2023年02月01日 | DM9000AE工作原理 以太网接口电路设计

文章主要介绍了一个基于三星ARM9芯片S3C2440嵌入式系统的以太网接口电路设计方案，采用了工业级以太网控制器DM9000AEP成功实现了嵌入式系统网络数据交换。论文在重点阐述了网络接口电路基础之上，对Windows CE系统控制软件部分DM9000AEP的驱动程序和注册表项进行了具体分析。

随着微电子技术和计算机技术的发展，嵌入式技术得到广阔的发展，已成为现代工业控制、通信类和消费类产品发展的方向。以太网在实时操作、可靠传输、标准统一等方面的卓越性能及其便于安装、维护简单、不受通信距离限制等优点，已经被国内外很多监控、控制领域的研究人员广泛关注，并在实际应用中展露出显着的优势。本文提出了一种基于DM9000AE网络接口芯片和32位三星ARM9处理器S3C2440嵌入式系统的以太网接口的设计方案，并在Windows CE操作系统上开发移植了网络驱动程序实现网络的接入。

2. DM9000AE工作原理

2.1 DM9000的主要特性和总体结构

DM9000AE是DEVICOM（台湾联杰国际）研发的一款10/100M快速以太网控制芯片。DM9000AE实现以太网媒体介质访问层（MAC）和物理层（ PHY）的功能，包括MAC数据帧的组装/拆分与收发、地址识别、CRC编码/校验、MLT-3编码器、接收噪声抑制、输出脉冲成形、超时重传、链路完整性测试、信号极性检测与纠正等。DM9000AE内部逻辑结构如图1所示。

DM9000AE具有以下主要性能：①48管脚的LQFP封装，管脚少体积小；②支持8/16位数据总线；③适用于10Base-T和100Base-T，10/100M自适应，适应不同的网络速度要求，④内置16KB的SRAM，用于收发缓冲，降低对主处理器的速度要求；⑤支持IP /TCP /UDP加速，减轻了CPU负担，提高网络速度；⑥支持Back pressure半双工流量控制，与IEEE802.3u兼容，支持IEEE802.3x全双工流量控制；⑦20ns响应时间，2.5V/3.3V低功耗。

图1 DM9000AE内部逻辑结构

2.2 工作原理

DM9000AE可与微处理器以8 bit或16 bit的总线方式连接，并可根据需要以单工或全双工等模式运行。在系统上电时，处理器通过总线配置DM9000AE内部网络控制寄存器 （NCR）、中断寄存器（ISR）等，完成DM9000AE的初始化。随后DM9000A进入数据收发等待状态。

当处理器要向以太网发送数据帧时，先将数据打包成UDP或IP数据包，并通过8 bit或16bit总线逐字节发送到DM9000A的数据发送缓存中，然后将数据长度等信息填充到DM9000AE相应寄存器内，随后发送使能命令，DM9000AE将缓存的数据和数据帧信息进行MAC组帧，并发送出去。

当DM9000AE接收到外部网络送来的以太网数据时，首先检测数据帧的合法性，如果帧头标志有误或存在CRC校验错误，则将该帧数据丢弃，否则将数据帧缓存到内部RAM，并通过中断标志位通知处理器，处理器收到中断后对DM9000AE接收RAM的数据进行处理。

DM9000AE自动检测网络连接情况，根据网速设置内部的数据收发速率为10Mb/s或100 Mb/s。同时，DM9000AE还能根据RJ45接口连接方式改变数据收发引脚的方向，因此无论外部网线是采用对等还是交叉方式，系统均能正常通信。

3.网络接口硬件电路设计

在嵌入式系统中增加以太网接口，通常由如下两种方法实现。第一种方法采用带有以太网接口的嵌入式处理器。这种方法要求嵌入式处理器有通用的网络接口，通常这种处理器是面向网络应用而设计的，通过内部总线的方法实现处理器和网络数据的交换。另一种方法采用嵌入式处理器＋网卡芯片结构。这种方法对嵌入式处理器没有特殊要求，只要把以太网芯片连接到嵌入式处理器的总线上即可。此方法通用性强，不受处理器的限制，但是，处理器和网络数据交换通过外部总线交换数据［3］。

本设计采用的是S3C2440这款通用的嵌入式微处理器上扩展以太网接口的方式，即第二种方式。S3C2440A处理器与DM9000AE连接的结构如图2所示，DM9000AE通过总线与处理器相连，中断与处理器外部中断相接。

