一種高效的以太網(wǎng)擴(kuò)展方法及實(shí)現(xiàn)

趙曉宇 龔學(xué)銳

摘要：以太網(wǎng)通信因其通信速率快、通信可靠、連接方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)在的控制裝置中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。針對(duì)上述相關(guān)場(chǎng)景對(duì)以太網(wǎng)通信的需求，確定了一種適用于簡(jiǎn)單以太網(wǎng)應(yīng)用的高效擴(kuò)展方法。并通過(guò)相關(guān)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了相關(guān)分析和設(shè)計(jì)的正確性。

關(guān)鍵字：以太網(wǎng)嵌入式W5100S通信擴(kuò)展

Abstract： Ethernet is becoming more and more popular in industrial communication for its high speed、reliability and easy connecting. This paper focus on the application that have very urgent need of Ethernet， this paper verified the the practicability of the method by developing a prototype and test on it.

Keywords： EthernetEmbedded systemW5100SCommunication extend

1 引言

隨著各種工業(yè)設(shè)備智能化程度的提高，其對(duì)通信性能的要求也逐漸的提高，即需要傳輸更多的數(shù)據(jù)、更快的傳輸速度和更可靠的連接。傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)中常用的CAN、RS485等總線(xiàn)傳輸速率已經(jīng)明顯無(wú)法滿(mǎn)足新的需求。以太網(wǎng)總線(xiàn)以其通信速率快、通信可靠、連接方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，逐漸在工業(yè)控制領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，近些年多數(shù)芯片廠家在 其最新系列的DSP芯片中都加入了以太網(wǎng)功能，而這在以前是很少見(jiàn)的。

對(duì)于一些不支持以太網(wǎng)的DSP，以及

FPAG、低端ARM等要向?qū)崿F(xiàn)以太網(wǎng)功能就必須通過(guò)適當(dāng)技術(shù)手段來(lái)擴(kuò)展。本文將針對(duì)此種技術(shù)需求展開(kāi)研究，并給出一種高效的解決方案。

2 以太網(wǎng)技術(shù)原理分析

OSI（Open System Interconnect）定義了網(wǎng)絡(luò)互連的七層框架分別為：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話(huà)層、表示層、應(yīng)用層，而目前以太網(wǎng)協(xié)議中應(yīng)用最廣泛的TCP/IP則是采用了簡(jiǎn)化的五層模型。

TCP/IP協(xié)議模型的五層結(jié)構(gòu)中將OSI模型種的應(yīng)用層、表示層、會(huì)話(huà)層三層統(tǒng)一歸入應(yīng)用層。

各種設(shè)備間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的物理接口、標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)幀格式以及標(biāo)準(zhǔn)的上層協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信。

3基于W5100S的以太網(wǎng)設(shè)計(jì)

3.1軟件功能實(shí)現(xiàn)分析

在嵌入式應(yīng)用中以太網(wǎng)功能的軟件實(shí)現(xiàn)主要分為操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和基于代碼的功能集成兩種方式。而編程開(kāi)發(fā)基本都是基于socket接口的方法實(shí)現(xiàn)。

通過(guò)socket接口，屏蔽了底層軟件的復(fù)雜接口，降低了編程復(fù)雜度。

3.2 硬件功能分析

以太網(wǎng)的硬件功能實(shí)現(xiàn)主要可分為兩部分：第一，芯片與PHY側(cè)接口硬件;第二，PHY芯片與外部接口硬件。

硬件功能接口的區(qū)別是限制以太網(wǎng)擴(kuò)展方式的主要因素。如DSP芯片一般都沒(méi)有MAC接口，因此DSP無(wú)法直接擴(kuò)展以太網(wǎng)功能。而FPGA的接口資源豐富且接口配置靈活，因此可以實(shí)現(xiàn)多路擴(kuò)展，但需要通過(guò)邏輯資源實(shí)現(xiàn)MAC控制器才能實(shí)現(xiàn)完整的MAC功能。

3.3 基于W5100S的以太網(wǎng)功能開(kāi)發(fā)

