摘要：當(dāng)今，以太網(wǎng)技術(shù)也逐步的向工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)軍，推行以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用給我們的生活、學(xué)習(xí)等方面都帶來了非常大的便利，而嵌入式系統(tǒng)對和以太網(wǎng)互聯(lián)是未來嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的主要方向和熱門領(lǐng)域?；诖吮疚膶η度胧揭蕴W(wǎng)系統(tǒng)中的DSP 設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)展開討論。

　　0 引言

　　隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，以太網(wǎng)技術(shù)也變得越來越普及化、成熟化，因?yàn)橐蕴W(wǎng)技術(shù)自身具有開放性的特點(diǎn)，這也使得其在工業(yè)自動化領(lǐng)域被逐步使用到。同時嵌入式系統(tǒng)也取得了非常大的發(fā)展，很多的嵌入式設(shè)備都裝置了以太網(wǎng)接口，所以，就可以通過使用以太網(wǎng)把嵌入式系統(tǒng)有機(jī)的聯(lián)系起來，達(dá)到可以通過瀏覽器訪問設(shè)備的目的，從而為用戶提供一種通信方便、速度快、時間短的即時通信方式。

　　1 嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接入方法

　　1.1 PC 網(wǎng)關(guān)和專用網(wǎng)傳送方式

　　首先使用專門的網(wǎng)絡(luò)把幾個嵌入式設(shè)備聯(lián)系起來，然后在把此專用網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)連接起來，通過電腦把接受到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，并傳至互聯(lián)網(wǎng)中，達(dá)到資源共享的目的。在專用網(wǎng)中，每一個嵌入式設(shè)備的應(yīng)用程序中都有一個單獨(dú)存在的通信任務(wù)。嵌入式設(shè)備線提前對每個變量進(jìn)行定義，并把定義結(jié)果反饋到服務(wù)器中，并且，嵌入式設(shè)備可以對服務(wù)器所發(fā)布的命令進(jìn)行執(zhí)行，對設(shè)備中的變量進(jìn)行調(diào)整和控制。

　　此方案的優(yōu)缺點(diǎn)：

　?。?）優(yōu)點(diǎn)。此方案對于MCU 的系統(tǒng)工程師來說，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和接口都是非常熟悉的，不需要再對其進(jìn)行專門的熟悉，同時MCU 芯片在運(yùn)轉(zhuǎn)時，對存儲器的大小和設(shè)備的運(yùn)行速度沒有特別的要求，軟件設(shè)計(jì)過程中，不需要設(shè)計(jì)過多的接口程序，降低了軟件設(shè)計(jì)的工作量。

　?。?）缺點(diǎn)。此方案需要利用計(jì)算機(jī)對網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)化，當(dāng)嵌入式設(shè)備分布范圍比較大的時候，會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信布線的難度加大。并且，需要在計(jì)算機(jī)上面安裝專用的協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件，軟件需要從第三方開發(fā)商手中購買，價格非常貴。

　　1.2 RTOS 和嵌入式微控制器組合

　　在RTOS 操作平臺上利用32 為的單片機(jī)開發(fā)軟件，實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)自動進(jìn)行TCP/IP 協(xié)議的處理，當(dāng)前我國經(jīng)常使用到的操作系統(tǒng)主要有Linux、windowsCE、pSOS、vxworks、QNX、Nueleus 等。這些RTOS 操作平臺都各自具有不同的特點(diǎn)，其中windowsCE 和Linux 有比較好的圖形操作界面。此方案具有下面幾個缺點(diǎn)：

　　（1）因?yàn)槭褂脝纹瑱C(jī)價格比較的貴，系統(tǒng)的開發(fā)時間也很長。

　?。?）RTOS 開發(fā)軟件價格非常的貴，而且需要能力過硬的開發(fā)人員。

　?。?）RTOS 開發(fā)軟件和TCP/IP 協(xié)議是互通的，沒有比較高的針對性，會出現(xiàn)代碼冗余的情況。

　　1.3 虛擬軟件包+ 嵌入式控制器

　　此方案主要的主要是由嵌入式系統(tǒng)中固定TCP/IP 協(xié)議和MCU 構(gòu)成。系統(tǒng)可以直接連入以太網(wǎng)，硬件電路也不復(fù)雜，不過需要容量比較大的存儲器，假如，使用TCP/IP 協(xié)議的軟件是固化的，就也要求MCU 的運(yùn)行速度足夠快。

　　這一方案可以說是真正的達(dá)到了單片機(jī)系統(tǒng)和以太網(wǎng)連接的目的，完全可以直接使用計(jì)算機(jī)通過互聯(lián)網(wǎng)對單片系統(tǒng)進(jìn)行控制，同時單片機(jī)系統(tǒng)也可以直接把一些數(shù)據(jù)信息通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到計(jì)算機(jī)上。比如，單片機(jī)系統(tǒng)可以通過互聯(lián)網(wǎng)利用瀏覽網(wǎng)頁的方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程交換，可以對嵌入式設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控的效果。關(guān)于這一技術(shù)的使用有很多的例子，就不一一列舉了。

