Am79C940網絡接口控制器在MC68360系統中的應用

摘要：在以MC68360為核心的某型網絡通信設備中，采用Am79C940作為網絡接口。設計Am79C940和MC68360的接口硬件電路，使用MC68360的2個IDMA通道在中斷控制方式下，分別從Am79C940收/發數據。通過建立中斷服務例程和緩沖鏈表數據結構，設計實現了基于Nucleus操作系統的網絡驅動程序。運行實測表明接口工作性能穩定可靠，滿足實際應用要求。
關鍵詞：Am79C940；MC68360；網絡接口；Nucleus操作系統；驅動程序

1 引言
在開發某型號網絡通信設備，采用Freescale 683XX系列MC68360為系統主處理器。MC68360是一款性能比較強大的處理器，集成了支持包括HDLC、UART在內多種通信控制協議的I／O通道，非常適合通信數據處理功能。但是，由于其內部缺少以太網絡接口，無法滿足網絡設備應用功能，因此，需要尋求設計外部網絡接口。這里提出采用Am79C940網絡接口器件與MC68360接口，通過中斷控制和DMA方式實現網絡數據傳輸的設計方案。

2 Am79C940簡介
Am79C940是一款用于提高網絡系統設計靈活性的網絡接口控制器MACE(Media Access Controller for Ethernet)，包括了IEEE 802.3標準協議里的介質訪問控制層(MAC)和物理信號層(PLS)，支持25 MHz鐘頻，適用于由一個中央處理器通過DMA方式來訪問多個分散I／O外設組成的系統。Am79C940具有以下特點：支持IEEE 802．3／ANSI 8802-3和以太網標準；高速16位同步總線接口，允許2或3個周期操作選擇；獨立的接收(128字節)和發送(136字節)FIFO；直接讀寫內部寄存器和FIFO；支持DMA控制器或I／O處理器對FIFO直接訪問；外部地址檢測和過濾功能(EADI)；內/外自環功能。
Am79C940采用先進的模塊化結構和通用接口的設計，BIU(總線接口單元)是主系統和FIFO之間的接口，提供了系統控制信號和對內部所有寄存器的訪問。有2個地址獨立的數據收/發FIFO，允許在寫XMTFIFO的同時，RCVFIFO接收；在其內部FIFO對于BIU來說是16位寬，但是，對外通過驅動地址總線和CS、R/W來進行16位或8位的讀寫操作，高低字節順序可通過寄存器設置。Am79C940內部結構如圖1所示。

在Am79C940上電后典型的初始化步驟如下：寫BIUCC寄存器來改變字節交換模式，設置發送開始點XMTSP；寫IMR中斷寄存器來設置中斷屏蔽；設置UTR寄存器的loop工作模式；寫PLSCC寄存器的PORTSEL位和ENDPLSIO位來選擇10BASE-T接口；設置IAC內部地址組態寄存器的ADDRCHG和PHYADDR位，然后將網絡MAC地址寫入PADR寄存器；最后，寫MACCC寄存器，允許接收和發送。需要注意的是操作必須保證在系統上電后有1 ms延時再進行，以保證MACE鎖相環路穩定，否則將無法正常收發數據。

3 接口硬件設計
在硬件設計中，MC68360和Am79C940之間采用16位總線接口，Am79C940共有5個地址線ADD0～ADD4，對應尋址內部32個8位寄存器和2個16位的FIFO，因此，Am79C940內部的寄存器地址需要乘以2映射到系統的邏輯地址空間，設計時采用CPU地址線A1～A5分別接ADD0～ADD4，高8低8字節選擇引腳BE0和BE1接地的方式。
考慮到MC68360實時操作系統的處理能力，以及Am79C940內部FIFO的深度，為了提高網絡接口的工作效率，滿足系統應用的要求，在MC68360和Am79C940之間必須采用中斷控制，DMA方式傳輸數據。Am79C940的INTR接MC68360的外部中斷IRQ4。MC68360帶有2個通用IDMA通道。其中IDMA1用于數據發送，IDMA2用于數據接收。每個IDMA通道有獨立的請求和響應邏輯，IDMA1的DREQ1接Am79C940的發送申請TDTREQ，IDMA2的DREQ2接Am79C940的接收申請RTDTREQ。Am79C940的EOF(數據幀結束)是輸入/輸出雙向信號，當接收數據時作為輸出，表明從FIFO中讀取幀的最后一個字節，發送數據時作為輸入，表明向FIFO寫入幀的最后一個字節，因此，將IDMA傳輸結束信號DONE1和DONE2與R／W信號進行邏輯組合后與EOF連接。10BASE-T接口的物理信號經PE-68025適配轉換連接到RJ45上。圖2是MC68360和Am79C940的接口電路。

