摘 要：主要介紹基于AT91RM9200處理器的以太網接口模塊設計，給出基于網絡芯片RTL8019AS的系統外圍接口相關器件選型。在硬件設計的基礎上，給出了詳細的編程思想、工作流程以及部分關鍵代碼。在此設計方案下，完全可以實現通過以太網進行通信，達到嵌入式模塊之間實時控制的目的。
關鍵詞：AT91RM9200；以太網；RTL8019AS；嵌入式模塊
0 引 言
在Internet飛速發展的今天，網絡已經滲透到生活的方方面面，與網絡的結合已經成為嵌入式系統發展的必然趨勢。目前，ARM微處理器已經在多個領域中得到應用，各種基于ARM微處理器的設備應用數量已經遠遠超過了通用計算機，基于ARM微處理器的開發應用正成為數字時代的技術潮流。
l AT91RM9200簡介
AT91RM9200是Atreel公司開發的基于ARM920T核的高性能，低功耗16／32位RISC微處理器，內部集成豐富的外設資源與外設接口，從而為低功耗，低成本，高性能的計算機應用提供了一個單片解決方案。適用于要求外設資源豐富，功耗低，工作穩定的工業控制等方面。
AT91RM9200微處理器最高主頻為180 MHz，其雙向、32位外部數據總線支持8／16／32位數據寬度，26位地址總線可以對最大64 MB空間進行尋址。片內集成了非常豐富的外圍功能模塊，包括內存管理單元(MMU)、內部包含16 KB的SRAM和128 KB的ROM，16 KB的數據緩存以及16 KB的指令緩存。其外部總線接口控制器(EBI)，支持SDRAM，靜態存儲器，Burst FLASH以及Compact FLASH。為了提高系統性能還擴展了以下外設；增強的時鐘發生器與電源管理控制器(PMC)；系統定時器(ST)；實時時鐘(RTC)；高級中斷控制器(AIC)；4個32位PIO控制器；20通道的外設數據控制器(PDC)；10／100兆Base-T型以太網卡接口；4個通用同步／異步串行收發器(UASRT)以及JTAG／ICE接口等。
2 最小系統設計
硬件系統設計是嵌入式系統設計的基礎，ARM系統硬件平臺主要分為兩部分：一部分為基于ARM處理器的最小系統；另一部分為外圍擴展電路。系統只有在硬件最小系統調試穩定的基礎上，才能靈活、輕松地擴展出其他外圍應用，所以最小系統是保證微處理器可靠工作所必須的基本電路。基于AT91RM9200微處理器的最小系統由微處理器、電源電路、時鐘電路、復位電路、JTAG接口、存儲器模塊、串行調試接口等電路組成。
2．1 電源電路設計
在系統中AT91RM9200需要1．8 V和3．3 V電源，另外，大部分外圍器件需要3．3 V電源，小部分外圍器件還需要5 V電源，假設輸入電壓為5 V直流穩壓電源。為了得到可靠的3．3 V電壓，此處選用的電壓轉換芯片是NCPlll7ST33T3，它的輸入電壓為5 V，輸出電壓為3．3 V，最大輸出電流為0．8 A。同樣，為了得到可靠的1．8 V電壓，選用NCPlll7STl8T3，它的輸入電壓為5 V，輸出電壓為1．8 V，最大輸出電流為0．8 A。由于3．3 V和1．8 V屬于NCPlll7系列的2個固定輸出電壓，所以設計比較簡單，只需要在電路中與芯片并聯2個典型值為10 tLF、的濾波電容即可。
2．2 時鐘電路設計
時鐘電路為AT91RM9200和其他外設電路提供工作時鐘。處理器內部帶有鎖相環電路，所以外接頻率比較低的晶體振蕩器，該設計用晶體振蕩器Y1(20 MHz)作為系統的主時鐘振蕩器。處理器內部還帶有實時時鐘電路，還需要外接32．768 kHz的晶體振蕩器。振蕩器產生的主時鐘和慢時鐘經過微處理器內部2個鎖相環后，產生系統所需的各種主時鐘、外設時鐘以及USB器件工作時鐘。
2．3 復位電路設計
