关键词：嵌入式系统; 网络接口; 数字信号处理器
1、引言
结合DSP技术与计算机网络技术，将网络技术融入以数字信号处理器为核心的嵌入式系统中，利于各种设备共享互联网络中庞大的信息资源，使其嵌入式设备在性价比与实时性方面有着通用计算机无法比拟的优越性，因此嵌入式DSP技术越来越广泛地被应用于网络产品开发中。由于嵌入式网络开发的应用前景非常广阔，现在已经成为研究的热点。
本文利用数字信号处理器DSP和以太网控制器构建嵌入式智能接入以太网，完成了以DSP为核心的以太网嵌入式系统的硬件平台，并在此硬件平台上实现嵌入式TCP/IP协议，完成DSP嵌入式系统通过以太网络与通用计算机的通信交换数据功能。
2、对以太网控制器分析
以太网控制器主要是实现以太网媒介访问层MAC（Media Access Control）和物理层的功能，包括MAC数据帧收发、地址识别、循环冗余检验CRC（Cyclic Redundancy Check）编码与校验、曼彻斯特编码、超时重传、链路完整性测试、信号极性监测与纠正等。而主处理器只需要通过网络控制器的外部总线来读取其接收或发送的帧数据。以太网络控制器RTL8019AS内部原理框图，如图1所示。
图1 网络控制器RTL8019AS内部原理框图
接收逻辑在接收时钟控制下将串行数据并成字节送到FIFO（First-In First-Out）和CRC;发送逻辑将FIFO送来的字节在发送时钟控制下逐步按位移出，并送到CRC;CRC逻辑在接收时对输入数据进行CRC校验，将结果与帧尾的CRC比较，如不同，该数据帧将被拒收，在发送时CRC对帧数据产生CRC并附加在数据尾传送;地址识别逻辑对接收帧的目的地址与设置的本地物理地址进行比较，如不同且不是广播地址，则该数据帧被拒收;FIFO逻辑对收发数据做16个字节缓冲，以减少对近端DMA（Local Direct Memory Access）请求的频率。
以太网控制器DMA操作原理框图，如图2所示。对于主处理器来说，可以把网络控制器看作是一个向以太网收发数据的从设备。按服务对象的不同，可将网络控制器内部分为远端DMA（Remote Direct Memory Access）通道和近端DMA（Local Direct Memory Access）通道两个部分。远端DMA主要负责以太网控制器内部RAM与主处理器之间数据交换：即主处理器通过对远端DMA读写操作，来完成对网络控制器的数据收发控制操作。近端DMA主要负责自动完成以太网控制器与网络上的数据交换：即接收数据时，网络控制器将接收到的数据存到内部的接收缓冲区，收满一帧后，以中断或寄存器标志的方式通知处理器;发送数据时，当收到传送命令后，网络控制器自动将发送缓冲区的数据按标准帧格式送出去。
图2 以太网控制器DMA操作原理框图
3、网络接口硬件电路的设计
DSP与网络控制器RTL8019AS硬件接口电路图，如图3所示。网络控制器RTL8019AS的工作电压标称为5V供电，但是经过实际测试验证RTL8019AS芯片能在3.3V供电情况正常使用，而DSP芯片TMS320VC5409的工作电压也为3.3V，因此网络控制器的输入/输出可与TMS320VC5409直接接口。
图3 DSP与网络控制芯片RTL8019AS硬件接口电路图
RTL8019AS在复位的上升沿锁定IOCS16脚的电平，高电平时为16位总线方式，低电平时为8位总线方式。如连接到8位主设备上，可以选择47kΩ的下拉电阻，SD[8:15]空悬;如连接到16位主设备上，可以选择510Ω的上拉电阻即可。由于RTL8019AS没有外接初始化的EPROM，故复位时命令寄存器（CR）的I/O地址的值为缺省值0300H，所以为满足RTL8019AS的时序要求，A5～A19地址连接必须使网络控制器的地址锁定在0300H，否则主控制器就无法访问到网络控制器RTL8019AS的寄存器。
在本设计中，采用了16位数据总线方式对网络控制器操作，把网络控制器的地址映射到DSP的I/O空间，以I/O方式来访问网络控制器寄存器，所以这就需要将网络控制器地址线SA[0:4]与DSP芯片地址线A[0:4]地址线相接，网络控制器地址端SA[8:9]接高电平，地址端SA[10:19]接低电平。将网络控制器RTL8019AS的其余的控制信号引脚直接接到CPLD上，DSP对网络控制器的逻辑控制则通过对CPLD编程来实现。