　　1.4 EMIT 協(xié)議+McU +emgateway 協(xié)議

　　使用EMIT 以太網(wǎng)技術(shù)和MCU 所使用的emnet 協(xié)議進(jìn)行結(jié)合，然后通過emGateway 和以太網(wǎng)進(jìn)行連接，EmGateway 這一網(wǎng)絡(luò)軟件可以在電氣服務(wù)器、電視機(jī)頂盒、電腦上面安裝，它對TCP/IP 協(xié)議是支持的，各個嵌入式設(shè)備中的應(yīng)用程序中都單獨(dú)存在一個通信任務(wù)。同時還可以對emGateway 中的命令進(jìn)行識別?？梢詫υO(shè)備中的變量進(jìn)行調(diào)整，對設(shè)備的一些操作進(jìn)行控制等。

　　1.5 網(wǎng)絡(luò)適配器+ 微處理器

　　使用網(wǎng)絡(luò)適配器和嵌入式微處理器結(jié)合的方法，可以使中低速微控制器為重心的嵌入式系統(tǒng)連入以太網(wǎng)，使用這種方法，只需要網(wǎng)絡(luò)接口芯片和微處理器進(jìn)行連接即可，系統(tǒng)就可以和以太網(wǎng)進(jìn)行通信。嵌入式控制器的的種類很多，既可以是DSP 芯片，也可以是各類中單片機(jī)。網(wǎng)絡(luò)接口芯片通常使用可以和網(wǎng)絡(luò)適配器兼容的專用芯片，且不同的芯片接口標(biāo)準(zhǔn)不同。

　　2 嵌入式系統(tǒng)接入以太網(wǎng)硬件的實(shí)現(xiàn)

　　嵌入式設(shè)備想要和以太網(wǎng)進(jìn)行連接，個要解決的問題就是系統(tǒng)和以太網(wǎng)之間的接口問題。如何將電腦上的網(wǎng)絡(luò)接口和嵌入系統(tǒng)連接起來就成了實(shí)現(xiàn)這一目的要點(diǎn)。因此，本文主要以DSP 芯片作為控制平臺，然后使用RTL8019 為網(wǎng)絡(luò)適配器來實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)連入以太網(wǎng)的目的。

　　2.1 嵌入式系統(tǒng)的硬件選擇方案

　　音頻信號采集前端是由前置放大濾波、MIC 音頻輸入、抗混疊被等電路構(gòu)成，音頻模擬信號通過使用DSP 的AD 收集通道進(jìn)行輸入。音頻信號通過DSP 對其進(jìn)行頻譜分析，然后把多次的諧波頻譜分析數(shù)據(jù)儲存到DARAM 中。以太網(wǎng)適配器93C46、RTL8011、信道隔離濾波器、RJ45 機(jī)構(gòu)構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)接口模塊。系統(tǒng)使用8 位數(shù)據(jù)總線93C46 用來對嵌入式系統(tǒng)中的物理地址、子網(wǎng)掩碼、IP 地址進(jìn)行儲存。

　　2.2 以太網(wǎng)適配器芯片的選取

　　以太網(wǎng)適配器芯片選擇Realtek 公司生產(chǎn)的RTL8019AS 芯片，在10M 的ISA 總線結(jié)構(gòu)構(gòu)成的以太網(wǎng)芯片中被普遍使用。和NE2000 兼容，支持即插即用。具備三級電源盒全雙工的控制特點(diǎn)。

　　RTLSO19 是經(jīng)常使用的網(wǎng)絡(luò)接口芯片，包含了24 位地址接口和16 位數(shù)據(jù)接口，其在使用過程中，可以在物理幀上使用幀起始定界符、幀頭、校驗(yàn)和等。Realtek 公司生產(chǎn)的控制器因?yàn)榫哂袃r格低、性能好的特點(diǎn)，而被普遍使用。其性能主要體現(xiàn)在：（1）在IEEE802.3、10BaseT、Ethemet11、10Bases 中被普遍使用。

　?。?）可以支持16 位、8 為數(shù)據(jù)總線（3）全雙工，在進(jìn)行收發(fā)時，速度可以達(dá)到10MBPs,同時又睡眠模式，可以減少功耗。（4）內(nèi)部置有16K 的SRAM,可以使用其來進(jìn)行緩沖的收發(fā)，減低對處理器速率的要求。（5）可以和雙絞線和同軸電纜進(jìn)行連接，同時可以對所連介質(zhì)進(jìn)行自行檢測。（6）100 腳的TQFP 封裝，縮小PCB 尺寸。

