嵌入式系统以太网卡控制器LAN91C96

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摘要：以LAN91C96为例，介绍嵌入式以太网控制器基本结构；结合PXA250(XScale)，分析嵌入式系统网络接口卡（NIC）软硬件设计。

    关键词：嵌入式系统 NIC 网络接口卡 LAN91C96

引 言

　　当今社会已经进入数字信息技术和网络技术高速发展的后PC(Post-PC)时代，嵌入式系统已经广泛渗透到科学研究、工程设计、军事技术、各类产业和商业文化艺术、娱乐业以及人们的日常生活等方方面面；而网络技术的快速发展和互联网的广泛应用，使得嵌入式产品有了更广泛的前景。各种家电设备、PDA、仪器仪表、工业生产中数据的采集与控制等设备正在逐渐走向网络化，以共享互联网络中庞大的信息资源。嵌入式设备的网络化开发有着广阔的前景。

　　本文以SMSC公司的LAN91C96嵌入式以太网控制器为例，介绍嵌入式系统网络接口卡(NIC)的软硬件设计。

1 以太网控制器LAN91C96简介

　　LAN91C96是SMSC公司生产的专门用于嵌入式产品的10M以太网控制器。其优良的性能、低功耗及小尺寸，使LAN91C96成为嵌入式NIC中的主流产品。

图1

    1.1 主要特点

◆ 支持IEEE802.3(ANSI8802-3)以太网标准

◆ 全双工收发方式，具有睡眠模式

◆ 6KB的片上RAM

◆ 与处理器接口可采用PCMCIA、ISA或Motorola 68000

◆ 支持先进的传输队列管理

◆ 硬件MMU

◆通过串行EEPROM选择性配置

◆ 全双工传输模式

◆可连接同轴电缆和双绞线，支持10Base5、10Base2、10BaseT，并可自动检测所连介质

◆ 高级的电源管理特性

◆ 支持“Magic Packet”电源管理技术

◆ 低功耗的CMOS设计

1.2 内部框架

　　图1是LAN91C96原理框图。

　　LAN91C96网卡控制其内部集成了6KB的RAM，用来存放数据包。内部的MMU、判决器和DMA对数据包的传输发送进行有效的管理。CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突避免)模块集成了IEEE 802.3 MAC层协议，负责监听网络情况和地址过滤，若目的地址是LAN91C96的地址、广播地址或多播地址，则接收此数据包，否则抛弃。内部物理接口(PHY)包含一个ENDEC和10BaseT Transceiver。编解码器(ENDEC)负责曼彻斯特(Manchester)编解码，并提供标准6脚连接单元接口(AUI)，外接同轴传输接收器，应用10Base2/5。传输数据时，10BaseT Transceiver负责把主控制器传过来的反向不归零码(NRZ)数据转换为Manchester数据，并以适当的电平加以驱动；接收时负责连接完整性测试。外接的串行电可擦除只读ROM(EEPROM)中可存储网卡的MAC地址，当OS启动加载网卡时，以太网控制器就从EEPROM的固定地址中读取MAC地址并存储在相应的寄存器中。
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    1.3 工作原理

　　LAN91C96内部6KB的RAM为数据包的传输接收提供缓冲，使全双工工作模式下数据传输率可达10Mbps；MMU把RAM分成256B的页，并负责为每个数据帧分配一个或多个页。

　　当主处理器传输数据时，MMU首先根据数据大小为其在RAM中分配若干页。在数据传送到RAM时，此数据帧的帧号也在TX FIFO中排队，然后此数据帧在轮到时传送到PHY模块进行Manchester编码，最后根据CSMA/CD协议把此数据帧传送到相应的介质上。

　　在介质上有数据时，LAN91C96将数据帧复制一份并传送到ENDEC模块进行Manchester解码，而CSMA/CD模块根据该数据帧头的目的地址是否为本网卡MAC地址、广播或多播地址来决定此数据帧的取舍。若地址匹配，MMU为其在RAM中开辟相应大小的空间，并以中断的方式告知主处理器。在数据帧被取走后，MMU释放此块内存。

    1.4 数据帧的构成

　　一个IEEE 802.3数据帧由以下几个部分组成：前导位(preamle)、帧起始位(SFD)、目的地址(destination)、源地址(source)、数据长度(length)、数据(data)、帧校验字(FCS)。如图2所示，数据的数量范围46~1500B，如一组要传送的数据为46B，就用零补足；超过1500B时，需要拆成多个帧传送。前导位、帧起始位和帧校验字仅供控制器本身用，主处理器收到的数据帧的组成依次包括：接收状态(1B)、下一帧的页地址指针(1B)、目的地址(6B)、源地址(6B)、数据长度/帧类型(2B)、数据。数据长度/帧类型的值小于或等于1500B时，表示数据场的长度；反之，表示数据帧的类型。如值依次为 0x08、0x00，表示数据为IP包；值依次为0x08、0x06，表示数据为ARP包。

2 以太网卡设计方案

    2.1 硬件设计方案

　　此设计方案采用的嵌入式处理器是Intel公司的PXA250(XScale)。该处理器是Intel为了满足便携式和嵌入式应用需求而优化的微处理器。PXA250基于Intel XScale微体系结构，RISC架构，最高可以运行400MHz。 PXA250采用ARM指令、数据高速缓存、内存管理单元(MMU)和读/写缓冲器。另外，PXA250提供系统支持逻辑、多串行通信通道、彩色/灰度刻度LCD控制器、支持PCMCIA、通用I/O端口、USB、串口、红外接口、JTAG、音频等。

　　图3是嵌入式以太网卡的原理图。LANC91C96内部寄存器可通过对地址线A0、A1、A2、A3……的操作来访问，LAN91C96内部寄存器宽度是16bit；而PXA250的访问宽度是32bit，所以LANC91C96的A1、A2、A3……分别与PXA250的A2、A3、A4……相连。LANC91C96的数据访问宽度是16bit，所以其16根数据线与PXA250的低16根数据线相连。中断INTR0与PXA250的GPIO11相连。

　　外接的93C46是1Kbit的串行EEPROM，64×16阵列，按字访问，用来存储以太网卡的MAC地址。MAC地址是48bit，预先烧写在EEPROM的指定位置。每次系统启动时，LAN91C96从EEPROM重读出自己的MAC地址，存在指定的寄存器中。EX2001是针对10M以太网的变压滤波器。

图3

 

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