單芯片以太網瘦服務器的實現

摘要：MC9S12NE64是內置以太網MAC層和PHY層的16位網絡單片機。本文介紹如何在開發之初，為NE64建立硬件開發平臺和軟件調試平臺，以及如何利用開放源代碼，在NE64上實現單芯片的以太網服務器。

關鍵詞：單片機；嵌入式；以太網；服務器

引言

隨著網絡應用的推廣，網絡的概念逐漸由PC向工控模塊上轉移，如何充分利用網絡協議，進行數據采集或者遠程控制越來越受到了行業的關注。

進行以太網服務器的開發時，一般的做法是MCU或者DSP加上網卡芯片。這樣做可以根據設計應用的領域，選擇速度資源合適的控制芯片，和外擴芯片配合，達到功能和成本的最優化。如果控制芯片中能夠集成以太網的MAc層和PHY層，以此開發的系統當然會在靈活性方面更勝一籌。Freescale公司在最近推出的網絡芯片MC9S12NE64便是在集成度方面的一次開拓性嘗試。

MC9S12NE64單片機特點

MC9S12NE64是Freescale公司在2004年推出的一款s12系列的網絡單片機。它內部集成了以太網控制模塊和以太網物理層驅動模塊，兼容IEEE 802．3標準。和常用的網卡芯片一樣，NE64的工作模式能夠設定為10Mbps／100Mbps全雙工／半雙工，并且擁有自適應的功能，可以滿足不同物理環境的要求。

NE64芯片與一般網卡芯片不同的是它的以太網緩沖區的設計，一般網卡芯片使用FIFO作為緩沖區，這種設計可以最大限度的發揮緩沖區的作用。NE64內部剛縣使用3塊RAM作為緩沖區，兩塊用于接收，一塊用于發送，而且RAM大小．可以用戶設定。因為用于控制，以太網數據包一般少用到1.5KB的最大傳輸，所以這種用戶設定大小的緩沖RAM帶來了應用上的靈活性，而節約下來的RAM也可以被用戶程序使用。

NE64的CPU是速度為50MHz的明星內核(star Core)，總線時鐘可以達到25MHz，此外它還有8KB的片內RAM和64KB的片內Flash，因此只是一塊NE64芯片，就可以在眾多中低端網絡應用領域取代以往的外擴芯片設計模式。

除了以上資源以外，MC9S12NE64內部還集成8路lO位ADC，各種串口(2個SCI、1個SPI、1個12C)，以及一些單片機常用模塊，如定時器、振蕩器等，功能足夠強大。

在線開發方法

對于新型單片機，最重要的是要熟知它的特性，建立開發環境，然后著手開發。筆者制作了基于NE64的硬件開發平臺，同時繼承實驗室以前的積累，編寫了片上調試監控程序，用于軟件調試。以此為開發環境，實現了一個以太網服務器，用于以太網數據和串口數據的轉換，詳細介紹如下。

硬件開發

·開發平臺

首先為NE64制作了一個開發平臺，這是實現NE64最基本功能的核心子板，除了最基本的電源和時鐘電路之外，子板上還有RS232和以太網的硬件驅動電路。開發平臺的硬件示意圖如圖1所示。

其中，電源部分使用了一片LMl086，用來把供電變壓器的5V電源轉成3．3V給系統供電。RS232驅動部分使用MAX3232，用來轉換RS232的電平。網口部分采用了一個內置隔離變壓器的RJ45頭。

因為板子只是一個實現了基本功能的系統，所以單片機還有很多功能引腳暫且沒有用到，這些引腳通過兩個32引腳的歐式插座引了出來，用戶可以根據引腳定義制作相應母板，完成更多功能的開發。

·下載工具

在開發學習中，使用調試監控程序已經能夠滿足調試的要求了，但是在產品使用中，總是需要一個下載工具來把用戶的程序下載到單片機內部，因此又需要一個具有下載功能的編程器。針對這個要求，我們自行制作了一個BDM下載工具，俗稱BDM頭。

下載工具的硬件電路基本和開發平臺一樣，只是去掉了不需要的以太網驅動和歐式插座部分，僅用NE64單片機的一個I／O引腳實現和目標機的通信。軟件部分是根據芯片手冊寫的BDM功能程序，使此下載工具可以完成最基本的擦除和下載功能。因為2個MCU具有速度相同的時鐘，通信程序相當簡單。

