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基于ARM9的嵌入式网关的研究 |
| 摘 要：介绍了一种基于ARM9的嵌入式以太网的设计方案。基于ARM内核微处理器S3C2410的功能特点及其外扩组成部分，分析了以太网控制器芯片RTL8019AS的性能以及与S3C2410的接口。在软件设计上，分析了BootLoader的作用，介绍了Linux的移植，并给出了通信程序的流程图，实现了嵌入式以太网的数据传输。 关键词：嵌入式系统；网关；ARM；移植 引 言 无所不在的网络给网络接入设备带来了巨大的发展机遇。而随着网络接入市场的迅速增长，嵌入式网络接入开始成为嵌入式系统技术中最令人关注的一个领域。在嵌入式网络技术的推动下将会形成这样一个局面：在网络上传输的信息中，将有70%的信息来自嵌入式系统，也许将有数以亿计的汽车、通信设备、家用电气以及工厂系统接入到不同网络中，然后再组成一个庞大的Internet互联网。为此，本文研究了一种基于ARM芯片和嵌入式操作系统Linux，在以太网与RS -485总线之间的进行数据交换的嵌入式网关，以满足嵌入式设备的网络化功能需求。 硬件平台设计 设计的嵌入式网关以ARM920T为核心的S3C2410微处理器，通过外扩存储器、以太网口、串口、JTAG调试接口等构建硬件平台，其硬件结构框图如图1所示。  CPU设计 CPU是整个嵌入式系统的实时控制核心，它在工业以太网中作为智能节点的主控制器，是整个嵌入式网关的核心。本文选用以ARM920T为核心的 S3C2410微处理器，S3C2410是32bit的RISC微处理器，该处理器特别适用于手持式设备以及高性价比、低功耗的网络设备，它集成了LCD 控制器、USBHost、NAND控制器、BUS控制器、中断控制、功率控制、存储控制、UART、WatchDog、SPI、SDI/MMC、IS、 IC、GPIO、RTC、TIMER/PWM、ADC等丰富的资源。 存储系统 串口部分 JTAG调试接口 以太网接口 RTL8019AS芯片的引脚SA0～SA19为地址总线；SD0～SD15为数据总线；引脚INT0接S32C410芯片的外部中断信号；引脚AEN是地址使能脚，作为芯片的选通信号，将中断接到CPU的nGCS3地址映射到bank3。RTL8019AS的地址空间范围是0x18000300～0x1800031f。引脚IOS0～3设置为接地或空闲，表明RTL8019AS内部寄存器总线地址从300H开始。 引脚X1、X2接一个20MHz的无源晶振，作为外部时钟信号输入；引脚JP接高电平，选择跳线模式：引脚IORB、IOWB作为输入输出读写指令端；引脚RSTDRV是复位端，连接复位信号；引脚SMEMRB、SMEMWB是芯片的存储器读命令和写命令。 引脚TPIN+，TPIN-、TPOUT+，TPOUT-作为媒体接口管脚，是接收IP数据报所需要用到的管脚，在设计网卡芯片电路时通过一个隔离变压器和RJ-45的网络外接口相连，外部主机通过以太网网线与RJ-45接口进行连接，实现数据交换。 隔离变压器的TD+管脚连接网卡芯片的TPOUT+引脚；TD-连接TPOUT-；RD+连接TPIN+；RD-连接TPIN-。8019通过隔离变压器与RJ-45连接，实现与主机进行接收和发送IP数据报等工作。 此外，硬件部分还包括电源电路、晶振电路、复位电路，在此就不一一介绍。 软件部分设计 嵌入式系统的软件部分分为BootLoader的编写、操作系统与文件系统的移植、应用程序的编写三部分。 BootLoader的编写 （1）屏蔽所有的中断。为中断提供服务通常是操作系统或设备驱动程序的责任，因此，在BootLoader的执行全过程中可以不必响应任何中断； （2）设置中断向量； （3）设定存储器控制寄存器； （4）初始化堆栈和寄存器。系统堆栈初始化取决于用户使用了哪些中断，以及系统需要处理哪些错误类型、并且定义处理器的几种工作方式。一般来说管理者堆栈必须设置，如果使用了IRQ中断，则IRQ堆栈也必须设置； （5）如有必要则需要改变处理器模式、状态； （6）初始化C语言所需的存储器空间。为正确运行应用程序，在初始化期间应将系统需要读写的数据和变量从ROM拷贝到RAM中。一些要求快速响应的程序，如中断处理程序，需要在RAM中运行；如果使用Flash，对Flash的擦除和写入操作也是在RAM里运行的。 嵌入式系统的启动程序是严重依赖于硬件的，所以需要用汇编语言来进行编写。完成上述步骤后，系统就完成了对硬件和软件运行环境的初始化。最后将实时操作系统代码从Flash读入到内存空间中，开始运行实时操作系统。 操作系统与文件系统的移植 Linux作为一种优秀的操作系统，近几年在嵌入式领域异军突起，成了最有潜力的嵌入式操作系统。突出的一个优点就是免版税和开放源码，另外它可应用于多种硬件平台，具有良好的移植性、高的可靠性、优秀的网络功能、完备的文件系统以及丰富的API，为嵌入式网关提供了强大的软件支持。因此，本文选择 Linux作为嵌入式网关的操作系统。对Linux的移植有以下几个步骤： （1）下载Linux源代码，建立交叉编译环境； （2）配置和编译内核； （3）制作文件系统，编写相应的设备驱动程序； （4）下载，调试和执行内核，并在文件系统中添加自己的应用程序。 应用程序的编写 本文利用Socket套接字和TCP/IP协议编写了一个简单的客户机/服务器模式的网络应用程序。因为本系统只是起到网关的作用，只需实现现场总线和以太网上位机两方之间的通信，并不需要处理其数据的逻辑意义和内容。在这种模式下，以太网上位机被设定为服务器，它运行了服务器端的应用程序。该程序主要用于监听服务器端口、接受客户端的连接请求、接受客户端的信息、向客户端发送信息等。网关系统中运行的是客户端程序，该程序主要是用于申请连接到服务器、将现场总线方发来的消息向服务器发送、处理服务器发来的信息、将这些信息发送给现场总线系统。应用程序软件流程如图2所示。  软件中调用的函数主要有： （1）intsocket（intfamily，inttype，intprotocol）。此函数为通信创建一个端口，若正常调用将返回一个整型的文件描述符，错误调用将返回-1。 （2）intbind（intsockfd，conststructsockaddr 结束语 本文介绍了以S3C2410处理器为核心、用RTL8019AS作为网络接口芯片的嵌入式以太网接口的具体软、硬件方法，可用于工业现场实现现场节点的自动上网，从而实现对现场远程控制，具有很好的发展前景。 |