Implementazione di un dispositivo per operare in reti Ethernet basato sul chip W5100. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

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Attualmente, l'accesso remoto alle informazioni, la raccolta dei dati, il controllo e il monitoraggio remoti nell'industria, i sistemi di sicurezza, la telefonia IP ei servizi di videocomunicazione sono ampiamente sviluppati nella vita quotidiana e negli affari. Tutto questo sta diventando parte integrante della vita moderna.

Un componente obbligatorio di tali sistemi sono i canali di comunicazione e le linee cablate rimangono la base per la costruzione di reti di computer e telecomunicazioni. La principale tecnologia utilizzata nelle reti locali è Ethernet.

Lo stack di protocollo più comune nelle reti Ethernet è TCP/IP. La loro struttura si è rivelata vincente per la trasmissione di informazioni eterogenee, ottimale per reti locali ad alta velocità con traffico multimediale. Sono stati questi protocolli a costituire la base di Internet. Possono essere implementati in diversi modi.

Il primo modo è il software. Ma ci sono molte difficoltà lungo la strada. La creazione di uno stack di protocollo software o anche il porting esistente, distribuito liberamente in stack di codice sorgente (come IwlP, ulP) è un'attività piuttosto complessa e che richiede tempo. Lo stack richiede un sistema operativo, che può anche richiedere molto tempo per adattarsi a uno specifico microcontrollore. Inoltre, quasi tutti i sistemi operativi (ad eccezione di alcuni cloni di Linux) non sono distribuiti gratuitamente. L'implementazione software dei protocolli utilizza in modo intensivo le risorse del sistema operativo, del processore e della memoria, il che influisce negativamente sulle prestazioni del sistema nel suo insieme.

Per salvare il microcontrollore dall'esecuzione di procedure di trasferimento dati su un canale di comunicazione e ridurre significativamente i tempi di sviluppo, il secondo metodo consente: l'implementazione hardware di parte dei protocolli utilizzando LSI specializzato. Questo articolo descriverà l'implementazione pratica di un sistema progettato per funzionare in reti Ethernet utilizzando protocolli standard, costruito su un microcontrollore e un LSI specializzato di WIZnet, che implementa lo stack di protocollo TCP/IP nell'hardware.

È stato utilizzato il microcontrollore AT91SAM9261 con un core del processore ARM9. La sua scelta è stata influenzata dalla presenza di alcune necessarie funzioni periferiche. Tuttavia, è possibile utilizzare quasi tutti gli altri microcontrollori, compreso uno molto meno produttivo, anche se questo potrebbe essere pagato da una diminuzione del tasso di cambio.

Per l'implementazione hardware dei protocolli TCP/IP viene utilizzato il chip W5100, che ha le seguenti capacità:

- implementazione hardware dei protocolli TCP, UDR ICMR IPv4 ARR IGMR PPPoE, Ethernet;
- convertitore di livello fisico Ethernet 10BaseT/100BaseTX integrato;
- riconoscimento automatico delle modalità operative full duplex, half duplex, 10 o 100 Mbit/s;
- tre modi per connettersi al microcontrollore. Diretto, Indiretto, SPI;
- supporto per connessioni ADSL con protocollo PPPoE;
- la capacità di lavorare contemporaneamente con quattro connessioni, ognuna delle quali è configurata per funzionare in modalità client o server;
- 16 KB di memoria interna allocata per buffer di ricezione e trasmissione.

La base per il layout del sistema era la scheda di sviluppo AT91SAM9261-EK disponibile. Sulla scheda è stato installato un modulo WIZ810MJ contenente un chip W5100 con le "tubazioni" necessarie e un gruppo RJ113BZ: un connettore RJ-45 con trasformatori di isolamento galvanico integrati ed elementi corrispondenti. Per il collegamento a un dispositivo di controllo (microcontrollore), il modulo è dotato di due connettori PBD2-28 pin.

Tutta la documentazione necessaria per lavorare con il chip W5100 e il modulo WIZ810MJ è disponibile sul sito ufficiale dell'azienda WIZnet: wiznet.co.kr. C'è anche il codice sorgente in C per il driver, che implementa funzioni di alto livello per lavorare con i socket W5100, nonché una guida per il porting del driver. Vorrei sottolineare che tutta la documentazione è scritta in un formato molto semplice da comprendere, quindi comprendere la connessione e la programmazione del W5100 non sarà difficile. La documentazione per il microcontroller AT91SAM9261 è disponibile su at91.com

In figura è mostrato lo schema di collegamento del modulo WIZ810MJ al microcontrollore AT91SAM9261 per il funzionamento in modalità Diretto. I numeri dei pin del microcontrollore sono indicati tra parentesi.

