陈俊，吴家铸，扈啸

（国防科技大学计算机学院 长沙 410073）

摘 要：为了实现基于银河飞腾DSP的嵌入式系统的TCP协议以太网通信功能，采用以太网协议控制芯片W5300设计一种嵌入式以太网接口。本文首先介绍了三种方案，用在数据采集领域中，通过以太网实现远程控制或数据传输的；然后介绍了系统的硬件结构与设计；进而介绍W5300的内部寄存器、初始化配置、工作流程、接收数据、发送数据；最后对系统功能进行验证，并进行总结。

关键字：以太网；嵌入式；W5300； FPGA；银河飞腾DSP

0 引言

现在越来越多的嵌入式系统通过以太网来扩展网络功能，以实现远程控制和数据传输。嵌入式以太网解决方案主要有3种：第一种是在控制器内编写以太网协议完成以太网的通信[1-2]，该方法开发周期长，难度大，且以太网协议程序较为繁琐，运行起来不稳定； 第二种方案是ARM等高性能处理器上运行操作系统，通过操作系统完成TCP/IP等复杂的通信协议，从而实现以太网通信[3]，该方法开发难度较大，成本较高；第三种方案是使用以太网协议芯片，通过控制器对芯片进行简单配置就能实现以太网通信，该方法使用方便、稳定可靠，广泛应用于高性能、低成本的以太网嵌入式领域。

1 系统设计

在继YHFT-DSP/700之后[4]，国防科学技术大学继续自主研制了一系列高性能DSP。其FT-XXXX是其中一款，该芯片基于八流出超长指令字体系（VLIW）结构，主频300MHz，以0.13μm工艺设计，峰值性能为每秒18亿次浮点运算和24亿条指令。W5300是一款0.18µm CMOS工艺的单芯片器件，内部集成10/100M以太网控制器，MAC和TCP/IP协议栈。通过W5300可以简单和快捷地实现以太网连接，且稳定可靠、性价比高 [5]。本文基于FT-XXXX、ALTERA公司的FPGA和以太网协议芯片W5300设计了一种嵌入式以太网接口，通过FPGA把W5300中的寄存器映射到FT-XXXX上，通过对寄存器所映射的地址直接读写，控制W5300实现TCP协议下的以太网通信。系统结构如图1所示。

 

图1 系统结构

2 系统硬件接口设计

W5300通过设置MR（IND）= 0，采用直接地址模式；通过悬空BIT16EN引脚，采用16位数据总线。另外，TEST_MODE[3:0]引脚和OP_MODE[2:0]引脚均接地时，W5300物理层使用内部的PHY，并使用全功能自动握手。W5300的硬件接口连接方式如图2所示。

 

图2 W5300的硬件接口连接

通过FPGA内的逻辑，当（~DSP_CS &(DSP_Addr[21:13]==9’h0)）选通时，把W5300中的寄存器映射到FT-XXXX上，通过对寄存器所映射的地址直接读写，可以实现对W5300的控制。

3 系统软件设计

3.1 W5300初始化配置

第一步设置主机接口。设置W5300的MR=0x3880，W5300与主机的接口模式为直接总线模式；MR(RST)为1，对W5000软件复位；在W5300复位期间，BIT16EN为高电平，所以MR(DBW)为1，采用16位数据总线宽度。设置IMR(S0_INT)为1。

第二步设置网络信息。通过设置SHAR、GAR、SUBR、SIPR、RTR和RCR分别配置本机MAC地址、网关IP地址、子网掩码、本机IP地址、重发时间和重发次数。

第三步分配SOCKETn的内部TX/RX存储器空间。通过设置MTYPER=0x00FF，使第1到第8个存储单元为TX，其他8个存储单元为RX。设TMSR=0x4000, RMSR=0x4000,使TX/RX存储器都为64KB。

3.2 W5300工作流程

初始化完成之后，W5300以TCP模式打开SOCTETn进行数据的发送和接收。TCP有两种连接方式:一种是服务器模式，等待连接请求以建立连接;另一种是客户端模式，发送连接请求到服务器以建立连接。

当W5300配置为TCP客户端模式时，完成的功能包括:端口打开、发出连接请求、数据接收和发送、接收或发送断开连接请求等。具体步骤如下：

第一步初始化SOCKET。为实现SOCTKET0作为通信端口的TCP通信，1）设置S0_CR为CLOSE，使S0关闭，S0_SSR变为SOCK_CLOSED；2)设置S0_MR=0x0101，使SOCTKET0采用TCP协议，设S0_MR(ALIGN)为1，使用队列对齐；3）通过S0_PORTR配置本机端口号；4）设置S0_CR为OPEN，打开端口。经过延时，若S0_SSR变为SOCK_INIT，则SOCKET初始化完成，否则重复执行1）~4）步。

第二步建立连接。在TCP客户端模式下，通过S0_DIPR、S0_DPORTR分别设置TCP服务器IP地址和服务器端口号，然后设置S0_CR为CONNECT执行连接。执行CONNECT后，若S0_SSR变为SOCK_ESTABLISHED，则连接成功，否则失败。

