摘要：介紹清華同方核數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的100Mbps以太網(wǎng)控制模塊的硬件、軟件設計，以及以太網(wǎng)控制模塊的發(fā)展和未來。該模塊是基于32位高性能的ColdFire5307微處理器設計的，運行嵌入式操作系統(tǒng)uClinux，完成基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集任務。

    關鍵詞：ColdFire 以太網(wǎng)控制模塊 bootloader uClinux 嵌入式操作系統(tǒng)

清華同方公司的核數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)收集和發(fā)送的通信控制模塊，以前是基于CAN總線設計開發(fā)的，也有效可靠地完成了以前的數(shù)據(jù)采集任務，在威視集裝箱檢測系統(tǒng)中發(fā)揮了應有的作用。但是隨著前端數(shù)據(jù)量的急劇增加，CAN總線的許多缺點，大大限制了系統(tǒng)的通信能力，同時以往的8位處理模塊也無法勝任大量數(shù)據(jù)的緩存和發(fā)送任務。因此，我們?yōu)橥胶?strong>數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計了100Mbps以太網(wǎng)接口的32位嵌入式控制模塊，成功地完成了系統(tǒng)中高速通信控制功能。

1 100Mbps以太網(wǎng)與CAN總線的對比

100Mbps以太網(wǎng)接口相比CAN總線接口，在數(shù)據(jù)傳輸速度、傳輸距離、軟件可靠性、控制軟件開發(fā)的難度，及以后的可擴展性等各個方面，都有很大的優(yōu)勢，因此，在通信能力要求較高的系統(tǒng)中采用100Mbps以太網(wǎng)替代CAN總線的優(yōu)勢是顯然的。

2 100Mbps以太網(wǎng)控制模塊的硬件架構(gòu)

100Mbps以太網(wǎng)控制模塊的硬件設計比較復雜，包括的外設也比較多，不過主要是以ColdFire5307微處理器和以太網(wǎng)通信芯片ASIX88796L為核心的，如圖1所示。

（1）ColdFire5307

ColdFire系列微處理器是Motorola公司面向嵌入式工業(yè)控制系統(tǒng)的高性能32位微處理器。它具有很好的32位架構(gòu)，是Motorola公司延續(xù)M68K產(chǎn)品線的替代產(chǎn)品，繼承了M68K系列優(yōu)秀的指令集成設計和CISC架構(gòu)的優(yōu)點，并融入了RISC架構(gòu)的優(yōu)點，在速度和架構(gòu)之間得到很好的平衡，非常適合于工業(yè)現(xiàn)場控制。ColdFire5307是ColdFire家族的第3代產(chǎn)品，除了內(nèi)部的32位微處理器以外，還帶有一個算術累加單元，用于完成數(shù)字信號處理系統(tǒng)中常用的累加和累乘等常見數(shù)字信號處理算法等。ColdFire微處理器上可以運行流行的實時操作系統(tǒng)，像VxWorks和Nucleus等。但是最為可靠和常見的，是運行uClinux操作系統(tǒng)。

    （2）100Mbps以太網(wǎng)芯片及其電路部分

ASIX公司的ASIX88796L是NE2000兼容的、16位數(shù)據(jù)總線接口的、10M/100Mbps自適應的以太網(wǎng)通信芯片。之所以選擇ASIX88796L，主要原因是它極高的性價比和NE2000兼容的架構(gòu)。NE2000是非常好的以太網(wǎng)MAC層構(gòu)架，也是非常成熟的架構(gòu)。NE2000架構(gòu)以太網(wǎng)接口芯片的驅(qū)動和應用也是非常成熟的，在uClinux操作系統(tǒng)下也可以比較容易應用。

ASIX88796L的內(nèi)部帶有8K字的SRAM作為發(fā)送和接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的緩沖器。另外，ASIX88796L內(nèi)部帶有10M/100Mbps的以太網(wǎng)物理層接口（PHY），可以直接和以太網(wǎng)隔離變壓器連接以后接RJ45接口。

ASIX88796L芯片支持80186總線、M68K總線和8051總線。我們使用它的M68K總線模式來和ColdFire5307接口。這種模式的選擇可以通過ASIX88796L的模式選擇引腳CPU1：0進行：當CPU1：0設置為0b10時，選擇Motorola的M68K總線，這個時候ASIX88796L的引腳和ColdFire5307的引腳。

