硬件協議棧芯片W3100A

關鍵詞：TCP/IP協議棧；W3100A；Socket API；以太網

１ W3100A簡介

近年來，隨著技術的飛速進步，電子產品正朝著小型化、智能化和網絡化的方向發展。在小型嵌入式設備中實現以太網互聯正在成為研究和應用的熱點。在這種潮流的推動下，研究人員提出了許多解決方案。傳統的做法是在嵌入式設備中植入ＴＣＰ／ＩＰ協議棧，或者移植一個具有ＴＣＰ／ＩＰ協議棧的嵌入式操作系統。雖然上述做法在很多應用中取得了不錯的效果，但都是以犧牲大量資源為代價的。而本文介紹的Ｗ３１００Ａ硬件協議棧則可以在占用極低系統資源的條件下快速完成網絡通訊。

Ｗ３１００Ａ的主要性能特點如下：

●硬件協議棧包括ＴＣＰ、 ＩＰ Ｖｅｒ．４、 ＵＤＰ、 ＩＣＭＰ、 ＡＲＰ；

●支持硬件以太網協議ＤＬＣ和ＭＡＣ；

●同時支持四路獨立的網絡連接；

●支持Ｐｉｎｇ命令；

●協議處理速度達到全雙工４～５Ｍｂｐｓ；

●支持Ｉｎｔｅｌ／Ｍｏｔｏｒｏｌａ ＭＣＵ總線接口；

●支持Ｉ２Ｃ接口；

●帶有標準的ＭＩＩ接口，可連接底層以太網接口芯片；

●可提供Ｓｏｃｋｅｔ ＡＰＩ加速應用程序開發；

●支持全雙工模式；

●其內建１６ＫＢ雙口ＲＡＭ可作為數據緩沖區；

●采用０．３５μｍ ＣＭＯＳ制造工藝。

２ W3100A的引腳功能

Ｗ３１００Ａ采用６４腳ＬＱＦＰ封裝，其引腳分布如圖１所示。各引腳功能描述如下：

ＴＸＤ[０]～ＴＸＤ[３]：在ＴＸＤ＿ＣＬＫ上升沿發送數據。串行模式時，ＴＸＤ[０]用作串行數據發送引腳，ＴＸＤ[１]～ＴＸＤ[３]無效。

ＴＸＥ：發送使能端。

ＴＸＤ＿ＣＬＫ：數據發送時鐘，時鐘由以太網接口芯片提供。

ＲＸＤ[０]～ＲＸＤ[３]：在ＴＸＤ＿ＣＬＫ下降沿接收數據。串行模式時，ＲＸＤ[０]作為串行數據接收引腳，ＲＸＤ[１]～ＲＸＤ[３]無效。

ＲＸＤＶ／ＣＲＳ：載波監測。高電平有效。

ＲＸＤ＿ＣＬＫ：數據接收時鐘，時鐘由以太網接口芯片提供。

ＣＯＬ：沖突探測引腳。在半雙工模式發生沖突時有效。

Ａ[１４～８]／ＤＡ[６～０]：在ＭＣＵ總線接口模式下作為１４～８位地址。在Ｉ２Ｃ模式下作為Ｉ２Ｃ接口６～０位設備地址。

Ａ[７～０]：７～０位地址線。

Ｄ[７～０]：８位數據線。

ＩＮＴ：接收發送中斷請求。低電平有效。

ＣＳ：片選信號。低電平有效。

ＷＲ：寫信號。低電平有效。

ＲＤ：讀信號。低電平有效。

ＲＥＳＥＴ：復位信號。

ＣＬＯＣＫ:工作時鐘。通常由以太網接口芯片提供，推薦頻率為２５ＭＨｚ。

ＥＸＴ＿ＣＬＫ：外部時鐘輸入信號。

ＬＩＮＫ：表示是否已連接到以太網。低電平表示連接有效，高電平表示ＴＣＰ超時或連接關閉。

ＳＥＲＩＡＬ：１０ＢＡＳＥ－Ｔ ＳＥＲＩＡＬ或ＮＩＢＢＬＥ選擇。

ＦＤＰＬＸ：全雙工／半雙工選擇。０為全雙工，１為半雙工。

ＭＯＤＥ[２～０]：用于選擇Ｗ３１００Ａ工作模式。０００為時鐘模式；００１為外部時鐘模式；０１０為無時鐘模式；０１１為Ｉ２Ｃ模式；１ｘｘ為測試模式。３ Ｗ３１００Ａ的內部結構

