Implementierung auf Basis des W5100-Chips eines Geräts zum Arbeiten in Ethernet-Netzwerken. Schema, Beschreibung

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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK
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Implementierung eines Geräts zum Arbeiten in Ethernet-Netzwerken auf Basis des W5100-Chips. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

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Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Computer

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Gegenwärtig sind Fernzugriff auf Informationen, Datenerfassung, Fernsteuerung und -überwachung in der Industrie, Sicherheitssysteme, IP-Telefonie und Videokommunikationsdienste im Alltag und Geschäftsleben weit verbreitet. All dies wird zu einem festen Bestandteil des modernen Lebens.

Ein obligatorischer Bestandteil solcher Systeme sind Kommunikationskanäle, und Drahtleitungen bleiben die Grundlage für den Aufbau von Computernetzwerken und Telekommunikation. Die Haupttechnologie, die in lokalen Netzwerken verwendet wird, ist Ethernet.

Der gebräuchlichste Protokollstack in Ethernet-Netzwerken ist TCP/IP. Ihre Struktur hat sich für die Übertragung heterogener Informationen bewährt, sie ist optimal für schnelle lokale Netze mit Multimediaverkehr. Diese Protokolle bildeten die Grundlage des Internets. Sie können auf verschiedene Arten implementiert werden.

Der erste Weg ist Software. Aber es gibt viele Schwierigkeiten auf dem Weg. Das Erstellen eines Software-Protokoll-Stacks oder sogar das Portieren vorhandener, frei im Quellcode verteilter Stacks (z. B. IwlP, ulP) ist eine ziemlich komplexe und zeitaufwändige Aufgabe. Der Stack erfordert ein Betriebssystem, dessen Anpassung an einen bestimmten Mikrocontroller auch lange dauern kann. Außerdem werden fast alle Betriebssysteme (mit Ausnahme einiger Linux-Klone) nicht kostenlos vertrieben. Die Softwareimplementierung der Protokolle nutzt die Ressourcen des Betriebssystems, des Prozessors und des Arbeitsspeichers intensiv, was sich negativ auf die Leistung des Gesamtsystems auswirkt.

Um dem Mikrocontroller die Durchführung von Datenübertragungsverfahren über einen Kommunikationskanal zu ersparen und die Entwicklungszeit erheblich zu verkürzen, ermöglicht die zweite Methode die Hardwareimplementierung eines Teils der Protokolle unter Verwendung spezialisierter LSI. Dieser Artikel beschreibt die praktische Implementierung eines Systems, das für den Betrieb in Ethernet-Netzwerken unter Verwendung von Standardprotokollen entwickelt wurde und auf einem Mikrocontroller und einem spezialisierten LSI von WIZnet aufbaut, das den TCP / IP-Protokollstapel in Hardware implementiert.

Verwendet wurde der Mikrocontroller AT91SAM9261 mit einem ARM9-Prozessorkern. Seine Wahl wurde durch das Vorhandensein einer Reihe notwendiger peripherer Funktionen beeinflusst. Es ist jedoch möglich, fast jeden anderen Mikrocontroller zu verwenden, einschließlich eines viel weniger produktiven, obwohl dies möglicherweise durch eine Verringerung des Wechselkurses bezahlt werden muss.

Für die Hardwareimplementierung von TCP / IP-Protokollen wird der W5100-Chip verwendet, der die folgenden Funktionen aufweist:

- Hardware-Implementierung der Protokolle TCP, UDR ICMR IPv4 ARR IGMR PPPoE und Ethernet;
- integrierter 10BaseT/100BaseTX-Ethernet-Physical-Layer-Konverter;
- automatische Erkennung der Betriebsarten Vollduplex, Halbduplex, 10 oder 100 Mbit/s;
- drei Möglichkeiten, sich mit dem Mikrocontroller zu verbinden. Direkt, indirekt, SPI;
- Unterstützung für ADSL-Verbindungen nach dem PPPoE-Protokoll;
- die Möglichkeit, gleichzeitig mit vier Verbindungen zu arbeiten, von denen jede für den Betrieb im Client- oder Servermodus konfiguriert ist;
- 16 KB interner Speicher für Empfangs- und Sendepuffer.

Grundlage für das Systemlayout war das verfügbare Entwicklungsboard AT91SAM9261-EK. Auf der Platine wurde ein WIZ810MJ-Modul installiert, das einen W5100-Chip mit den erforderlichen „Rohrleitungen“ und eine RJ113BZ-Baugruppe enthält – einen RJ-45-Stecker mit eingebauten galvanischen Trenntransformatoren und passenden Elementen. Zum Anschluss an ein Steuergerät (Mikrocontroller) ist das Modul mit zwei PBD2-28-Pin-Anschlüssen ausgestattet.

Die gesamte für die Arbeit mit dem W5100-Chip und dem WIZ810MJ-Modul erforderliche Dokumentation ist auf der offiziellen Website der Firma WIZnet verfügbar: wiznet.co.kr. Außerdem gibt es den Quellcode in C für den Treiber, der High-Level-Funktionen für die Arbeit mit W5100-Sockets implementiert, sowie eine Anleitung zur Portierung des Treibers. Ich möchte darauf hinweisen, dass die gesamte Dokumentation in einer sehr leicht verständlichen Form verfasst ist, sodass es nicht schwierig sein wird, den Anschluss und die Programmierung des W5100 zu verstehen. Die Dokumentation zum Mikrocontroller AT91SAM9261 finden Sie unter at91.com

Das Anschlussdiagramm des WIZ810MJ-Moduls an den Mikrocontroller AT91SAM9261 für den Betrieb im Direktmodus ist in der Abbildung dargestellt. Die Nummern der Pins des Mikrocontrollers sind in Klammern angegeben.

