嵌入式系统以太网接入中DSP 的设计与实现

　　摘要：当今，以太网技术也逐步的向工业领域进军，推行以太网技术在工业中的应用给我们的生活、学习等方面都带来了非常大的便利，而嵌入式系统对和以太网互联是未来嵌入式系统发展的主要方向和热门领域。基于此本文对嵌入式以太网系统中的DSP 设计和实现展开讨论。

　　0 引言

　　随着科学技术的不断发展，以太网技术也变得越来越普及化、成熟化，因为以太网技术自身具有开放性的特点，这也使得其在工业自动化领域被逐步使用到。同时嵌入式系统也取得了非常大的发展，很多的嵌入式设备都装置了以太网接口，所以，就可以通过使用以太网把嵌入式系统有机的联系起来，达到可以通过浏览器访问设备的目的，从而为用户提供一种通信方便、速度快、时间短的即时通信方式。

　　1 嵌入式系统的网络接入方法

　　1.1 PC 网关和专用网传送方式

　　首先使用专门的网络把几个嵌入式设备联系起来，然后在把此专用网络和计算机连接起来，通过电脑把接受到的数据进行转化，并传至互联网中，达到资源共享的目的。在专用网中，每一个嵌入式设备的应用程序中都有一个单独存在的通信任务。嵌入式设备线提前对每个变量进行定义，并把定义结果反馈到服务器中，并且，嵌入式设备可以对服务器所发布的命令进行执行，对设备中的变量进行调整和控制。

　　此方案的优缺点：

　　（1）优点。此方案对于MCU 的系统工程师来说，网络协议和接口都是非常熟悉的，不需要再对其进行专门的熟悉，同时MCU 芯片在运转时，对存储器的大小和设备的运行速度没有特别的要求，软件设计过程中，不需要设计过多的接口程序，降低了软件设计的工作量。

　　（2）缺点。此方案需要利用计算机对网关数据协议进行转化，当嵌入式设备分布范围比较大的时候，会导致网络通信布线的难度加大。并且，需要在计算机上面安装专用的协议转换软件，软件需要从第三方开发商手中购买，价格非常贵。

　　1.2 RTOS 和嵌入式微控制器组合

　　在RTOS 操作平台上利用32 为的单片机开发软件，实现嵌入式系统自动进行TCP/IP 协议的处理，当前我国经常使用到的操作系统主要有Linux、windowsCE、pSOS、vxworks、QNX、Nueleus 等。这些RTOS 操作平台都各自具有不同的特点，其中windowsCE 和Linux 有比较好的图形操作界面。此方案具有下面几个缺点：

　　（1）因为使用单片机价格比较的贵，系统的开发时间也很长。

　　（2）RTOS 开发软件价格非常的贵，而且需要能力过硬的开发人员。

　　（3）RTOS 开发软件和TCP/IP 协议是互通的，没有比较高的针对性，会出现代码冗余的情况。

　　1.3 虚拟软件包+ 嵌入式控制器

　　此方案主要的主要是由嵌入式系统中固定TCP/IP 协议和MCU 构成。系统可以直接连入以太网，硬件电路也不复杂，不过需要容量比较大的存储器，假如，使用TCP/IP 协议的软件是固化的，就也要求MCU 的运行速度足够快。

　　这一方案可以说是真正的达到了单片机系统和以太网连接的目的，完全可以直接使用计算机通过互联网对单片系统进行控制，同时单片机系统也可以直接把一些数据信息通过互联网发送到计算机上。比如，单片机系统可以通过互联网利用浏览网页的方式对数据进行远程交换，可以对嵌入式设备实现实时监控的效果。关于这一技术的使用有很多的例子，就不一一列举了。

　　1.4 EMIT 协议+McU +emgateway 协议

　　使用EMIT 以太网技术和MCU 所使用的emnet 协议进行结合，然后通过emGateway 和以太网进行连接，EmGateway 这一网络软件可以在电气服务器、电视机顶盒、电脑上面安装，它对TCP/IP 协议是支持的，各个嵌入式设备中的应用程序中都单独存在一个通信任务。同时还可以对emGateway 中的命令进行识别。可以对设备中的变量进行调整，对设备的一些操作进行控制等。

　　1.5 网络适配器+ 微处理器

　　使用网络适配器和嵌入式微处理器结合的方法，可以使中低速微控制器为重心的嵌入式系统连入以太网，使用这种方法，只需要网络接口芯片和微处理器进行连接即可，系统就可以和以太网进行通信。嵌入式控制器的的种类很多，既可以是DSP 芯片，也可以是各类中单片机。网络接口芯片通常使用可以和网络适配器兼容的专用芯片，且不同的芯片接口标准不同。

　　2 嵌入式系统接入以太网硬件的实现

　　嵌入式设备想要和以太网进行连接，个要解决的问题就是系统和以太网之间的接口问题。如何将电脑上的网络接口和嵌入系统连接起来就成了实现这一目的要点。因此，本文主要以DSP 芯片作为控制平台，然后使用RTL8019 为网络适配器来实现嵌入式系统连入以太网的目的。