　　2.3 RTL8019 的構(gòu)造介紹

　　RTL8019 是由接受CRC 校驗(yàn)、發(fā)送cRc 校驗(yàn)、接收邏輯控制器、發(fā)送邏輯控制器、I/O 緩沖區(qū)、內(nèi)部總線構(gòu)成的，不同的模塊都通過相對應(yīng)的寄存器來進(jìn)行控制。構(gòu)成原理圖如圖1 所示。

　　3 軟件的設(shè)計(jì)方法

　　3.1 設(shè)計(jì)初始化數(shù)據(jù)

　　在進(jìn)行數(shù)據(jù)接收和傳送前首先要對RTL8019AS 芯片進(jìn)行檢查，并對其進(jìn)行數(shù)據(jù)初始化操作。從而使其可以進(jìn)入到需要的工作模式。對網(wǎng)卡進(jìn)行初始化操作就等于對寄存器進(jìn)行了初始化操作，從而建立出網(wǎng)絡(luò)接口收發(fā)的條件。接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)起始/結(jié)束頁的地址、設(shè)置數(shù)據(jù)寄存器DCR 的數(shù)據(jù)長度和FIFO 等、接收/ 發(fā)送配置寄存器、頁邊界指針BNRY、終端屏蔽寄存器IMR 是初始化數(shù)據(jù)的主要工作。同時初始化還有一個非常關(guān)鍵的作用是用來對網(wǎng)卡的物理地址進(jìn)行設(shè)置。

　　3.2 設(shè)計(jì)中端服務(wù)器程序

　　中端服務(wù)程序和數(shù)據(jù)接收程序是相互聯(lián)系的，需要兩者相互搭配著運(yùn)行，在網(wǎng)絡(luò)中有數(shù)據(jù)傳送過來時，在RTL8019AS 網(wǎng)絡(luò)控制芯片把首幀以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包全部接收后，就會自動開始CRC 校驗(yàn)，以此來提升中斷程序的處理效率。當(dāng)網(wǎng)卡完整的接收到一幀數(shù)據(jù)互，網(wǎng)卡接收計(jì)數(shù)器會增加1,同時向DSP 發(fā)送中斷請求。

　　DSP 收到網(wǎng)卡的中斷申請后，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行接收。如果CRC 產(chǎn)生錯誤，就會把收到的數(shù)據(jù)拋棄，同時不向DSP發(fā)送中斷請求。

　　3.3 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)接收程序

　　在主程序?qū)W(wǎng)卡進(jìn)行檢查時，如果接收計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)不是0時，就會把數(shù)據(jù)接收程序調(diào)用到網(wǎng)卡內(nèi)部的緩存中，對一幀的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，并把數(shù)據(jù)接收到主機(jī)中對其進(jìn)行處理。幀的接收過程主要有下面兩個環(huán)節(jié)。首先使用本地DMA 吧幀存放到接收緩存中，然后DMA 會遠(yuǎn)程的把緩存中所接收到的數(shù)據(jù)讀取到內(nèi)存中，也就是說對網(wǎng)絡(luò)上面的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行接收，同時把網(wǎng)卡中的緩存也接收到緩存中，再通過程序?qū)彺嬖诰彺嬷械膸M(jìn)行讀取，并將其存到內(nèi)存里面。

　　3.4 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)送程序

　　因?yàn)榫W(wǎng)卡在對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送時，首先要保證網(wǎng)卡的發(fā)送狀態(tài)為空閑時才可以進(jìn)行。通過使用在程序的主循環(huán)中的各個循環(huán)中多傳送一個數(shù)據(jù)包的辦法，來提升程序的工作效率。數(shù)據(jù)包在傳送的過程中，主要有以下三個步驟：首先對數(shù)據(jù)包進(jìn)行封裝，然后遠(yuǎn)程DMA 會把數(shù)據(jù)包傳送到網(wǎng)卡中的數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)，使用網(wǎng)卡上面的本地DMA 把數(shù)據(jù)傳送到FIFO,并將其輸送出去，使用網(wǎng)卡把數(shù)據(jù)輸送到數(shù)據(jù)傳送線上。

　　4 結(jié)語

　　綜上所述，文章通過在嵌入式系統(tǒng)上建立一個比較簡單的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接入的目的，同時通過詳細(xì)的對此設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹，對嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接原理、組成結(jié)構(gòu)、實(shí)施方法進(jìn)行詳細(xì)的講解并應(yīng)用，證明了嵌入式系統(tǒng)接入以太網(wǎng)是可行的。本文首先在開頭介紹幾類比較常見的網(wǎng)絡(luò)接入方法，然后詳細(xì)的對各種接入方法進(jìn)行探討研究，分析了各種方法的利和弊。然后根據(jù)嵌入式系統(tǒng)協(xié)議的特點(diǎn)，選擇了正確的TCP/IP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)辦法。對方案中提出的以RTL8019 為芯片的接入方法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，以及對軟件的詳細(xì)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了介紹。證明了嵌入式系統(tǒng)接入以太網(wǎng)的可行性，是應(yīng)該被大力推廣的。