Коммуникационное устройство для работы в сетях ethernet

Полезная модель относится к телекоммуникационной технике, в частности, к электронным блокам управления и предназначена для обеспечения обмена в сетях Ethernet, использующих стек протоколов TCP/IP. Технический результат - расширение функциональных возможностей устройства, понижение потребления ресурсов микроконтроллера при сохранении высокой скорости обмена по Ethernet, а также снижение стоимости коммерческих реализаций TCP/IP. Для этого в устройство введены разъем RJ-45 со встроенным согласующим трансформатором (4) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) (5), при этом связь между микроконтроллером (1) и (ПЗУ) (5), а также между микроконтроллером (1) и набором управляемых устройств (3) осуществляется по стандартным шинам SPI, а между Ethernet контроллером (2) и разъемом RJ-45 со встроенным согласующим трансформатором (4) - по шине Tx/Rx, причем Ethernet контроллер (2) выполнен с наличием ядра TCP/IP, выполняющего аппаратную реализацию стека ТСРДР.

Полезная модель относится к телекоммуникационной технике, в частности, к электронным блокам управления и предназначена для обеспечения обмена в сетях Ethernet, использующих стек протоколов TCP/IP.

Электронные блоки, являющиеся частью большой системы и содержащие, как правило, микроконтроллер и устройство для хранения программы, принято называть встраиваемыми системами. В современных встраиваемых устройствах для хранения программ чаще всего используют flash-память (NOR Flash, NAND Flash, DataFlash). Огромное количество цифровых систем от мобильного телефона до системы электрооборудования автомобиля содержат встраиваемые системы. Некоторые из них содержат операционную систему, другие - лишь простую программу.

В настоящее время для встраиваемых систем, осуществляющих контроль и мониторинг, существует тенденция интегрировать в них возможность подключения к сети напрямую. Это может быть, как небольшая локальная сеть, так и Internet. Для того чтобы осуществить доставку сообщений от отправителя к получателю, данные помещаются в пакет, в соответствии с протоколом, содержащий служебную информацию, например: адрес отправителя, адрес получателя, протокол и т.д. Стек протоколов TCP/IP является общепринятым для этих целей. С другой стороны для проводных сетей, в качестве среды передачи применение технологии Ethernet практически стала стандартом. Почти все компьютеры поддерживают стек TCP/IP, не обходятся без него и встраиваемые устройства. Традиционный многоуровневый TCP/IP требует большого количества памяти и ресурсов микроконтроллера. Поэтому на сегодняшний день лишь устройства с большой вычислительной способностью и значительным объемом памяти способны напрямую работать в сетях по протоколам TCP/IP.

Известны устройства для обмена информацией в сетях Ethernet по протоколам TCP/IP, содержащие микроконтроллер, микросхему физического уровня Ethernet, ПЗУ, шину данных для обмена информацией с периферийными устройствами. Традиционные встроенные системы для реализации многоуровневого стека TCP/IP требуют большого количества памяти и ресурсов микроконтроллера. Наиболее компактные системы, доступные на рынке, основаны на громоздких сервисах операционных систем и используют программное обеспечение, написанное на языке высокого уровня, которые не могут хорошо работать на микроконтроллерах с ограниченными вычислительными ресурсами (большинство 8/16-битных микроконтроллеров), например по патенту РФ 58834, H04L 12/56.

Наиболее близким по технической сущности аналогом к заявляемой полезной модели является встраиваемая система доступа к сети Internet (ЕР 1187015 G06 9/455, 9/46 от 02.03.2001), принятая за прототип.

Устройство-прототип содержит микроконтроллер, микросхема физического уровня (контроллер Ethernet), набор специфичной аппаратуры, подключенной к портам ввода/вывода микроконтроллера.

Недостатками устройства-прототипа является очень большая загрузка микроконтроллера при интенсивном обмене по сети, существенно ограничивающая его ресурсы, а также высокая стоимость коммерческих реализаций TCP/IP.

Задачей предлагаемого технического решения является реализация высокоскоростного встраиваемого устройства с расширенными функциональными возможностями.