這種連接就使得ASIX88796L掛在了ColdFire5307的外部總線上，可以通過片選信號5來訪問外設ASIX88796L。其中BE0和BE1是16位數(shù)據(jù)線的高低字節(jié)單獨的選擇信號，它們使得ColdFire5307可以單獨讀寫ASIX88796L的8位寄存器，而不需要一次訪問16位寄存器。

（3）SDRAM電路部分

作為32位高性能嵌入式微控制器,ColdFire5307內(nèi)部自帶DRAM控制器，可以外接EDO的DRAM和同步DRAM（也就是SDRAM）。因為EDO DRAM在嵌入式系統(tǒng)中已經(jīng)不常使用，因此在100Mbps以太網(wǎng)控制模塊中使用了價格低廉、容量巨大的SDRAM。這種SDRAM和PC上使用的SDRAM內(nèi)存條上面的SDRAM芯片是同樣的，因此價格很低，非常適合系統(tǒng)使用。

100Mbps以太網(wǎng)控制模塊中使用了2片4M×16位的SDRAM拼成4M×32位的SDRAM，這樣就有了16MB的RAM空間。使用的SDRAM是現(xiàn)代公司的HY57V641620。每片SDRAM由4個1M×16位的內(nèi)部Bank組成，這個Bank的選擇由SDRAM的外部引腳BA0和BA1來完成，在我們的模塊中BA0和BA1都連接在ColdFire5307的高端地址線上；其它信號和ColdFire都一一對應。UDQM和LDQM是SDRAM的高低字節(jié)片選信號，因為每片SDRAM都是16位架構(gòu)，所以將兩片SDRAM拼在一起變成32位時，其它信號線對兩片SDRAM來說都是共用的，唯有數(shù)據(jù)線和這兩個信號不是共用的。這兩個信號應該分別接ClldFire的CAS0、CAS1和CAS2、CAS3。

（4）其它電路部分

100Mbps以太網(wǎng)控制模塊的硬件設計還包括：4MB16位總線寬度Flash存儲器、Real Time Clock、CPLD總線擴展等。Flash存儲器主要用于存儲程序代碼和數(shù)據(jù)，其中下面要提到的bootloader及uClinux就是存放在Flash存儲器中；Real Time Clock實時時鐘接口電路可以給模塊提供準確的時間信息；CPLD主要用于總線擴展。它們具體的電路連接比較簡單，這里就不再作詳細說明。

3 100Mbps以太網(wǎng)控制模塊的軟件架構(gòu)

100Mbps以太網(wǎng)控制模塊的軟件開發(fā)是基于uClinux操作系統(tǒng)的，模塊架構(gòu)如圖2所示。

bootloader用來完成系統(tǒng)啟動和操作系統(tǒng)加載的工作。在8位單片機中，一般沒有bootloader的概念。因為8位單片機系統(tǒng)的架構(gòu)比較簡單，系統(tǒng)復位以后就會運行ROM中的代碼；而32位單片機本身需要初始化的內(nèi)容很多。因為軟件工作人員只需要關心開發(fā)操作系統(tǒng)和應用代碼，硬件和底層軟件工程師就必須提供初始化系統(tǒng)和下載操作系統(tǒng)以及應用代碼的一個機制，就形成了bootloader，功能和PC機上常用的BIOS（Basic Input Output System）的功能是一樣的。圖3的bootloader是使用Motorola的dBUG為模板，參照其它bootloader而形成的。嵌入式操作系統(tǒng)uClinux在CodFire硬件平臺上的下載及運行都是通過bootloader完成的。

正如前面提到的，模塊的軟件設計是基于uClinux操作系統(tǒng)的。這是因為uClinux操作系統(tǒng)是面向像ColdFire5307這種內(nèi)部沒有內(nèi)存管理單元（MMU）的嵌入式微處理器的。它具有很好的擴充性和延續(xù)性，非常適合作為ColdFire系列操作處理器的操作系統(tǒng)。另外，uClinux操作系統(tǒng)源代碼公開，是面向全世界開發(fā)工程師的免費操作系統(tǒng)；它支持最新的技術和器件，非常有利于軟件的開發(fā)。

要使用uClinux操作系統(tǒng)進行軟件開發(fā)，必須先對uClinux進行編譯，并移植到ColdFire硬件平臺上。UClinux的編譯需要三個步驟。