Implementierung auf Basis des W5100-Chips eines Geräts zum Arbeiten in Ethernet-Netzwerken

Die Leitungen DO-D7 bilden den Datenbus, die Leitungen AO-A14 bilden den Adressbus. NRD-Signal – Lesen aus dem Speicher, NWE-Signal – Schreiben in den Speicher. Das RESET-Signal, das den W5100-Chip zurücksetzt, kann von jeder freien Leitung des Mikrocontroller-Ports gesendet werden. Es wurde die RVO-Linie verwendet.

Der Mikrocontroller AT91SAM9261 bietet die Möglichkeit, bis zu acht Geräte anzuschließen, mit denen der Datenaustausch wie mit einem externen Speicher erfolgt. Für jeden von ihnen wird ein Bereich im Speicherplatz des Mikrocontrollers zugewiesen und sein eigenes Geräteauswahlsignal (CS) wird erzeugt. In diesem Fall handelt es sich um das CS6-Signal (alternative Funktion der PCO-Leitung).

Um schnell auf eine Änderung des Zustands der W5100-Mikroschaltung zu reagieren, ist es erforderlich, das INT-Signal an den Mikrocontroller anzulegen und die Portleitung, an die es angelegt wird, so zu konfigurieren, dass bei einer fallenden Pegeldifferenz Unterbrechungsanforderungen generiert werden. Der Software-Interrupt-Handler muss den Inhalt des Sn_IR-Registers auf dem W5100-Chip parsen. In diesem Fall ist die Interrupt-Anforderungseingabe vom W5100 die PC2-Leitung.

Im Folgenden werden die Schritte beschrieben, die zum Konfigurieren des Mikrocontrollers und des W5100-Chips für die Arbeit mit Ethernet erforderlich sind. Programmfragmente sind in C geschrieben und können praktisch ohne Änderungen für beliebige Atmel ARM Mikrocontroller verwendet werden.
Der von der WIZnet-Website herunterzuladende Treiber besteht aus den Dateien w5100.c, socket.c, types.h, w5100.h, socket.h. Diese Dateien müssen in das Projekt eingebunden werden. Die ursprüngliche Version des Treibers wurde entwickelt, um im Mikrocontroller ATmega128 zu funktionieren, aber es ist sehr einfach, ihn an fast jeden anderen Mikrocontroller anzupassen, indem er nur ein paar Programmzeilen ersetzt.

Zunächst müssen wir einige Änderungen an der Datei "types.h" vornehmen.

Saitenersatz

#define _DEF_IINCHIP_MAP_BASE_ 0x8000
auf
#def i ne _DEF_IINCHIP_MAP_BASE_ 0x70000000
Stellen Sie die Adresse ein, von der aus auf die Register und Puffer des W5100-Chips zugegriffen wird (ab der Adresse 0x70000000 im Speicherbereich des Mikrocontrollers beginnt der Bereich, der dem CS6-Signal entspricht). Danach müssen Sie die Zeile auskommentieren
#enthalten
und speichern Sie die geänderte Datei "types.h".
Öffnen Sie die W5100.C-Datei. Hier sollten Sie die Zeile auskommentieren
#enthalten
und füge danach eine Zeile hinzu
#enthalten

Als nächstes müssen Sie die 16-Bit-Zeiger zu den Empfangs- und Sendepuffern in 32-Bit-Zeiger umwandeln.

Dazu in den Zeilen

statisch uintl6
SBUFBASEDDRESS[MAX_SOCK_NUM]; /**< Tx
Pufferbasisadresse für jeden Kanal */
и
statisch uintl6
SBUFBASEADDRESS[MAX_SOCK_NUM]; /**< Tx-Puffer-Basisadresse für jeden Kanal */
(bedingte Übertragungen) werden wir die Typdeskriptoren der Variablen uint16 durch uint32 ersetzen.

Weiter im Programmtext ersetzen wir alle als Funktionsparameter übergebenen 16-Bit-Adressen durch 32-Bit-Adressen. Nachdem diese Ersetzungen vorgenommen wurden, können Sie die Datei speichern und die High-Level-Funktionen des Treibers im Hauptprogramm verwenden.

Es bleibt nur noch, den SMC (Static Memory Controller) des Mikrocontrollers zu initialisieren, um das CS6-Signal zu erzeugen (Tabelle 1) und die gewünschten Werte in die Register des W5100-Chips einzugeben (Tabelle 2).

Nachdem alle erforderlichen Einstellungen vorgenommen wurden, ist das System bereit, mit jedem der vom W5100-Chip unterstützten Protokolle zu arbeiten.

Zum Beispiel in der Tabelle. 3 zeigt eine mögliche Vorgehensweise zum Empfangen von Nachrichten im "Server"-Modus und in einer Tabelle. 4 - der Übertragungsvorgang im "Client"-Modus.

Der größte Nachteil des W5100-Chips ist das Fehlen einer integrierten Fähigkeit zum Fragmentieren von Paketen. Daher muss beim Senden großer Informationsmengen deren Aufschlüsselung in Pakete vom Mikrocontroller-Programm behandelt werden. Dadurch wird auch verhindert, dass der Chip als Router verwendet wird. Dennoch kann der W5100-Chip aufgrund seiner geringen Kosten und der Verfügbarkeit von Treiberquellcodes für die Verbindung von Mikrocontrollersystemen mit einem Ethernet-Netzwerk unter Verwendung von Standard-TCP / IP-Protokollen empfohlen werden.

Autor: K. Snegov, R. Shishko, Woronesch; Veröffentlichung: radioradar.net

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