第三步接收数据。以中断的方式实现接收数据，1）通过FPGA逻辑，实现W5300接收信号与INT4连接，并在INT4的中断服务程序中，调用W5300数据接收函数；2）编写数据接收函数；首先通过判断Sn_MR(ALIGN)来计算接收数据的长度，当Sn_MR(ALIGN)=0时，数据包中包含PACKET-INFO和数据；Sn_ME(ALIGN)=1时，数据只有数据包而没有PACKET-INFO。然后从RX存储器中移出接收的数据。最后通过设置S0_CR执行RECV。

第四步发送数据。编写W5300发送函数，1）检查客户端状态。若S0_SSR为SOCK_ESTABLISHED，TCP成功建立连接；2）检查TX存储器的剩余空间是否够用。检验Sn_TX_FSR寄存器，如果发送的字节数小于或等于Sn_TX_FSR，那么就可以向W5300写入数据，最后通过设置执行SEND命令发送数据。

4 系统功能验证

4.1 W5300与计算机进行通信

在实验过程中，使用双绞线同计算机进行通信，通过TCP协议进行测试。在TCP通信协议下，测试W5300作为客户端与计算机进行通信。通过网络调试助手按照十六进制循环发送00 01 02 03 04 05 06 07 08 09总共10个数据发送到W5300，触发中断INT4，在中断服务程序中实现数据的接收和原始数据向计算机的发送。测试结果如图4所示：

 

图4 W5300作为客户端与计算机通信

根据图4测试结果，可以看出本系统在W5300作为客户端能与计算机进行正常稳定的通信。

4.2 W5300之间的通信

由本系统设计两块测试板卡A和B，板卡A的W5300作为客户端，板卡B的W5300作为服务器，测试A与B之间使用W5300的通信。

分别在发送、接收函数前后加上timer，算出接收、发送时间，根据长度/时间计算出速度。分别发送、接收不同长度的数据包的测试结果，如表1所示：

表1 W5300优化前测试结果

数据包长(Byte)/次 0x10 0x100 0x400 0x1000 0x2000 0x4000 0x8000 0x10000

接收（MB/s） 2.18 3.39 3.49 3.51 3.51 3.52 3.52 3.52

发送（MB/s） 0.80 1.82 1.97 1.99 1.99 1.99 2.00 2.00

收发（MB/s） 0.56 1.18 1.26 1.27 1.27 1.27 1.28 1.28

优化后

优化方法：1）收发数据放在内存中，减少访存开销；2）使能一级Cache和二级Cache；3）用最高级编译选项，执行速度优先；4）通过编译开关，在关键代码段使用软流水，减少冗余循环。 经过优化后，测试结果，如表2所示：

表2 W5300优化后测试结果

数据包长(Byte)/次 0x10 0x100 0x400 0x1000 0x2000 0x4000 0x8000 0x10000

接收（MB/s） 2.96 5.05 5.23 5.28 5.29 5.29 5.29 5.30

发送（MB/s） 1.12 4.13 4.75 4.87 4.88 4.88 4.89 4.89

收发（MB/s） 0.81 2.27 2.49 2.53 2.54 2.54 2.54 2.54

经过对接收、发送、收发优化前后的对比，优化后速度得到显著提升。

 

图5 W5300通信速度测试结果(单位MB/s) 

图5数据来源于文献6，文献6采用TMS320F2812作为主控制器，控制W5300实现以太网通信，采用ALTER公司的FPGA对TMS320F2812的外部空间进行扩展[6]。

本系统与文献系统相比，本系统之所以速度有所提升：1）DSP运算速度更快，板卡性能更好；2）代码优化更彻底。

5 结论

本文详细介绍了基于 FT-XXXX和以太网协议芯片W5300的嵌入式以太网接口设计方案。该设计方案开发周期短、成本低、易于实施。经实验验证，系统能够简单、灵活地实现基于TCP协议，稳定性、实时性、速率方面都有良好的表现。经过优化，发送、接收、收发速率得到显著提升。

 

参考文献

 [1] 黄新，颜学龙，雷加．边界扫描测试系统的以太网接口设计［J］．国外电子测量技术，2010,29（7）： 62-64．

[2] 黄林生，林岩．基于TMS320C6713的嵌入式网络接口设计［J］．电子测量技术，2008，31（3）：70-74.

[3] 雒珊，尹岗．基于RAM的以太网通信控制器的设计［J］．电子测量技术，2009，32(10)：133-135.

[4] 陈书明,李振涛,万江华,胡定磊,郭阳,汪东, 扈啸,孙书为,“银河飞腾”高性能数字信号处理器研究进展.计算机研究与发展，2006,43(6):993-1000.

[5] W5300用户数据手册.www.bocon.com.cn

[6]乔立岩,梁 宇,赵浩然,朱建平. 基于 W5300的以太网接口设计［J］. 电子测量技术