硬件协议栈芯片W3100A

   摘要：W3100是WIZnet公司专门为以太网互联和嵌入式设备推出的硬件TCP／IP协议栈芯片，其硬件TCP／IP协议栈包含了TCP、UDP、IP、ARP和ICMP协议。文中介绍了W3100A的主要特点、引脚功能和基本结构，分析了W3100的软硬件设计应用方法。

    关键词：TCP/IP协议栈；W3100A；Socket API；以太网

１ W3100A简介

近年来，随着技术的飞速进步，电子产品正朝着小型化、智能化和网络化的方向发展。在小型嵌入式设备中实现以太网互联正在成为研究和应用的热点。在这种潮流的推动下，研究人员提出了许多解决方案。传统的做法是在嵌入式设备中植入ＴＣＰ／ＩＰ协议栈，或者移植一个具有ＴＣＰ／ＩＰ协议栈的嵌入式操作系统。虽然上述做法在很多应用中取得了不错的效果，但都是以牺牲大量资源为代价的。而本文介绍的Ｗ３１００Ａ硬件协议栈则可以在占用极低系统资源的条件下快速完成网络通讯。

    Ｗ３１００Ａ的主要性能特点如下：

●硬件协议栈包括ＴＣＰ、 ＩＰ Ｖｅｒ．４、 ＵＤＰ、 ＩＣＭＰ、 ＡＲＰ；

●支持硬件以太网协议ＤＬＣ和ＭＡＣ；

●同时支持四路独立的网络连接；

●支持Ｐｉｎｇ命令；

●协议处理速度达到全双工４～５Ｍｂｐｓ；

●支持Ｉｎｔｅｌ／Ｍｏｔｏｒｏｌａ ＭＣＵ总线接口；

●支持Ｉ２Ｃ接口；

●带有标准的ＭＩＩ接口，可连接底层以太网接口芯片；

●可提供Ｓｏｃｋｅｔ ＡＰＩ加速应用程序开发；

●支持全双工模式；

●其内建１６ＫＢ双口ＲＡＭ可作为数据缓冲区；

●采用０．３５μｍ ＣＭＯＳ制造工艺。

２ W3100A的引脚功能

Ｗ３１００Ａ采用６４脚ＬＱＦＰ封装，其引脚分布如图１所示。各引脚功能描述如下：

ＴＸＤ[０]～ＴＸＤ[３]：在ＴＸＤ＿ＣＬＫ上升沿发送数据。串行模式时，ＴＸＤ[０]用作串行数据发送引脚，ＴＸＤ[１]～ＴＸＤ[３]无效。

ＴＸＥ：发送使能端。

ＴＸＤ＿ＣＬＫ：数据发送时钟，时钟由以太网接口芯片提供。

ＲＸＤ[０]～ＲＸＤ[３]：在ＴＸＤ＿ＣＬＫ下降沿接收数据。串行模式时，ＲＸＤ[０]作为串行数据接收引脚，ＲＸＤ[１]～ＲＸＤ[３]无效。

ＲＸＤＶ／ＣＲＳ：载波监测。高电平有效。

ＲＸＤ＿ＣＬＫ：数据接收时钟，时钟由以太网接口芯片提供。

ＣＯＬ：冲突探测引脚。在半双工模式发生冲突时有效。

Ａ[１４～８]／ＤＡ[６～０]：在ＭＣＵ总线接口模式下作为１４～８位地址。在Ｉ２Ｃ模式下作为Ｉ２Ｃ接口６～０位设备地址。

Ａ[７～０]：７～０位地址线。

Ｄ[７～０]：８位数据线。

ＩＮＴ：接收发送中断请求。低电平有效。

ＣＳ：片选信号。低电平有效。

ＷＲ：写信号。低电平有效。

ＲＤ：读信号。低电平有效。

ＲＥＳＥＴ：复位信号。

ＣＬＯＣＫ:工作时钟。通常由以太网接口芯片提供，推荐频率为２５ＭＨｚ。

ＥＸＴ＿ＣＬＫ：外部时钟输入信号。

    ＬＩＮＫ：表示是否已连接到以太网。低电平表示连接有效，高电平表示ＴＣＰ超时或连接关闭。

ＳＥＲＩＡＬ：１０ＢＡＳＥ－Ｔ ＳＥＲＩＡＬ或ＮＩＢＢＬＥ选择。

ＦＤＰＬＸ：全双工／半双工选择。０为全双工，１为半双工。

ＭＯＤＥ[２～０]：用于选择Ｗ３１００Ａ工作模式。０００为时钟模式；００１为外部时钟模式；０１０为无时钟模式；０１１为Ｉ２Ｃ模式；１ｘｘ为测试模式。３ Ｗ３１００Ａ的内部结构