Le linee DO-D7 formano il bus dati, le linee AO-A14 formano il bus indirizzi. Segnale NRD - lettura dalla memoria, segnale NWE - scrittura nella memoria. Il segnale RESET, che resetta il chip W5100, può essere inviato da qualsiasi linea libera della porta del microcontrollore. È stata utilizzata la linea RVO.

Il microcontrollore AT91SAM9261 offre la possibilità di collegare fino a otto dispositivi, lo scambio di dati con i quali avviene come con la memoria esterna. Per ciascuno di essi viene allocata un'area nello spazio di memoria del microcontrollore e viene generato il proprio segnale di selezione del dispositivo (CS). In questo caso è coinvolto il segnale CS6 (funzione alternativa della linea PCO).

Per rispondere velocemente ad un cambiamento di stato del microcircuito W5100, è necessario applicare il segnale INT al microcontrollore e configurare la port line a cui è applicato per generare richieste di interrupt su un dislivello decrescente. Il gestore di interrupt software deve analizzare il contenuto del registro Sn_IR sul chip W5100. In questo caso, l'ingresso di richiesta di interrupt dal W5100 è la linea PC2.

Di seguito vengono descritti i passaggi necessari per configurare il microcontrollore e il chip W5100 per funzionare su Ethernet. I frammenti di programma sono scritti in C e possono essere utilizzati praticamente senza modifiche per alcun microcontrollore Atmel ARM.
Il driver da "scaricare" dal sito Web WIZnet è costituito dai file w5100.c, socket.c, types.h, w5100.h, socket.h. Questi file devono essere inclusi nel progetto. La versione originale del driver è progettata per funzionare nel microcontrollore ATmega128, ma è molto facile adattarlo a quasi tutti gli altri microcontrollori, sostituendo solo poche righe di programma.

Prima di tutto, dobbiamo apportare alcune modifiche al file types.h.

Sostituzione delle corde

#define _DEF_IINCHIP_MAP_BASE_ 0x8000
su
#def i ne _DEF_IINCHIP_MAP_BASE_ 0x70000000
impostare l'indirizzo da cui si accede ai registri e ai buffer del chip W5100 (dall'indirizzo 0x70000000 nello spazio di memoria del microcontrollore, inizia l'area corrispondente al segnale CS6). Dopodiché è necessario commentare la riga
#includere
e salva il file types.h modificato.
Aprire il file W5100.C. Qui dovresti commentare la riga
#includere
e aggiungi una riga dopo di essa
#includere

Successivamente, è necessario trasformare i puntatori a 16 bit ai buffer di ricezione e trasmissione in quelli a 32 bit.

Per fare questo, nelle righe

uintl6 statico
INDIRIZZOBASESBUF[MAX_SOCK_NUM]; /**< Tx
indirizzo di base del buffer per ogni canale */
и
uintl6 statico
SBUFBASEADDRESS[MAX_SOCK_NUM]; /**< Indirizzo base del buffer Tx per ciascun canale */
(trasferimenti condizionali) sostituiremo i descrittori di tipo della variabile uint16 con uint32.

Più avanti nel testo del programma, sostituiamo tutti gli indirizzi a 16 bit passati come parametri di funzione con quelli a 32 bit. Dopo aver eseguito queste sostituzioni, è possibile salvare il file e utilizzare le funzioni di alto livello del driver nel programma principale.

Resta solo da inizializzare l'SMC (Static Memory Controller) del microcontrollore per generare il segnale CS6 (Tabella 1) e inserire i valori desiderati nei registri del chip W5100 (Tabella 2).

Ora che tutte le impostazioni necessarie sono state effettuate, il sistema è pronto per funzionare su qualsiasi protocollo supportato dal chip W5100.

Ad esempio, nella tabella. 3 mostra una possibile procedura per ricevere messaggi in modalità "server", e in tabella. 4 - la procedura di trasferimento in modalità "cliente".

Lo svantaggio più significativo del chip W5100 è la mancanza di una capacità integrata di frammentare i pacchetti. Pertanto, quando si inviano grandi quantità di informazioni, la loro scomposizione in pacchetti dovrà essere gestita dal programma del microcontrollore. Ciò impedisce anche che il chip venga utilizzato come router. Tuttavia, il chip W5100, grazie al suo basso costo e alla disponibilità di codici sorgente dei driver, può essere consigliato per il collegamento di sistemi a microcontrollore a una rete Ethernet utilizzando i protocolli TCP/IP standard.

Autore: K. Snegov, R. Shishko, Voronezh; Pubblicazione: radioradar.net

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