作者：蘇耀峰，王德剛，魏急波

1 引言

軟件無(wú)線電（SDR）技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速，在無(wú)線通信中的數(shù)字接收機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用尤為廣泛。FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列）以其高集成度、高可靠性和靈活性，在軟件無(wú)線電平臺(tái)的設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要的核心作用。同時(shí)，SDR中的數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)也是關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。以太網(wǎng)是目前最通用的數(shù)據(jù)接口之一，但是中低端FPGA通常不具備以太網(wǎng)接口，這為FPGA在SDR中的應(yīng)用造成了不便。如果為FPGA配置以太網(wǎng)接口，與外部網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信，將有利于SDR平臺(tái)的功能延伸，方便數(shù)據(jù)傳輸和與現(xiàn)有系統(tǒng)接口。

DM9000A是Davicom公司生產(chǎn)的一款功能強(qiáng)大的以太網(wǎng)控制器，支持10／100 M以太網(wǎng)速率，可與嵌入式微處理器（MPU）、單片機(jī)等以多種方式（如ISA總線等）接口，具有體積小、功耗低、配置靈活、使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。但在傳統(tǒng)應(yīng)用中，很少有將DM9000A和FPGA直接結(jié)合應(yīng)用的實(shí)例，為解決FPGA的以太網(wǎng)接口問(wèn)題，通常的解決方案是采用單片機(jī)或者M(jìn)PU在FPGA和以太網(wǎng)控制器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，但弊端是成本提高和功耗增加。

本文在自行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的OQPSK全數(shù)字接收機(jī)中，為實(shí)現(xiàn)高速解調(diào)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程傳輸處理及接收機(jī)參數(shù)的遠(yuǎn)程配置，提出了采用FPGA直接控制DM9000A進(jìn)行以太網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)的設(shè)計(jì)思路。采用Xilinx系列XC2V1000 FPGA和DM9000A，實(shí)現(xiàn)低成本、低功耗和高速率的SDR平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，其最高傳輸速率可達(dá)100 Mb／s。

2 DM9000A工作原理

2.1 主要特性和總體結(jié)構(gòu)

DM9000A的主要特性如下：

支持8／16位數(shù)據(jù)總線；

適用于10Base-T和100Base-T；

10／100 M自適應(yīng)，適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)速率要求；

內(nèi)置16 KB的SRAM，用于收發(fā)緩沖，降低對(duì)主處理器的速度要求；

與IEEE 802.3u兼容，支持IEEE802.3x全雙工，可同時(shí)收發(fā)；

具有睡眠模式，可降低功耗；

采用48引腳LQFP封裝，縮小PCB面積。

DM9000A功能結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，DM9000A實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)媒體介質(zhì)訪問(wèn)層（MAC）和物理層（PHY）的功能，包括MAC數(shù)據(jù)幀的組裝／拆分與收發(fā)、地址識(shí)別、CRC編碼／校驗(yàn)、MLT-3編碼器、接收噪聲抑制、輸出脈沖成形、超時(shí)重傳、鏈路完整性測(cè)試、信號(hào)極性檢測(cè)與糾正等。

2.2 工作原理

DM9000A可與微處理器以8 bit或16 bit的總線方式連接，并可根據(jù)需要以單工或全雙工等模式運(yùn)行。在系統(tǒng)上電時(shí)，處理器通過(guò)總線配置DM9000A內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)控制寄存器（NCR）、中斷寄存器（ISR）等，完成DM9000A的初始化。隨后，DM9000A進(jìn)入數(shù)據(jù)收發(fā)等待狀態(tài)。

當(dāng)處理器要向以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)，先將數(shù)據(jù)打包成UDP或IP數(shù)據(jù)包，并通過(guò)8 bit或16 bit總線逐字節(jié)發(fā)送到DM9000A的數(shù)據(jù)發(fā)送緩存中，然后將數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等信息填充到DM9000A的相應(yīng)寄存器內(nèi)，隨后發(fā)送使能命令。DM9000A將緩存的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)幀信息進(jìn)行MAC組幀，并發(fā)送出去。