图2 S3C2440A处理器与DM9000AE连接的结构

DM9000AE以太网接口电路如图的连接如图3所示。处理器利用片选DM_CS和地址线BADDR分别连接DM9000AE芯片的CS引脚和CMD引脚，S3C2440的数据线BDATA［15:0］与DM9000AE的数据线SD［15:0］连接，用来实现DM9000与S3C2440之间的数据传输；S3C2440的DM_IOR引脚连接DM9000AE的读引脚IOR#，DM_IOW引脚连接DM9000AE的写引脚IOW#；同时，DM9000AE占用S3C2440的中断引脚EINT7，使得S3C2440能够响应DM9000AE的中断。DM9000AE与网络的连接由接收信号线RX+、RX-和发送信号线TX+、TX-通过隔离变压器E-2023与以太网水晶接头RJ_45相连。隔离变压器的主要作用是将嵌入式系统与外部线路相隔离，防止干扰和烧坏元器件，实现带电的插拔功能。

图3 以太网接口电路

4.网络接口模块的软件设计

本系统采用Windows CE操作系统，具有强大的网络支持功能，Windows CE支持包括TCP / IP在内的Internet的所有网络协议。Windows CE的网络驱动程序都遵循NDIS（Network Driver Interface SpecificaTIon，网络驱动接口规范），NDIS提供了两个抽象层，用来把网络驱动程序和协议栈相连。NDIS模型的示意图图4所示。

图4 NDIS模型的示意图

DM9000AE在Windows CE下的驱动程序就是基于这个模型而编写，被编译成动态链接库，以用户态下的DLL文件形式存在。入口函数为DriverEntry（）。DM9000驱动的工作流程如图5所示。

NdisMIniTIalizeWrapper（）函数的作用是通知NDIS 一个小端口网卡正在被初始化，此函数在ndis.dll中提供。然后对NDIS40_MINIPORT_CHARACTERISTICS结构体变量初始化，主要是设置一些回调函数（MiniporTInitialize（），MiniportReset（），MiniportInterruptHandler（），MiniportISRHandler（），MiniportQueryInformation（），MiniportSetInformation（），MiniportSend（）。接着就是通过NdisMRegisterMiniport（）函数利用NDIS40_MINIPORT_CHARACTERISTICS这个结构体向NDIS系统进行注册。再接下来就是MiniportInitialize（），在其中有NIC_DRIVER_OBJECT类的初始化，以及该类的EDriverInitialize（）函数调用，在此函数中全面展开了dm9000的所有初始化操作。

对DM9000的所有初始化操作的实现在dm9000.cpp文件中，主要也是通过DeviceEntry（）这个函数来实现。在DeviceEntry（）这个函数中只做了一件事：new了一个C_DM9000类的实例并return。紧接着就是C_DM9000的实例通过DeviceSetDefaultSettings（）；DeviceSetEepromFormat（）；DeviceRetriveConfigurations（hconfig）；EDeviceValidateConfigurations（）等等对DM9000AE进行的一系列初始化操作。然后NIC_DRIVER_OBJECT指向DriverStart（），在DriverStart（）中C_DM9000只进行了一个非常简单但最重要的操作就是它在此DeviceEnableInterrupt（）启动了中断，接下来就是无休止的等待、接收、发送，DM9000就此开始工作了。

图5 DM9000驱动的工作流程

在完成了驱动程序之后，我们还需要在Platform.reg文件中对DM9000的注册表项进行相应的设置：

[HKEY_LOCAL_MACHINECommDM9000]

"DisplayName"="Crystal DM9000 ISA Ethernet Controller"

"Group"="NDIS"

"ImagePath"="DM9000.DLL"

[HKEY_LOCAL_MACHINECommDM9000Linkage]

"Route"=multi_sz:"DM90001"

[HKEY_LOCAL_MACHINECommDM90001Parms]

"BusNumber"=dword:0

"BusType"=dword:0

"InterruptNumber"=dword:3E

"IoBaseAddress"=dword:D3000000

"RxMode"="PIO"

"NetworkAddress"="00-01-33-33-33-33"

[HKEY_LOCAL_MACHINECommDM90001ParmsTcpIp]

"EnabLEDHCP"=dword:0

"DefaultGateway"="192.168.126.1"

"UseZeroBroadcast"=dword:0

"IpAddress"="192.168.126.100"

"Subnetmask"="255.255.255.0"

"DNS"="192.168.126.1"

[HKEY_LOCAL_MACHINECommTcpipLinkage]

"Bind"=multi_sz: "ppp", "DM90001"

将设计的模块与本地局域网连通，并分配MAC地址和IP地址，利用PC的PINg程序，得到回应，说明ARP、IP、ICMP协议正常。利用自己编写的基于windows的应用程序，向模块发送连接请求，模块返回正确的应答信息，TCP协议正常。