4 驅動程序設計
系統軟件運行環境是Nucleus操作系統，這是MentorGraphics公司開發的嵌入式RTOS產品，具有良好的可移植性和易用性。為此，設計了Am79C940的網絡驅動程序，網絡驅動程序負責從網絡接口控制器讀取網絡上傳送來的數據包，以及將待發送的數據寫入網絡接口控制器發送出去。通常，網絡接口使用中斷驅動機制，一個中斷使CPU暫時將正常處理掛起，跳轉到設備驅動程序執行；此時由設備驅動程序完成重置硬件中斷，準備收／發下一幀數據等操作，使網絡接口繼續工作。因此，網絡接口驅動程序總體按功能分為設備初始化和收發中斷處理兩大部分：
(1)設備初始化 通過系統創建一個網絡初始化任務來實現，主要完成Nucleus Net協議棧數據結構的初始化，向操作系統注冊用于處理收發的低級中斷；初始化網絡接口控制器的硬件寄存器和IDMA的硬件寄存器設置。
(2)收發中斷處理 通過創建一個MACE_LISR低級中斷服務例程，根據Am79C940的中斷狀態，進行數據收／發的DMA操作，以及設置使事件標志。
驅動程序利用Nucleus的內存管理特性，在初始化時建立一個空閑緩沖鏈表(MEM_Buffer_Freelist)，從網絡接收數據時，由中斷服務例程向空閑緩沖鏈申請一個接收緩沖塊，如果申請成功，將緩沖塊加入接收數據鏈表(MEM_Buffer_List)中，并且初始化緩沖塊的長度和數據存放指針，然后啟動IDMA2通道，將Am79C940的RCVFIFO的數據讀入緩沖塊中，并激活一個高級中斷例程(HISR)設置一個Buffers_Available事件，通知上層TCP/IP協議棧處理接收到的數據包；往外發送數據時，將TCP/IP協議棧的數據加入發送緩沖隊列(device->dev_transq)，發送巾斷產生后先釋放掉隊列中已經發送過的數據緩沖，并檢查如果隊列中還有新的數據等待發送，則啟動IDMA1通道，將新數據寫入XMTFIFO發送出去。網絡驅動程序的功能結構如圖3所示。

調試中發現，在系統總線工作時產生的總線異常錯誤會引起IDMA通道結束工作，此時，造成收發數據丟失等異常情況。其解決辦法是設計一個IDMA_LISR低級中斷例程，在IDMA異常中斷時激活，對IDMA通道重新復位并初始化。

4 運行測試
按照設備設計要求，主要從以太網接口的物理功能，數據傳送性能，可靠性等方面來對以太網接口及驅動程序進行運行測試。測試采用將2臺相同設備的接口用網線對連，設備只運行驅動程序，單向發(收)，即一臺只從固定緩沖區中讀取定長數據包重復發送，另一臺則只將數據包重復接收至固定緩沖。設備分別通過JTAG仿真器在PC機上進行動態跟蹤調試，得到部分數據如表1所列。

可見單向發(收)最大數據傳輸數率接近10 Mb／s，接近硬件性能指標；數據包較短時沒有接近10 Mb／s，是因為在傳輸過程中，如果操作次數比較頻繁，CPU處理時間占相當大的比重，就會降低效率。通過較長時間數據傳輸測試，經監測收發中斷產生正常，無數據包丟失、誤碼，能識別網絡異常(物理鏈路丟失等)情況，并在鏈路恢復后重新收發數據，因此接口及驅動程序的功能正常，穩定可靠。

5 結語
Am79C940網絡接口控制器件面向嵌入式應用設計，支持IEEE 802．3標準，提供16位系統總線接口可以比較方便實現與MC68360的連接，所有的數據傳輸都通過簡單的存儲器或I／O讀寫指令進行，通過中斷和DMA方式和處理器進行高速數據交換，尤其適用于存在多個分散I／O外設備和一個通過DMA方式訪問外設的中央處理器場合。利用Am79C940在MC68360微處理器系統上設計以太網接口，并設計實現Nucleus操作系統上的驅動程序，完成對以太網接口初始化和數據收發的中斷處理，通過建立緩沖鏈表數據結構，實現網絡層和硬件層的數據傳遞。