Для решения поставленной задачи в коммутационное устройство для работы в сетях Ethernet, содержащее микроконтроллер, соединенный с Ethernet контроллером и набором управляемых устройств, отличающееся тем, что введены разъем RJ-45 со встроенным согласующим трансформатором и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), при этом связь между микроконтроллером и (ПЗУ), а также между микроконтроллером и набором управляемых устройств осуществляется по стандартным шинам SPI, а между Ethernet контроллером и разъемом RJ-45 со встроенным согласующим трансформатором - по шине Tx/Rx, причем Ethernet контроллер выполнен с наличием ядра TCP/IP, выполняющего аппаратную реализацию стека TCP/IP.

На фиг.1 приведена схема предлагаемого устройства, где обозначено: 1 - микроконтроллер (MCU); 2 - Ethernet контроллер; 3 - набор управляемых устройств; 4 - разъем RJ-45 с трансформатором; 5 - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) (Dataflash); SPI, DMA, Tx/Rx - шины.

Предлагаемое устройство сдержит микроконтроллер (MCU) 1, соединенный шиной DMA с Ethernet контроллером 2, набор управляемых устройств, подключенных шиной SPI к интерфейсу SPI1 микроконтроллера 1, внешнее ПЗУ (Dataflash) 5, подключенное шиной SPI к интерфейсу SPI0 микроконтроллера 1, а также разъем RJ-45 со встроенным трансформатором 4, соединенный шиной Tx/Rx с интерфейсом PHY Ethernet контроллера 2. При этом интерфейс DMA микроконтроллера 1 соединен с соответствующим интерфейсом Ethernet контроллера 2.

Микроконтроллер 1 (MCU) содержит следующие компоненты: ядро (CPU), память SRAM, память ROM, периферию, таймеры, линии ввода/вывода и.т.д. Например, микроконтроллер Atmel AT91SAM9261, на котором было реализовано предлагаемое устройство, имеет 32-разрядное CPU, 160К SRAM, 32К ROM, 96 ввода/вывода мультиплексированных с периферийными устройствами. Следует отметить, что в качестве микроконтроллера 1 можно рассматривать широкий круг микроконтроллеров, т.к. требования к его производительности пониженные.

Ethernet контроллер 3 представляет собой микросхему физического уровня с аппаратной реализацией стека TCP/IP 2, в нашем примере - это Wiznet W5100 однокристальный 10/100М Ethernet контроллер с возможностью работы в сетях Internet. W5100 реализует уровни MAC и PHY технологии Ethernet. Реализация стека TCP/IP включает в себя протоколы: TCP, UDP, IPv4, ICMP, ARP, IGMP, РРРоЕ. Микросхема состоит из аппаратного ядра TCP/IP, включающего реализацию MAC уровня Ethernet, интерфейса PHY аппаратного уровня Ethernet, буфера приема передачи размером 16К и интерфейса с MCU. Возможно обращение к микросхеме W5100, как через DMA в режимах Direct и Indirect, так и по SPI. В качестве Ethernet контроллера 3 могут быть использованы новые микросхемы фирмы Wiznet.

Набор управляемых устройств 3, подключенных к шине SPI может быть различным, в зависимости от потребностей данной системы, например, ячейка преобразования интерфейсов.

Обмен информацией осуществляется по стандартному интерфейсу SPI, который требует минимального количества линий приема/передачи, работает на высокой скорости и дает возможность подключения на одну шину до 15 устройств. Это гораздо удобнее использования обмена по портам ввода/вывода в устройстве-прототипе.

Блок 4 представляет собой разъем RJ-45 со встроенным согласующим трансформатором, причем наличие встроенного трансформатора позволяет избежать искажений и потерь данных при приеме/ передаче. Использование разъема RJ-45 со встроенным согласующим трансформатором позволяет уменьшить место, занимаемое компонентами на печатной плате, а следовательно, уменьшить габариты устройства.

ПЗУ 5 (представляет собой, например, микросхему памяти Dataflash), соединенное с MCU 1 шиной SPI, например, использовалась Atmel AT45DB642D, размером 8М. Наличие ПЗУ 5 (Dataflash) расширяет область применения предлагаемого устройства, т.к. его наличие позволяет реализовать сложные алгоритмы управления аппаратурой, программное выполнение математических вычислений, постоянного хранения больших массивов данных.