軟件開發

·開發方式

S12系列單片機的程序編譯可以使用M e t r o w e r k s公司的CoderWarrior系列編譯軟件，它的各種限制版本可在Freescale的網站www．freescale．com下載。

BDM頭的主要用途是首先將監控程序下載到單片機的Flash中，以及最終擦除監控程序并下載最終的應用程序，BDM頭也可用于軟件調試。BDM頭可以自己制作，也可以買到第3方開發的各種商用BDM調試工具。

繼承實驗室的積累，筆者針對NE64開發平臺編寫了相應監控程序，可以完成片內Flash擦除、用戶程序下載、斷點設置、寄存器顯示、修改，存儲區顯示修改等，用來做程序開發，這些功能基本夠用了。監控指令的詳細說明，可以訪問www．tsinghua-mot．net網站。

監控程序實際上也是一個用戶程序，它通過串口與用戶交互。監控程序接收來自串口的命令，執行相應的操作，達到調試的目的。使用監控程序開發應用程序，完全是在線的，是用單片機自己調試自己，調試功能的強弱取決于監控命令的多少。缺點是監控程序本身要占用一些RAM、Flash資源。我們的NE64監控程序占用了8K的Flash和32B RAM空間，相對于NE64所擁有的64KB Flash和8KBRAM，這些資源占用量是可以接受的。

·應用實例

基于上面的開發平臺，我們完成了一個以太網服務應用器的開發實例，它是一個RS232與以太網之間進行數據轉換的模塊。由于目前在工控領域，串行接口的應用還是很普遍的，不可能短時間內完成升級，想要把已有的串行接口設備接入以太網，就需要一個“黑盒子”接在串口和以太網之間，把以太網的數據轉給串口，同時把串口的數據發送到以太網上。

此服務器主要的工作是使用UDP或者TCP來收發以太網數據包，對協議棧的齊備性要求不高，因此筆者使用一個uC／IP的精簡版本作為以太網操作的協議棧。

整體程序基于中斷設計而成，這是考慮到NE64的MAC層可以產生接受中斷，串口使用的SCI模塊也可以產生中斷，因此選擇中斷作為整個軟件的基礎，可以提高程序運行效率。詳細的流程圖圖2所示。

當系統上電完成各種初始化之后，就進入了循環等待中斷的狀態。此時當以太網的數據包發送到交互工具的時候，會觸發一次以太網接收的中斷，在中斷程序中，系統首先存儲遠端地址，然后調用協議棧進行解包分析，把有用數據通過SCI發送給串口；同時當串口數據通過SCI中斷接收進來的時候，系統調用協議棧，把數據發送到暫存的以太網遠端地址。這樣，系統不停的接收以太網上發來的數據，把它轉換給串口，同時接收串口的數據，把它發送到以太網上。

作為一個開發實例，這個系統的穩定性還是不錯的，筆者把它接入所在局域網，網絡環境不是很好，但在測試的48小時之內它的工作都是正常的。當然，如果要制作一個完備的產品，這樣一個協議處理顯得比較簡陋了，還需要進一步完善。

·協議棧運用

進行網絡應用的開發，最關鍵在于根據本身資源選擇一個比較合適的協議棧。由于MC9S12NE64的資源比較豐富，足以支持大部分的嵌入式協議棧。

目前商業化的協議棧一般比較昂貴，鑒于一般嵌入式的應用對協議棧的完備性要求不是很高，因此可以選擇使用開放源代碼的免費協議棧。Freescale為NE64選定了一個開放源代碼的協議棧OpenTCP，他們與Viola Systems公司合作，已經把OpenTCP開放源碼移植到了N E 6 4。用戶可以到w w w．f r e e s c a l e．c o m或者www．opentcp．org網站上下載開發源代碼。

如果不用OpenTCP協議棧，別的一些開放源碼，諸如1wlP，uC／IP等，也都是較好的選擇。

結語

本文介紹了一款內部集成了以太網模塊的單片機，以及其開發方式和網絡設計應用，希望給讀者帶來以太網開發方面的新思路。

MC9S12NE64內部集成以太網模塊的嘗試是對芯片集成化方向的一次開拓，或許NE64比起擴展式的網絡模塊設計方案有些欠缺，但面向中低端網絡應用領域，其單片方式帶來的靈活性與電磁兼容性還是頗具特色的。