W5100S 是一款多功能的單芯片網(wǎng)絡(luò)接口芯片，內(nèi)部集成全硬件的TCP/IP協(xié)議棧，以太網(wǎng)MAC和 10Base-T/100Base-TX以太網(wǎng)控制器，實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)功能的單芯片擴(kuò)展。其支持IPv4，TCP，UDP，ICMP，IGMP，ARP，PPPoE等各種TCP/IP協(xié)議，而且擁有8KB的發(fā)送緩存和接收緩存，可以最大限度地減少M(fèi)CU的開(kāi)銷(xiāo)。

3.3.1 基于W5100S的硬件設(shè)計(jì)

W5100S內(nèi)部已經(jīng)集成了MAC、PHY等功能，因此只用將芯片對(duì)應(yīng)的接口分別連接到MCU和以太網(wǎng)接口即可，本設(shè)計(jì)中所選用的以太網(wǎng)接口已經(jīng)集成了網(wǎng)絡(luò)變壓器，因此也不用設(shè)外部變壓器。

本設(shè)計(jì)中采用了SPI接口和8BIT并行系統(tǒng)總線(xiàn)接口的兼容設(shè)計(jì)。由于SPI總線(xiàn)速率受外部影響因素較大，因此在吞吐量要求比較高的場(chǎng)合推薦用并行總線(xiàn)。

3.3.2 軟件功能設(shè)計(jì)

由于W5100S內(nèi)部已經(jīng)集成了全硬件的TCP/IP協(xié)議棧，因此相關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)只用通過(guò)SPI或者并行總線(xiàn)接口操作相關(guān)寄存器即可。

對(duì)相關(guān)寄存器的操作基于socket功能的軟件框架實(shí)現(xiàn)的非常易于實(shí)現(xiàn)。

44試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

本文相關(guān)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證內(nèi)容主要包含硬件和軟件兩個(gè)部分。硬件平臺(tái)MCU采用TI公司的DSP芯片，型號(hào)為T(mén)MS320C28346;以太網(wǎng)擴(kuò)展芯片為WIZnet公司的W5100S集成以太網(wǎng)控制器;以太網(wǎng)連接器采用漢仁的HR901103C，該型號(hào)集成了網(wǎng)絡(luò)變壓器。

以太網(wǎng)軟件功能測(cè)試采用網(wǎng)絡(luò)封包軟件Wireshark全程對(duì)以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行捕獲并通過(guò)pcapng格式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。捕獲的數(shù)據(jù)包括TCP、LLMNR、DHCP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)集進(jìn)行篩選，保留TCP通信協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析。

從實(shí)驗(yàn)可見(jiàn)Wireshark正確的識(shí)別出了板卡發(fā)出的TCP幀。證明設(shè)計(jì)TCP功能的正確性。

通過(guò)PC端回環(huán)測(cè)試，進(jìn)行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的時(shí)間序列圖和實(shí)際數(shù)據(jù)吞吐量測(cè)試，如圖10～13所示整個(gè)傳輸過(guò)程中發(fā)送和接收數(shù)據(jù)吞吐量和時(shí)間序列保持穩(wěn)定，因此可以確認(rèn)在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中以太網(wǎng)傳輸沒(méi)有斷開(kāi)的情況發(fā)生，一直保持兩端正常通信。

所以可以確認(rèn)相關(guān)硬件和軟件設(shè)計(jì)的正確性。

5 結(jié)論

在以太網(wǎng)應(yīng)用越來(lái)越廣泛的今天，以太網(wǎng)擴(kuò)展的需求也越來(lái)越廣。針對(duì)部分DSP、FPGA等不具備以太網(wǎng)功能的芯片而言，通過(guò)集成協(xié)議棧功能的W5100S來(lái)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)功能的擴(kuò)展，是一種簡(jiǎn)單、高效的擴(kuò)展方法。其不僅開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，而且基本不會(huì)影響原系統(tǒng)的性能，因此可作為一種優(yōu)選的擴(kuò)展方案。

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作者簡(jiǎn)介： 趙曉宇（1987-），男，工程師，武漢船用電力裝置研究所，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)