Микроконтроллер 1 подключен в режиме прямого доступа через интерфейс DMA к интерфейсу MCU Ethernet контроллера 2, при этом используется 15-разрядная шина адреса, образованная линиями А0-А14 и 8-разрядная шина данных, образованная линиями D0-D7, включенные соответственно и входящие в шину DMA. Кроме того, в шине DMA содержится линия для прерывания, которая устанавливается в низкий уровень при подключении/отключении сокета, приеме/передаче данных, таймауте; линию разрешения операции записи в Ethernet контролер 2 и линию разрешения операции чтения из него; линию выбора кристалла.

Так, например, для записи в регистр W5100 (Ethernet контроллера 2) необходимо установить линию выбора кристалла, выставить адрес регистра на линиях адреса, выставить записываемое значение на линиях данных и установить линию разрешения записи.

Набор управляемых устройств 3 подключен к микроконтроллеру 1 шиной SPI, при этом микроконтроллер 1 всегда работает в режиме Master, а управляемые устройства 3 - всегда в режиме Slave. Одновременно обмен может осуществляться только с одним из управляемых устройств 3, выбор устройства, с которым будет происходить обмен, выбирается микроконтроллером 1 (Master) путем установки линии выбора в низкий уровень.

Конфигурирование микроконтроллера 1 для обмена с Ethernet контроллером 2 осуществляется программно и состоит из ряда последовательно выполняемых действий:

1. Прежде всего, необходимо настроить микроконтроллер 1 для работы с W5100 (Ethernet контроллером 2) в режиме прямого доступа к памяти для чего конфигурируется на выход вывод выбора кристалла и настраивается SMC (Static Memory Controller). Для корректной работы SMC должны быть правильно установлены значения длительностей циклов чтения, записи, выбора кристалла и разрядности шины данных, входящей в DMA.

2. Далее необходимо настроить линию прерывания, входящую в DMA, приходящую от Ethernet контроллера 2. Для этого соответствующий порт ввода/вывода переводится в периферийный режим; настраивается контроллер прерываний AIC (Advanced Interrupt Controller) микроконтроллера 1 установкой уровня, приоритета, обработчика прерывания;разрешением этого прерывания, глобальным разрешением всех прерываний.

3. Выполнить аппаратный сброс Ethernet контроллера 2.

4. Установка осуществляется записью в регистры Ethernet контроллера 2 нужных значений, в следующей последовательности: разрешение генерации прерываний; установка IP-адреса шлюза; установка МАС-адреса; установка маски подсети; установка IP-адреса; разметка размеров буферов для приема/передачи.

5. Настройка протокола, по какому будет происходить обмен в сети; номер сокета; порт, на котором будет работать приложение; режим client/server.

После выполнения конфигурации и включения устройства в сеть его работоспособность можно проверить выполнением команды ping<ip адрес>.

Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой высокоскоростное встраиваемое устройство для передачи данных от набора управляемых устройств к оператору через сеть Ethernet по протоколам TCP/IP и обратно, без необходимости применения программных реализаций TCP/IP или операционных систем с поддержкой TCP/IP, что на порядок уменьшает используемые ресурсы микроконтроллера и его памяти.

1. Коммуникационное устройство для работы в сетях Ethernet, содержащее микроконтроллер, соединенный с Ethernet контроллером и набором управляемых устройств, отличающееся тем, что введены разъем RJ-45 со встроенным согласующим трансформатором и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), при этом связь между микроконтроллером и ПЗУ, а также между микроконтроллером и набором управляемых устройств осуществляется по стандартным шинам SPI, а между Ethernet контроллером и разъемом RJ-45 со встроенным согласующим трансформатором - по шине Tx/Rx, причем Ethernet контроллер выполнен с наличием ядра TCP/IP, выполняющего аппаратную реализацию стека TCP/IP.

2. Коммуникационное устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве Ethernet контроллера использована микросхема W5100.

3. Коммуникационное устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве ПЗУ использована микросхема памяти Dataflash.