)向和傳遞的數(shù)據(jù)。從而將所有的過程都繪制出來。2．細(xì)化數(shù)據(jù)流，確定必須記錄的數(shù)據(jù)。3．分析各個(gè)過程之間的耦合關(guān)系，對模塊進(jìn)行合理的劃分以降低它們之間的耦合性，提高它們之間的內(nèi)聚性。一般而言，可以使每個(gè)模塊都具有信息內(nèi)聚性。應(yīng)用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)將以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的形式表示出來。結(jié)構(gòu)圖著重反映系統(tǒng)中各個(gè)模塊之間的調(diào)用關(guān)系和層次關(guān)系。與數(shù)據(jù)流圖反映數(shù)據(jù)流的情況不同，結(jié)構(gòu)圖反映的是程序中控制流的情況。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中，可能出現(xiàn)四種類型的模塊，它們分別是傳人模塊、傳出模塊、變換模塊和協(xié)調(diào)模塊。組成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的主要成分也有四個(gè)部分：模塊、模塊間的調(diào)用關(guān)系、模塊間的通信和輔助控制符號等。常用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖主要有變換型、事務(wù)型和變換事務(wù)混合型三種。本文嵌入式以太網(wǎng)測試功能將研究PING 命令、TRACEROUTE 命令和IP 地址自動(dòng)獲取等三種主要內(nèi)容。按照結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法的思路，將本嵌入式客戶端系統(tǒng)劃分為系統(tǒng)主控模塊、系統(tǒng)初始化模塊、定時(shí)中斷模塊、鍵盤驅(qū)動(dòng)模塊、以太網(wǎng)控制驅(qū)動(dòng)模塊、TCP/IP協(xié)議模塊、應(yīng)用層模塊、LCD驅(qū)動(dòng)模塊、串行通信模塊等九個(gè)模塊。在這些模塊中，系統(tǒng)主控模塊、定時(shí)中斷模塊、以太網(wǎng)控制驅(qū)動(dòng)模塊、TCP/IP協(xié)議模塊、應(yīng)用層模塊、串行通信模塊等是主要模塊。從下節(jié)開始,重點(diǎn)研究這些主要模塊的軟件設(shè)計(jì)問題。 系統(tǒng)主控模塊的設(shè)計(jì)本嵌入式系統(tǒng)主控模塊的功能是控制整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，系統(tǒng)不僅要完成與以太網(wǎng)控制器的交換信息，而且還要完成產(chǎn)生一個(gè)基本的系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)拍、對串行通信中斷進(jìn)行處理、定時(shí)重傳、定時(shí)更新等任務(wù)。為了統(tǒng)一管理這些任務(wù)，按照事件驅(qū)動(dòng)的思想，為每個(gè)重要事件都設(shè)置一個(gè)標(biāo)識(shí)。每個(gè)事件的標(biāo)識(shí)的置位與否是通過中斷方式來實(shí)現(xiàn)的。由于中斷方式的效率要比查詢方式高得多，這使得系統(tǒng)能夠在這些重要事件發(fā)生時(shí)，及時(shí)設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)識(shí)，從而提高了系統(tǒng)對事件處理的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。在嵌入式系統(tǒng)上電復(fù)位并對系統(tǒng)進(jìn)行初始化后，系統(tǒng)主控模塊進(jìn)入主循環(huán)體，以查詢方式檢查每個(gè)事件的標(biāo)識(shí)。如果某事件的標(biāo)識(shí)被置位，則表明該事件已經(jīng)發(fā)生了，于是，在清除該標(biāo)識(shí)后，進(jìn)入該事件的處理模塊進(jìn)行相關(guān)的處理。下面首先來研究系統(tǒng)主控模塊的總體設(shè)計(jì)問題。 系統(tǒng)主控模塊的總體設(shè)計(jì)在本嵌入式系統(tǒng)中，重要的事件有1毫秒定時(shí)節(jié)拍、25毫秒定時(shí)節(jié)拍、以太網(wǎng)控制器收到新數(shù)據(jù)幀、ARP重傳、ARP緩存表更新、PING命令啟動(dòng)、TRACEROUTE命令啟動(dòng)、DHCP命令啟動(dòng)等。其相應(yīng)的事件標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)定義如表31所示。表31　重要事件及其標(biāo)識(shí)符定義與觸發(fā)源事件名稱事件標(biāo)識(shí)符事件觸發(fā)源1毫秒定時(shí)節(jié)拍TF0當(dāng)TH0=TL0=0時(shí)觸發(fā)25毫秒定時(shí)節(jié)拍TF2H當(dāng)TMR2=0時(shí)觸發(fā)以太網(wǎng)控制器收到新數(shù)據(jù)幀EVENT_ETH_ARRIVED以太網(wǎng)控制器觸發(fā)ARP重傳EVENT_ARP_RETRANSMITARP緩存表更新EVENT_AGE_ARP_CACHEPING命令啟動(dòng)EVENT_PING_STARTKey1鍵按下觸發(fā)TRACEROUTE命令啟動(dòng)EVENT_TRACEROUTE_STARTKey2鍵按下觸發(fā)DHCP命令啟動(dòng)EVENT_DHCP_STARTKey3鍵按