　　2.1 嵌入式系统的硬件选择方案

　　音频信号采集前端是由前置放大滤波、MIC 音频输入、抗混叠被等电路构成，音频模拟信号通过使用DSP 的AD 收集通道进行输入。音频信号通过DSP 对其进行频谱分析，然后把多次的谐波频谱分析数据储存到DARAM 中。以太网适配器93C46、RTL8011、信道隔离滤波器、RJ45 机构构成了网络接口模块。系统使用8 位数据总线93C46 用来对嵌入式系统中的物理地址、子网掩码、IP 地址进行储存。

　　2.2 以太网适配器芯片的选取

　　以太网适配器芯片选择Realtek 公司生产的RTL8019AS 芯片，在10M 的ISA 总线结构构成的以太网芯片中被普遍使用。和NE2000 兼容，支持即插即用。具备三级电源盒全双工的控制特点。

　　RTLSO19 是经常使用的网络接口芯片，包含了24 位地址接口和16 位数据接口，其在使用过程中，可以在物理帧上使用帧起始定界符、帧头、校验和等。Realtek 公司生产的控制器因为具有价格低、性能好的特点，而被普遍使用。其性能主要体现在：（1）在IEEE802.3、10BaseT、Ethemet11、10Bases 中被普遍使用。

　　（2）可以支持16 位、8 为数据总线（3）全双工，在进行收发时，速度可以达到10MBPs,同时又睡眠模式，可以减少功耗。（4）内部置有16K 的SRAM,可以使用其来进行缓冲的收发，减低对处理器速率的要求。（5）可以和双绞线和同轴电缆进行连接，同时可以对所连介质进行自行检测。（6）100 脚的TQFP 封装，缩小PCB 尺寸。

　　2.3 RTL8019 的构造介绍

　　RTL8019 是由接受CRC 校验、发送cRc 校验、接收逻辑控制器、发送逻辑控制器、I/O 缓冲区、内部总线构成的，不同的模块都通过相对应的寄存器来进行控制。构成原理图如图1 所示。

　　

　　3 软件的设计方法

　　3.1 设计初始化数据

　　在进行数据接收和传送前首先要对RTL8019AS 芯片进行检查，并对其进行数据初始化操作。从而使其可以进入到需要的工作模式。对网卡进行初始化操作就等于对寄存器进行了初始化操作，从而建立出网络接口收发的条件。接收缓冲区的数据起始/结束页的地址、设置数据寄存器DCR 的数据长度和FIFO 等、接收/ 发送配置寄存器、页边界指针BNRY、终端屏蔽寄存器IMR 是初始化数据的主要工作。同时初始化还有一个非常关键的作用是用来对网卡的物理地址进行设置。

　　3.2 设计中端服务器程序

　　中端服务程序和数据接收程序是相互联系的，需要两者相互搭配着运行，在网络中有数据传送过来时，在RTL8019AS 网络控制芯片把首帧以太网数据包全部接收后，就会自动开始CRC 校验，以此来提升中断程序的处理效率。当网卡完整的接收到一帧数据互，网卡接收计数器会增加1,同时向DSP 发送中断请求。

　　DSP 收到网卡的中断申请后，进入中断服务程序，并对数据进行接收。如果CRC 产生错误，就会把收到的数据抛弃，同时不向DSP发送中断请求。

　　3.3 设计数据接收程序

　　在主程序对网卡进行检查时，如果接收计数器的数据不是0时，就会把数据接收程序调用到网卡内部的缓存中，对一帧的数据进行读取，并把数据接收到主机中对其进行处理。帧的接收过程主要有下面两个环节。首先使用本地DMA 吧帧存放到接收缓存中，然后DMA 会远程的把缓存中所接收到的数据读取到内存中，也就是说对网络上面的数据帧进行接收，同时把网卡中的缓存也接收到缓存中，再通过程序对缓存在缓存中的帧进行读取，并将其存到内存里面。

　　3.4 设计数据发送程序

　　因为网卡在对数据进行传送时，首先要保证网卡的发送状态为空闲时才可以进行。通过使用在程序的主循环中的各个循环中多传送一个数据包的办法，来提升程序的工作效率。数据包在传送的过程中，主要有以下三个步骤：首先对数据包进行封装，然后远程DMA 会把数据包传送到网卡中的数据发送缓冲区，使用网卡上面的本地DMA 把数据传送到FIFO,并将其输送出去，使用网卡把数据输送到数据传送线上。

　　4 结语

　　综上所述，文章通过在嵌入式系统上建立一个比较简单的网络应用来实现以太网接入的目的，同时通过详细的对此设计进行介绍，对嵌入式系统的网络连接原理、组成结构、实施方法进行详细的讲解并应用，证明了嵌入式系统接入以太网是可行的。本文首先在开头介绍几类比较常见的网络接入方法，然后详细的对各种接入方法进行探讨研究，分析了各种方法的利和弊。然后根据嵌入式系统协议的特点，选择了正确的TCP/IP 协议实现办法。对方案中提出的以RTL8019 为芯片的接入方法进行了详细的介绍，以及对软件的详细设计方法进行了介绍。证明了嵌入式系统接入以太网的可行性，是应该被大力推广的。