AT91RM9200有2個獨立的復位信號，即系統復位信號NRST與調試復位信號NTRSI，都是低電平有效。系統上電后，AT91RM9200必須執行一個上電復位，在過渡狀態下，它的強制復位信號為低，直到電源電壓和振蕩器工作頻率穩定為止。此外，NRST和NTRST還可以手動復位，以方便用戶調試程序。該設計中選用的復位芯片是MAX811，再加上一個手動按鍵，當工作電壓低于3 V或手動復位輸入引腳被拉低時處理器復位。
2．4 存儲器模塊設計
存儲器模塊包括NOR FLASH存儲器和SDRAM存儲器。
NOR FLASH存儲器用于存儲系統運行所需的程序和重要數據，即使掉電，程序和數據也不會丟失。該設計中所用芯片是Atmel公司生產的AT49BNl614T，以保持與AT91RM9200的兼容性，其存儲容量為2 MB，工作電壓為3．3 V，采用56引腳TSOP封裝，具有16位數據寬度。AT91RM9200需要以下引腳與之對應相連：A[1：21]，D[0：15]，NCSO／BFCS，NRST，BFRDY，BFWE，BFOE。
SDRAM存儲器的作用是存放系統運行時的程序和數據，掉電后該部分程序和數據會丟失。設計中使用兩片數據寬度為16位的SDRAM并為一個具有32位數據寬度的SDRAM模塊，以充分發揮微處理器32位數據寬度的高性能。設計所使用的芯片是HY57V561620，其存儲容量為32 MB，工作電壓為3．3 V，采用54引腳TSOP封裝，16位數據寬度，支持自動刷新和自刷新。AT91RM9200需要以下引腳與HY57V561620對應相連：D[0：31]，A[2：11]，A[13：14]，NBS0，N：BSl，NBS2，NBS3，SDCKE，SDCK，SDCS，RAS，CAS，SDWE。這里特別注意：A12引腳不使用。
2．5 JTAG接口電路設計
JTAG是一種國際標準測試協議，主要用于芯片內部測試及對系統進行仿真、調試，是開發、調試嵌入式系統的一種簡潔高效的手段。它有兩種接口標準：14針接口和20針接口。該設計中選擇20針接口標準。JTAG調試接口設計是否標準，直接影響到硬件平臺是否能夠連接ARM仿真器。所以在設計時，有以下幾點需要注意：
(1)盡可能按照標準的20針接口設計。如果設計成14針接口，一定要嚴格按照14針接口對應于20針接口的對應關系來設計。
(2)nTRST和nRESET、引腳不用時，要用10 kΩ的電阻拉高，否則JTAG上這兩個引腳的信號不確定，會造成ARM調試器不能正常連接目標系統。
(3)JTAG上輸出的信號都要用10 kΩ的電阻拉高。
2．6 UART、串行接口電路設計
AT91RM9200的UASRT作為同步／異步串行接口，在調試狀態下作為調試串口；在正常工作狀態下為一般串行口使用，可以通過RS 232實現與其他設備的通信。該設計中的UART、接口芯片是MAX3232，其工作電壓為3．3 V，16引腳SOIC封裝。其最為簡單且常用的是三線制接法，即地線，接收數據線和發送數據線三腳對應相連。
在完成以上幾部分電路設計后，基于AT91RM9200的嵌入式系統就具有了安全可靠的工作條件，也為下面的擴展以太網接口設計打下了良好的基礎。
3 以太網接口設計
在ARM系統中，以太網接口是與遠程機進行通信及調試的基礎，還可以進行內部局域網和互聯網間的通信。而基于ARM的系統若沒有以太網接口，其應用價值就會大打折扣。因此，就整個嵌入式系統而言，以太網接口電路是必不可少的，但同時也是相對復雜的。
從硬件的角度看，以太網接口電路主要由MAC控制器和物理層接口(PHY)兩大部分構成。該設計中所用到的以太網接口芯片RTL8019AS，其內部結構包含這兩部分。RTL8019AS是一款高集成度的以太網控制芯片，具有8／16位總線模式，集成了IEEE802．3協議標準的MAC層和PHY層的性能，與NE2000相兼容，支持以太網全雙工通信方式；支持UTP，AUI和BNC自動檢測，支持16位I／O基本地址選項和額外I／O地址輸入／輸出完全解碼方式；支持存儲器瞬時讀寫，收發可同時達到10 Mb／s的速率，內置16 KB的SRAM，可以方便地與微處理器進行連接。它支持多種嵌入式處理器芯片，內置有FIFO緩存器用于發送和接收數據。