系統設計人員利用Ｗ３１００Ａ可以方便快捷地為產品添加網絡功能。Ｗ３１００Ａ的硬件ＴＣＰ／ＩＰ協議棧包含了ＴＣＰ、ＵＤＰ、ＩＰ、ＡＲＰ和ＩＣＭＰ協議。并支持一套與Ｗｉｎｄｏｗｓ系統相同的ｓｏｃｋｅｔ ＡＰＩ。Ｗ３１００的內部結構框圖如圖２所示。

Ｗ３１００Ａ共有３２ｋＢ的內部存儲器空間。其中位于存儲器頂部地址為０ｘ００００～０ｘ０１ＦＦ的１ｋＢ空間分配給了控制寄存器組，０ｘ２０００～０ｘ３ＦＦＦ則作為保留空間供給其它設備使用，而０ｘ４０００～０ｘ５ＦＦＦ為發送緩沖區，０ｘ６０００～０ｘ７ＦＦＦ為數據接收緩沖區。由于Ｗ３１００Ａ可以為用戶提供４路獨立的連接通路，所以相對應的８ｋＢ發送緩沖區和 ８ｋＢ接收緩沖區可以通過寄存器ＴＭＳＲ和ＲＭＳＲ進行配置。配置方法如圖３所示。

４ 應用設計

４．１ 硬件設計

Ｗ３１００Ａ有３種不同的工作模式，分別為Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｕｓ Ｉ／Ｆ模式、Ｉｎｄｉｒｅｃｔ Ｂｕｓ Ｉ／Ｆ模式和Ｉ２Ｃ Ｂｕｓ Ｉ／Ｆ模式。用戶可根據自己的實際情況進行選擇。下面就常用的Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｕｓ Ｉ／Ｆ模式和Ｉ２Ｃ Ｂｕｓ Ｉ／Ｆ模式作以簡單介紹。

圖４是Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｕｓ Ｉ／Ｆ模式的硬件結構框圖。

由圖可見，該模式下，Ｗ３１００Ａ共用了１５條地址線、８位數據線、片選ＣＳ，及讀寫控制信號ＷＲ和ＲＤ。不難看出，該模式下硬件電路設計相對簡單，但要占用較多的ＭＣＵ資源。同時還應該注意，在Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｕｓ Ｉ／Ｆ模式下，Ｗ３１００Ａ的工作時鐘也有３種不同的模式，在大多數情況下，系統推薦使用Ｃｌｏｃｋｅｄ 模式，因為該模式下系統可以穩定的工作。但是如果系統中ＭＣＵ的訪問速度小于１００ｎｓ，則應為Ｗ３１００Ａ單獨外接時鐘并選擇Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｃｌｏｃｋ模式。而當ＭＣＵ的ＣＳ、ＲＤ、ＷＤ信號時序滿足Ｗ３１００Ａ的要求時，也可以不要時鐘。

圖５是Ｉ２Ｃ Ｂｕｓ Ｉ／Ｆ模式下，ＭＣＵ與Ｗ３１００Ａ的連接示意圖。

Ｉ２Ｃ Ｂｕｓ Ｉ／Ｆ模式下，可使用ＳＣＬ和ＳＤＡ在ＭＣＵ和Ｗ３１００Ａ之間串行傳輸數據，時鐘信號線ＳＣＬ由ＭＣＵ提供，ＳＤＡ則用來在ＭＣＵ和Ｗ３１００Ａ之間傳送地址和數據。只要系統中的ＭＣＵ支持Ｉ２Ｃ總線即可使用該模式。可以看出，使用該模式可以大量減少ＭＣＵ與Ｗ３１００Ａ的連接線，從而節省ＭＣＵ的資源。

４．２ 軟件設計

此外，通過ＷＩＺｎｅｔ公司為Ｗ３１００Ａ專門提供的Ｓｏｃｋｅｔ ＡＰＩ軟件，可使網絡通訊的軟件設計更加方便。利用該軟件進行設計時，應首先初始化Ｗ３１００Ａ的網絡設置，即在相應的寄存器中設置默認網關、子網掩碼、本機物理地址和ＩＰ地址，然后建立Ｓｏｃｋｅｔ連接以實現通訊。整個過程與Ｗｉｎｄｏｗｓ Ｓｏｃｋｅｔ編程十分類似，此處不再贅述。

５ 結論

Ｗ３１００Ａ具有傳輸速度快、工作穩定可靠、系統開銷小等優點，可以為小型嵌入式設備提供很好的網絡解決方案。