當(dāng)DM9000A接收到外部網(wǎng)絡(luò)送來(lái)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)時(shí)，首先檢測(cè)數(shù)據(jù)幀的合法性，如果幀頭標(biāo)志有誤或存在CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤，則將該幀數(shù)據(jù)丟棄。否則將數(shù)據(jù)幀緩存到內(nèi)部RAM，并通過(guò)中斷標(biāo)志位通知處理器，處理器收到中斷后對(duì)DM9000A接收RAM的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

DM9000A自動(dòng)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)連接情況，根據(jù)網(wǎng)速設(shè)置內(nèi)部的數(shù)據(jù)收發(fā)速率為10 Mb／s或100 Mb／s。同時(shí)，DM9000A還能根據(jù)RJ45接口連接方式改變數(shù)據(jù)收發(fā)引腳的方向，因此無(wú)論外部網(wǎng)線是采用對(duì)等還是交叉方式，系統(tǒng)均能正常通信。

3 SDR接收機(jī)網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)

在SDR接收機(jī)中，中頻模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)換、數(shù)字下變頻、抽取濾波等解調(diào)處理后，形成連續(xù)的解調(diào)數(shù)據(jù)流，其速率為10 Mb／s。在FPGA內(nèi)部，解調(diào)輸出的數(shù)據(jù)流和以太網(wǎng)接口部分通過(guò)FIFO進(jìn)行緩沖，當(dāng)解調(diào)數(shù)據(jù)達(dá)到規(guī)定的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度時(shí)，F(xiàn)PGA啟動(dòng)以太網(wǎng)發(fā)送程序，將解調(diào)數(shù)據(jù)發(fā)送到DM9000A，完成數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程。在接收方向，網(wǎng)絡(luò)工作站把控制指令按照一定的幀格式組幀發(fā)送到以太網(wǎng)，DM9000A接收到發(fā)給自身的以太網(wǎng)幀并通知FPGA啟動(dòng)以太網(wǎng)接收程序。FPGA將相應(yīng)的數(shù)據(jù)從DM9000A的接收FIFO讀至FPGA內(nèi)部RAM中，利用數(shù)據(jù)中的控制命令配置接收機(jī)參數(shù)，完成網(wǎng)絡(luò)對(duì)SDR接收機(jī)的遠(yuǎn)程控制。

3.1 與FPGA的數(shù)據(jù)接口和控制接口

DM9000A的外部總線符合ISA標(biāo)準(zhǔn)。可通過(guò)ISA總線直接與FPGA無(wú)縫連接。其硬件連接原理如圖2所示。

DM9000A內(nèi)部集成了PHY功能，因此與以太網(wǎng)接口可以無(wú)縫連接。如圖3所示。

3.2 DM9000A的FPGA控制

3.2.1 初始化模塊

DM9000A正常工作需要在上電后對(duì)內(nèi)部寄存器進(jìn)行初始化。該過(guò)程是通過(guò)FPGA對(duì)DM9000A外部控制總線和數(shù)據(jù)總線的讀寫(xiě)操作完成的。具體流程如下：

1） 激活PHY

設(shè)置GPR（REG_1F） CEPI00 bit［0］=0；

由于復(fù)位后，DM9000A恢復(fù)默認(rèn)的休眠狀態(tài)以降低功耗，因此需要首先喚醒PHY。

2） 進(jìn)行兩次軟復(fù)位，步驟如下：

設(shè)置NCR（REG_00）bit［2：0］=011；至少保持20μs；

清除NCR（REG_00）bit［2：0］=000；

設(shè)置NCR（REQ_00）bit［2：0］=011；至少保持20μs；

清除NCR（REG_00）bit［2：0］=000；

3） 配置NCR寄存器

設(shè)置NCR（REG_00）bit［2：1］=00；配置為正常模式。

通過(guò)改變?cè)摷拇嫫骺梢赃x擇設(shè)置內(nèi)部或者外部PHY、全雙工或者半雙工模式、使能喚醒事件等網(wǎng)絡(luò)操作。

4） 清除發(fā)送狀態(tài)