3．1 以太網接口工作原理
使用RTL8019AS作為以太網的物理層接口，它的基本工作原理是：在收到由主機發來的數據包后，偵聽網絡線路。如果線路忙，它就等到線路空閑為止，否則，立即發送該數據幀。在發送過程中，首先為數據包添加幀頭(包括前導字段和幀開始標志)，然后生成CRC校驗碼，最后將此數據幀發送到以太網上。
在接收過程中，它將從以太網收到的數據包在經過解碼、去幀頭和地址校驗等步驟后緩存在片內。在CRC校驗通過后，它會根據初始化配置情況，通知RTL8019AS收到了數據包。最后，用某種傳輸模式(I／O模式、Memory模式、DMA模式)傳到ARM系統的存儲區中。
3．2 硬件電路設計
用RTL8019AS芯片設計的以太網控制器相關電路，可以通過RJ45連上以太網，在判斷網卡芯片是否工作正常時，有兩個依據，一是看狀態指示LED是否有閃爍；二是用專用網絡監聽工具軟件進行監聽。在本設計中用兩個LED指示燈表示接收和發送狀態，當有網絡連接且收發數據包時，LED閃爍。此外，網卡芯片單獨不能工作，還必須有一個網絡變壓器在RJ45接口和網卡芯片中間進行電平轉換，該設計中所用的電平轉換器是20F001N。另外要特別注意，由于RTL8019AS的復位引腳是高電平有效，而AT91RM9200的NRST引腳是低電平有效，所以不能直接將兩個引腳進行連接。該設計所用的解決方法是：在兩引腳間加上一個共發射極的三極管，利用它的反相作用，來達到兩個復位引腳間的電平匹配。同時，為了提高數據的傳輸速率，需要將網卡芯片設計成16位的數據通道，這就要求將RTL8019AS的IOCSl6B引腳用電阻上拉來達到設計目的。RTL8019AS與AT91RM9200進行連接還需要以下引腳：NOE，NEW，NCS2，D[O：15]，一條中斷線IRQ0以及地址線A[O：4](設計RTL8019AS的I／O基地址為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，硬件電路已經設計完畢，整個電路的結構框圖如圖1所示。
4 軟件設計
4．1 以太網口初始化
初始化第一步是復位以太網口。以太網口復位分為硬件復位和軟件復位。硬件復位通過給RTL8019AS的RESET引腳發送一個復位脈沖；軟件復位通過寫端口達到復位，也就是給18～1F之間的任意一個寄存器寫入任意一個數，就使得以太網口復位。第二步是設置一些寄存器的初始值，寄存器保存本機的物理地址，只有和寄存器保存的物理地址相同的以太網幀才被接收(RCR寄存器中PRO=O)。
以太網口第一次復位必須是硬件復位，硬件復位以后要經過大約10 ms的等待才能對以太網口操作，特別是發送和接收操作。
4．2 以太網口存儲及初始化
RTL8019AS內部RAM地址范圍從0x0000～0x7FFFF，其中0x4000～Ox7FFF用作接收和發送緩沖區。緩沖區是按頁管理的，256 b為一頁，這樣接收發送緩沖頁面是0x40～0x7F。發送緩沖區的起始頁在TPSR寄存器中設置，接收緩沖區的起始頁在PSTART寄存器中設置，PSTART實際上也表明了發送緩沖區的結束頁。接收緩沖區的結束頁是PSTOP。所以發送緩沖區的頁從TPSR到PSTART-1，接收緩沖區的頁從PSTART到PSTOP-1。一般設置如下：
使發送緩沖區可以容納下兩個最大以太網幀(最大為1 514 B)，第一個幀放在SEND_START_PAGEO起始頁，第二個幀放在SEND_START_PAGE1起始頁，剩下的緩沖區都作為接收緩沖區。