系统设计人员利用Ｗ３１００Ａ可以方便快捷地为产品添加网络功能。Ｗ３１００Ａ的硬件ＴＣＰ／ＩＰ协议栈包含了ＴＣＰ、ＵＤＰ、ＩＰ、ＡＲＰ和ＩＣＭＰ协议。并支持一套与Ｗｉｎｄｏｗｓ系统相同的ｓｏｃｋｅｔ ＡＰＩ。Ｗ３１００的内部结构框图如图２所示。

Ｗ３１００Ａ共有３２ｋＢ的内部存储器空间。其中位于存储器顶部地址为０ｘ００００～０ｘ０１ＦＦ的１ｋＢ空间分配给了控制寄存器组，０ｘ２０００～０ｘ３ＦＦＦ则作为保留空间供给其它设备使用，而０ｘ４０００～０ｘ５ＦＦＦ为发送缓冲区，０ｘ６０００～０ｘ７ＦＦＦ为数据接收缓冲区。由于Ｗ３１００Ａ可以为用户提供４路独立的连接通路，所以相对应的８ｋＢ发送缓冲区和 ８ｋＢ接收缓冲区可以通过寄存器ＴＭＳＲ和ＲＭＳＲ进行配置。配置方法如图３所示。

４ 应用设计

４．１ 硬件设计

Ｗ３１００Ａ有３种不同的工作模式，分别为Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｕｓ Ｉ／Ｆ模式、Ｉｎｄｉｒｅｃｔ Ｂｕｓ Ｉ／Ｆ模式和Ｉ２Ｃ Ｂｕｓ Ｉ／Ｆ模式。用户可根据自己的实际情况进行选择。下面就常用的Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｕｓ Ｉ／Ｆ模式和Ｉ２Ｃ Ｂｕｓ Ｉ／Ｆ模式作以简单介绍。

图４是Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｕｓ Ｉ／Ｆ模式的硬件结构框图。

由图可见，该模式下，Ｗ３１００Ａ共用了１５条地址线、８位数据线、片选ＣＳ，及读写控制信号ＷＲ和ＲＤ。不难看出，该模式下硬件电路设计相对简单，但要占用较多的ＭＣＵ资源。同时还应该注意，在Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｕｓ Ｉ／Ｆ模式下，Ｗ３１００Ａ的工作时钟也有３种不同的模式，在大多数情况下，系统推荐使用Ｃｌｏｃｋｅｄ 模式，因为该模式下系统可以稳定的工作。但是如果系统中ＭＣＵ的访问速度小于１００ｎｓ，则应为Ｗ３１００Ａ单独外接时钟并选择Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｃｌｏｃｋ模式。而当ＭＣＵ的ＣＳ、ＲＤ、ＷＤ信号时序满足Ｗ３１００Ａ的要求时，也可以不要时钟。

    图５是Ｉ２Ｃ Ｂｕｓ Ｉ／Ｆ模式下，ＭＣＵ与Ｗ３１００Ａ的连接示意图。

Ｉ２Ｃ Ｂｕｓ Ｉ／Ｆ模式下，可使用ＳＣＬ和ＳＤＡ在ＭＣＵ和Ｗ３１００Ａ之间串行传输数据，时钟信号线ＳＣＬ由ＭＣＵ提供，ＳＤＡ则用来在ＭＣＵ和Ｗ３１００Ａ之间传送地址和数据。只要系统中的ＭＣＵ支持Ｉ２Ｃ总线即可使用该模式。可以看出，使用该模式可以大量减少ＭＣＵ与Ｗ３１００Ａ的连接线，从而节省ＭＣＵ的资源。

４．２ 软件设计

此外，通过ＷＩＺｎｅｔ公司为Ｗ３１００Ａ专门提供的Ｓｏｃｋｅｔ ＡＰＩ软件，可使网络通讯的软件设计更加方便。利用该软件进行设计时，应首先初始化Ｗ３１００Ａ的网络设置，即在相应的寄存器中设置默认网关、子网掩码、本机物理地址和ＩＰ地址，然后建立Ｓｏｃｋｅｔ连接以实现通讯。整个过程与Ｗｉｎｄｏｗｓ Ｓｏｃｋｅｔ编程十分类似，此处不再赘述。

５ 结论

Ｗ３１００Ａ具有传输速度快、工作稳定可靠、系统开销小等优点，可以为小型嵌入式设备提供很好的网络解决方案。