設(shè)置NSR（REG_01）bit［5］=1 bit［3］=l bit［2］=l；

5） 設(shè)置IMR寄存器（REG_FF）PAR bit［7］=l；啟用RX／TX FIFO SRAM讀／寫(xiě)地址指針自動(dòng)返回功能。

6） 通過(guò)IMR寄存器（REG_FF）PRM bit［0］／PTM bit［1］，對(duì)RX／TX中斷使能。如果需要在一個(gè)數(shù)據(jù)幀發(fā)送完后產(chǎn)生一個(gè)中斷，應(yīng)將PTM bit［1］置為1，如果需要在接收到一幀新數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)中斷，應(yīng)將PRM bit［1］置為1；

7） 設(shè)置RCR寄存器，使能數(shù)據(jù)接收功能。

以上步驟完成后．可以通過(guò)LED指示燈觀測(cè)DM9000A是否已成功完成初始化。

3.2.2 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊

DM9000A的發(fā)送緩沖區(qū)可同時(shí)存儲(chǔ)兩幀數(shù)據(jù)，按照先后順序命名為幀I和幀II，DM9000A上電初始化后，發(fā)送緩存區(qū)的起始地址是00H，當(dāng)前數(shù)據(jù)幀編號(hào)為幀I。兩幀數(shù)據(jù)的狀態(tài)控制字分別記錄在DM9000A的狀態(tài)寄存器03H和04H中。發(fā)送過(guò)程如下：

首先，F(xiàn)PGA利用寫(xiě)操作寄存器MWCMD（REG_F8）向DM9000A的發(fā)送緩存區(qū)中寫(xiě)入發(fā)送數(shù)據(jù)幀，寫(xiě)數(shù)據(jù)幀時(shí)需要先寫(xiě)入6字節(jié)的目的MAC地址，再寫(xiě)入6字節(jié)的源MAC地址，最后寫(xiě)入發(fā)送數(shù)據(jù)。

隨后，F(xiàn)PGA利用寫(xiě)操作寄存器MWCMD（REG_F8）將數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度寫(xiě)入寄存器FCH和FDH，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為16位，將高8位寫(xiě)入寄存器FCH，低8位寫(xiě)入寄存器FDH。

最后，F(xiàn)PGA將發(fā)送控制寄存器TCR（REG_02）的bit［1］置為高電平，向DM9000A發(fā)出發(fā)送數(shù)據(jù)指令。DM9000A自動(dòng)進(jìn)行一些處理才將數(shù)據(jù)發(fā)送至以太網(wǎng)，包括：插入報(bào)頭和幀起始分隔符；插入來(lái)自上層協(xié)議的數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)量小于64字節(jié)，則自動(dòng)補(bǔ)齊64字節(jié)；根據(jù)目標(biāo)地址、源地址、長(zhǎng)度／類(lèi)型和數(shù)據(jù)產(chǎn)生CRC校驗(yàn)序列，并插入校驗(yàn)序列位。這些處理都無(wú)需FPGA干預(yù)。處理完畢后，DM9000A即開(kāi)始發(fā)送幀I。在幀I發(fā)送的同時(shí)，幀II的數(shù)據(jù)即可寫(xiě)入發(fā)送緩存區(qū)。在幀I發(fā)送完后，將幀II的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度寫(xiě)入寄存器FCH和FDH，最后將發(fā)送控制寄存器NSR（REG_01）的bit［1］置為高電平，即可開(kāi)始幀II的發(fā)送。依此類(lèi)推，下面發(fā)送的幀將會(huì)繼續(xù)編號(hào)為幀I，幀II，幀I，幀II……按照同樣的方式發(fā)送。