RTL8019AS內部RAM是雙口 RAM，因為它要支持兩個獨立的操作：一個是用戶CPU讀取RAM中的內容，對這個操作RTL8019AS提供一個讀寫口，也就是寄存器中的Remote DMA Port；另一個是RTL8019AS內部控制電路把從網絡接收的數據寫入RAM中，這時RAM稱為Local DMA。RTL8019AS通過Local DMA寫入RAM是不需要用戶干涉的，它通過Remote DMA Port讀寫RAM。
讀RAM見RTLReadRam函數，代碼如下：
這個函數表示從address開始讀取size個字節的內容到buff指向的內存中。設置CR寄存器指令為：writereg(cr，(0x00 | er_remote_read | cr_start_com-mand))；然后從Remote DMA Port讀取size次，就得到所需的數據。
寫RAM函數，操作基本上和讀RAM函數差不多，只要將最后一步的讀size次改成寫size次就可以。
4．3 發送數據包
發送數據包的基本步驟如下：
(1)首先將發送的起始頁，一般是發送緩沖區內的頁(Ox40~Ox4b)，寫入StartPage變量中。將要發送的數據寫入地址為StartPage<<8開始的緩沖區中，然后等待上一次發送結束。對于過大或者過小的數據包，不發送；對于過小的幀，在發送時要填充。
TPSR為發送起始寄存器，將StartPage寫入TPSR寄存器，高字節寫入TBCRH(TBCRl)，低字節寫入TBCRL(TBCRO)。當寫發送命令時，RTL8019AS將從TPSR<<8地址開始發送size個字節的數據。
(2)發送數據幀：發送緩沖區可以存儲2個最大的以太網幀，一個起始頁為SEND_START_PAGEO，另一個起始頁SEND_START_PAGEl，兩個交替使用。發送數據幀時，CR寄存器設置為：writereg(cr，((prepage&OxCO)|cr_abort_compile_dma|cr_txp |cr_start_command]))；發送數據包函數代碼如下：
4．4 接收數據包
接收數據包的步驟如下：
(1)接收緩沖操作。當RTL8019AS接收到一個數據包后，自動將接收的數據包放到CURR頁。如果一頁放不下，則CURR加1；如果CURR=接收結束頁，則CURR自動變成接收開始頁，繼續寫入接收的數據。
(2)用戶讀取接收數據包。RTL8019AS通過Local DMA把接收的數據寫入接收緩沖區，并自動改變CURR和識別緩沖區的界限，這些都不需要用戶干預。
當一個無錯的數據接收完畢，則觸發中斷處理函數。然后讀取數據包到分配的內存，可以從接收字節計數器中得知讀取數據。這里要處理一種情況：如果接收的數據包存儲不是連續的，在這種情況下要分2次才能讀取1個完整的數據包，判斷是否存儲不連續的條件是：
bnry>Head[1]＆＆Head[1]!=RECEIVE_START_PAGE
其中：bnry是這個包的起始頁；Head[1]是下一個包的起始頁。
接收數據包函數與發送數據包函數相似，只需要修改相應寄存器配置即可。然后將接收的數據寫入網絡接口層的輸入隊列，如果寫入失敗則釋放內存。寫入后上層協議將提取這個數據包。最后網卡通過中斷控制器向ARM響應中斷，中斷完畢清除中斷標志。
5 結 語
ARM微處理器正以其極好的性價比和極低的功耗，與其他體系結構的微處理器進行激烈的競爭，其應用將進一步深入到各行各業。可以預測，在將來的一段時期內，ARM微處理器將成為32位微處理器市場的統治者。了解、學習、掌握和應用ARM微處理器技術很有必要，也非常重要。在ARM系統采用高性能的以太網控制器，系統通信和調試快速、可靠，具有很高的實時性。該設計構造一個基于以太網的嵌入式系統的應用，該接口模塊的主要任務是完成與外界的信息交互，以達到網絡監控的目的。在實際應用中，它運行穩定，能夠十分方便地實現網絡互連。該系統已在視頻監控光端機上得到成功應用，傳輸速度相當于PC機的10兆網口。