（1）配置內(nèi)核

命令就用make menuconfig。（在/uClinux-dist/目錄下。）

首先是選擇target，就是使用的芯片和板子。我們選用的是Cadre-III的板子，因為這和ColdFire5307硬件架構(gòu)最接近。然后是選擇內(nèi)核。Gerg的內(nèi)核包都同時包架構(gòu)最接近。然后是選擇內(nèi)核。Gerg的內(nèi)核包都同時包含了2.0.x和2.4.x兩個內(nèi)核。這兩個內(nèi)核各有好處，2.4.x支持的平臺可能多些，但一些應用調(diào)試會很累（比如ppp）；而2.0.x的內(nèi)核支持的平臺可能少些（比如vz328），但調(diào)試應用問題極少。

    其它的配置就要看系統(tǒng)的需要。不明白的可以參照Documentation/和linux-2.0.x/Documentation/或linux-2.4.x/Documentation/下的文檔，最重要的當然還是Configure.help。

（2）Make dep

配置完以后需要先使用make dep命令。這個命令會按照用戶選擇的配置架構(gòu)，對每一個目錄生成特定的makefile文件。

（3）Make

最后使用make命令生成目標代碼。如果成功，在uClinux-dist下有一個images目錄。下面有四個文件：

image.elf——ELF格式含調(diào)試信息和romfs的uClinux，可以在Linux環(huán)境下用gdb裝載調(diào)試運行；

romfs.bin——romfs的二進制文件；

linux.bin——linux.bin和romfs.bin合并而成，并多了4字節(jié)的校驗，這個文件的內(nèi)容通過bootloader下載到RAM里后就可以直接從入口運行了。在我們的以太網(wǎng)控制模塊中，這個文件會被下載到RAM里的0x20000地址處，這樣設置了PC從0x20000開始運行就可以了。通過bootloader還可以將image.bin從RAM與到Flash中，避免掉電丟失。

這樣就將uClinux移植到了ColFire硬件平臺上。這時，系統(tǒng)啟動后經(jīng)過初始化，ColdFire5307的bootloader會自動加載運行uClinux操作系統(tǒng)。UClinux操作系統(tǒng)在初始化定義的硬件接口下，可以訪問ASIX88796L。

在uClinux操作系統(tǒng)下為新的100Mbps以太網(wǎng)添加驅(qū)動也比較簡單。關鍵的文件有兩個：一個是uClinux/linux/drivers/net/目錄下的ne.c文件；另一個文件是uClinux/linux/include/asm-m68knommu/目錄下面的mcfne.h文件。其中mcfne.h文件主要定義端口的讀寫，也就是一些底層的讀寫操作；而ne.c文件是NE2000系列以太網(wǎng)接口芯片在uClinux操作系統(tǒng)下驅(qū)動的具體實現(xiàn)。對二者略微修改，就可以完成100Mbps以太網(wǎng)驅(qū)動的添加工作。

至此，uClinux操作系統(tǒng)就在ColdFire硬件平臺上跑起來了，并且 安裝好了100Mbps以太網(wǎng)的驅(qū)動，可以在上面進行具體的軟件開發(fā)了。

4 100Mbps以太網(wǎng)控制系統(tǒng)的發(fā)展和未來

軟件方面：隨著uClinux內(nèi)核的不斷升級，將采用更新的內(nèi)核來更好的支持多線程，提高軟件的綜合性能，并且完善應用代碼。

硬件方面：將會采用具有更高速度和性能的V4sColdFire內(nèi)核的ColdFire系列微處理器來設計硬件模塊，比如ColdFire5470等。這些微處理器不但有更高的速度，而且內(nèi)部帶有FPU（浮點運算單元）和集成的MAC（以太網(wǎng)MAC層控制器），并且?guī)в蠵CI控制器等。我們采用新的內(nèi)核的微處理器可以使得數(shù)據(jù)采集的傳輸速度達到100Mbps的高速傳輸，使用PCI也使得我們的嵌入式模塊可以和VME總線的橋芯片連接起來作為低成本的VME總線控制設備。這些都是系統(tǒng)將要發(fā)展的方向。另外可以將以太網(wǎng)控制器的速度擴展到1Gbps，這將會使系統(tǒng)的傳輸能力大幅度提高。