如果FPGA將中斷屏蔽寄存器IMR（REG_FF）的bit［1］置為高電平，那么發(fā)送完畢后，DM9000A將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)指示發(fā)送完成的中斷信號(hào)。在發(fā)送過(guò)程中，F(xiàn)PGA可以查詢(xún)寄存器標(biāo)志位寄存器NSR（REG_01）中的TX1END bit［2］或者TX2END bit［3］得到數(shù)據(jù)幀的發(fā)送狀態(tài)。

發(fā)送流程如圖4所示。寄存器ISR中的PTS標(biāo)志位是發(fā)送中斷標(biāo)志位，當(dāng)一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，PTS=0，F(xiàn)PGA檢測(cè)到該標(biāo)志后，應(yīng)清除標(biāo)志位以便發(fā)送新的數(shù)據(jù)幀。這里需要注意的是，向FC、FD所寫(xiě)的幀長(zhǎng)度應(yīng)該是包含目的MAC地址段、源MAC地址段和有效數(shù)據(jù)的總長(zhǎng)度。

3.2.3 接收模塊

DM9000A中的接收緩存區(qū)是一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，初始化后的起始地址為0C00H，每幀數(shù)據(jù)都有4字節(jié)長(zhǎng)的首部，然后是有效數(shù)據(jù)和CRC校驗(yàn)序列。首部4字節(jié)依次是01H、狀態(tài)、長(zhǎng)度低字節(jié)和長(zhǎng)度高字節(jié)，幀結(jié)構(gòu)如圖5所示。

首部4字節(jié)含義如下：

第一個(gè)字節(jié)用于檢測(cè)接收緩存區(qū)中是否有數(shù)據(jù)。如果這個(gè)字節(jié)是01 H，表明接收到了數(shù)據(jù)；如果為00H，則說(shuō)明沒(méi)有數(shù)據(jù)。但是如果第一個(gè)字節(jié)既不是01H，也不是00H，DM9000A就必須作一次軟復(fù)位來(lái)從這種異常狀態(tài)中恢復(fù)。

第二個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)以太網(wǎng)幀狀態(tài)，由此可判斷所接收幀是否正確。

第三和第四字節(jié)存儲(chǔ)以太網(wǎng)幀長(zhǎng)度。后續(xù)的字節(jié)就是有效數(shù)據(jù)。

接收過(guò)程如下：

查看中斷狀態(tài)寄存器。如果接收到新數(shù)據(jù)，寄存器ISR的PRS位將被置為0；

如果檢測(cè)到PRS=0，清除PRS，F(xiàn)PGA開(kāi)始讀取接收緩存區(qū)數(shù)據(jù)。如果第一個(gè)字節(jié)是01H，則說(shuō)明有數(shù)據(jù)；如果是00H，則說(shuō)明無(wú)數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行復(fù)位；

根據(jù)獲取的長(zhǎng)度信息，判斷是否讀完一幀。如果讀完，接著讀下一幀，直到遇到首字節(jié)是00H的幀，說(shuō)明接收數(shù)據(jù)已讀完。FPGA可以重新查看中斷狀態(tài)寄存器，等待新的有效數(shù)據(jù)幀。接收流程如圖6所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)以太網(wǎng)控制器DM9000A的原理和功能進(jìn)行介紹，并結(jié)合自行開(kāi)發(fā)的SDR接收機(jī)平臺(tái)。基于FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了100 M以太網(wǎng)接口。其設(shè)計(jì)思路新穎，硬件連接簡(jiǎn)單。整體系統(tǒng)具有功耗低、體積小、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。SDR平臺(tái)的開(kāi)發(fā)融入網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)理念，在應(yīng)用中有廣泛的前景，大大拓寬了SDR的功能。擴(kuò)展了SDR的應(yīng)用領(lǐng)域。

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