网络控制器的网络连接指示（LEDBNC）、网络冲突指示（LED）、接收指示（LED1）、发送指示（LED2）引脚接发光二极管来指示网络控制器工作状态。由于在芯片RTL8019AS中的输入引脚内部被100K的电阻下拉接地，所以芯片中任何悬空的引脚状态都是低电平状态。
4、网络软件的设计
4.1、软件实现结构网络协议层次划分
系统参照ISO标准的7层OSI 模型，根据实际应用要求，可采用缩减的网络软件体系结构，如图4所示，可把网络体系结构划分为三层：网络数据访问驱动控制层、操作系统控制层和用户应用数据层。网络数据访问驱动控制层规定了网络拓扑形式及数据通信信号的电气特性，实现点到点的通信规程，并完全执行IEEE802.3的CSMA/CD协议;操作系统控制层集成了TCP/IP协议族组件，完成把从数据链路层获得的数据解析成用户应用程序所需的数据;用户应用数据层则是对数据进行处理分析工作。
图4 网络软件体系结构
4.2、数据帧结构分析
网络控制芯片执行IEEE802.3协议的帧结构，如图5所示。
图5 IEEE802.3协议帧结构
62位前导位PR码与2位帧起始位SD码由网络控制芯片硬件自动生成物理层同步信号。48位目的IP的物理地址DA码指示着该数据帧所要到达的目的物理地址，48位源IP地址SA码携带着发送该数据帧的源物理地址。16位的TYPE/LEN码代表该数据帧类型或数据帧长度。DATA数据段，是该类型包的有效数据，PAD可填充段是用来保证该数据帧的最小包长度满足不小于60字节的IEEE802.3帧数据结构要求。32位的硬件产生自动数据校验FCS段，是对所传输数据帧进行累加奇偶和的校验，以保证传输数据的正确性。
在这里需要注意的是网络控制器RTL8019AS在接收到数据包的帧结构，如图6所示。对比IEEE802.3帧结构可以看出，网络控制器RTL8019AS在接收数据，为使网络驱动程序编写方便而添加了芯片报头，包括接收状态RS（Receive State）指示数据接收的状态，下一页指针NP（Next Page）指示下一操作页面地址，接收数据帧长度FL（Frame Length）指示此接收到的数据帧总字节数，这三段内容的添加，使得软硬件能更好地互相配合协同工作。
图6 网络控制器RTL8019AS接收数据帧结构
4.3、数据帧的接收与发送程序设计
本系统所要实现的功能是把嵌入式系统的语音进行编码压缩后得到的数据格式转换成以太网帧格式，通过以太网传输给计算机，并把从以太网上接收到的帧数据解包，转换成所需的语音数据格式解码还原成语音输出。根据我们简化的网络软件体系结构来进行层次设计软件，其中最关键的是与操作系统接口的网络控制驱动程序设计，它包括对数据的发送操作和接收操作，其流程如图7和图8所示。
图7 数据帧的发送程序流程
图8 数据帧的接收程序流程
5、结论语
作者针对基于DSP的嵌入式以太网系统进行研究，根据对系统需求的分析，设计并实现嵌入式网络硬件平台，并在嵌入式DSP系统网络硬件平台上完成了TCP/IP协议的软件开发，使嵌入式系统通过以太网与计算机进行数据交换通信，最终实现嵌入式系统网络功能。其中利用简化网络软件体系结构来设计软件系统，使整个软件代码量小，软件层次结构清晰明了，易于扩充及移植。
本文作者创新点：作者利用DSP和网络控制器，设计实现嵌入式网络应用平台，给出程序框图，可为嵌入式应用提供参考。应用整个设计软件代码量小，软件层次结构清晰，易于扩展及移植。
参考文献：
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作者简介：
刘晓杰 （1978-），男 （汉族），云南个旧人，吉林大学博士生，通信与信息系统专业，主要从事数字信号处理和路由算法研究;
赵晓晖 （1957-），男 （满族），吉林大学教授，博士生导师，通信与信息系统专业，主要从事信号处理理论及其在通信中的应用;通讯作者：
顾海军 （1970- ），男 （汉族），吉林大学副教授，硕士生导师，通信与信息系统专业，主要从事数字信号处理及其嵌入式应用
