引言

　　目前，隨著計算機技術、通信技術得飛速發展，使得使得我們通過計算機進行網絡互連的同時，許多領域的嵌入式設備如工業控制、數據采集、數控機床和智能儀表等也有接入網絡的需求。伴隨著信息家電出現，嵌入式設備的網絡化必將擁有更廣闊的發展前途。在這個過程里，首先要解決的問題使嵌入式設備如何實現網絡互連。

　　基于以太網技術的網絡化控制系統NCS（NetworkedControl System）是繼現場總線控制了當前通信技術中的以太網及網絡技術，很好地統一了底層的控制網絡協議，建立了良好的兼容接口，因此成為了當前及后工業控制領域應用和研究的熱點。隨著以高性能嵌入式微處理器和嵌入式操作系統為核心的嵌入式技術的發展與推廣使用，網絡節點在性能、成本、功耗和體積等方面都達到了令人滿意的效果，并對NCS 結構和應用產生了很大的影響。

　　本文主要基于S3C44B0X+uClinux 系統平臺開發出嵌入式以太網控制器，該方案和其它設計比較具有高性能、低功耗、軟硬件易擴展特點，是當前及今后工業以太網控制器的理想選擇方案。

　　1 嵌入式以太網控制器硬件設計

　　本文主要基于S3C44B0X+RTL8019AS 系統硬件平臺開發出嵌入式以太網控制器硬件平臺。

　　圖1 為嵌入式以太網控制器硬件設計原理圖。嵌入式以太網控制器的硬件設計主要有S3C44B0X 微處理器、以太網模塊、存儲器模塊、串口驅動模塊、電源模塊、復位和時鐘和JTAG 接口7 部分。

　　1.1 S3C44B0X 處理器

　　S3C44B0X 處理器采用160 引腳的LQFP 封裝；為了降低成本，S3C44B0X 提供了豐富的內置部件，包括：8 KB cache，內部SRAM，LCD 控制器，帶自動握手的2 通道UART，4 通道DMA，外部存儲器控制器（片選邏輯，FP/EDO/SDRAM 控制器），帶有PWM 功能的5 通道定時器，通用I/O 端口，實時時鐘RTC，8 通道10 位ADC，I2C 總線接口，I2S 總線接口，同步SIO 接口和PLL 倍頻器。本嵌入式以太網控制器設計選用它，能夠很好地滿足小型化、低功耗和低成本的要求。

　　1.2 以太網模塊

　　RTL8019AS 是高度集成以太網控制器，它能夠簡單的解答即插即用NE2000 兼容適配器，這種適配器具有二重和功率下降特性。

　　RTL8019AS 以太網控制器共有32 個輸入地址，對應地址偏移量為00h～1Fh，現分別說明如下：

　　（1）00 h～0 Fh 的16 個地址，為寄存器地址。

　　（2）10 h～17 h 的8 個地址，為數據讀寫端口地址。

　　（3）18 h～1 Fh 的8 個地址，為復位端口。

　　2 嵌入式以太網控制器軟件設計

　　系統軟件平臺設計主要使用C語言和ARM匯編語言。系統軟件平臺設計主要包括3個方面：啟動引導程序Bootloader；建立μCLinux操作系統的開發環境；以太網模塊驅動程序的實現。

　　2.1 啟動引導程序Bootloader

　　引導程序Bootloader是在操作系統運行之前執行的一段程序。它主要實現的功能包括：初始化CPU 運行的時鐘頻率；初始化Flash 和內存的數據寬度，讀寫訪問周期和刷新周期；初始化中斷系統；初始化系統中各種片內、片外設備和I/O 端口；初始化系統各種運行模式下的寄存器和堆棧；加載和引導μCLinux 操作系統。

　　2.2 建立μCLinux 操作系統的開發環境

　　μCLinux 操作系統沿襲了傳統Linux 操作系統的主要特性，包括穩定、強大的網絡和文件系統支持。建立μCLinux操作系統的開發環境主要包括3 個步驟：建立μCLinux 操作系統的交叉編譯環境、μCLinux 操作系統的編譯和μCLinux 操作系統的加載。

　　2.3 RTL8019AS 驅動程序

　　設備驅動程序是操作系統內核和硬件之間的接口，它作為應用設備之間的軟件層， 為應用程序屏蔽了硬件的細節。

　　以太網模塊驅動程序屬于網絡驅動程序。嵌入式μCLinux網絡驅動程序的體系結構可以劃分為4層，即網絡協議接口層、網絡設備接口層、設備驅動功能層和網絡媒介層。在設計網絡驅動程序時，最主要的工作就是完成設備驅動功能層，使其滿足嵌入式設備的目標功能。完成設備驅動功能層主要有2 個步驟，RTL8019AS 的初始化和網絡數據包的發送和接收。

　　2.3.1 RTL8019AS 的初始化

　　為能夠準確無誤地接收和發送數據包，必須先對RTL8019AS進行初始化操作，其中包括數據配置寄存器OCR、發送配置寄存器PCR、接收配置寄存器RCR的、物理地址、數據包接收緩沖區和發送緩沖區的設置：當前頁面寄存器CURR的設置。RTL8019AS的初始化由函數void InitRTL8019AS（）來完成，此函數的設計流程如圖2所示。

　　2.3.2 RTL8019AS數據包的發送與接收

　　RTL8019AS以太網控制器發送數據包分兩步走，首先將數據從系統內存通過遠程DMA傳到RTL8019AS以太網控制器的發送緩沖區，然后本地DMA將數據傳到FIFO并發送出去。

　　RTL8019AS以太網控制器接收數據包時，RTL8019AS以太網控制器將網絡上的數據包接收，通過其本地DMA通道將接收到的數據包緩存于接收緩沖區中，再通過遠程DMA通道由主處理器將接收緩沖區的數據包經數據總線讀入內存單元以被程序使用。

　　2.3.3 編譯和測試RTL8019AS驅動程序

　　RTL8019AS驅動程序采用模塊加載方式。模塊加載方式具體步驟如下：

　　（1）通過module_init宏修飾的函數會在模塊加載時被調用。

　　（2）網絡設備被檢測到以后，通過調用register_netdev（）函數在μCLinux系統中把該RTL8019AS網絡設備添加到系統的網絡設備鏈表的末尾。

　　（3）如果注冊成功，則網絡設備結構體中init成員函數被調用，對設備進行初始化。

　　最后我們得到zImage 內核壓縮文件。用引導程序Bootloader通過串口將zImage文件引導到S3C44B0X處理器上片外SDRAM上進行調試。

　　3 結語

　　嵌入式系統具有低功耗、可靠性高等突出優點。采用嵌入式系統來設計和實現帶有以太網的工業控制系統，使得工業控制系統可靠性高、性能強、實時性好，將以太網接口集成與工業控制系統中，使得對工業控制系統的遠程控制和監視變得簡單易行。因此，研制一個帶以太網接口的嵌入式工業控制系統具有重要的科學意義和價值。