在諸多應用中[1]都需要對終端提供大量數據流[2]。使用數據傳輸系統進行傳輸能夠根據終端需求動態提供數據，并且數據傳輸系統能夠針對不同終端的接口時序進行靈活調整[3]。本設計提出一種基于TCP/IP通信協議、使用以太網控制器芯片W5100與ARM內核芯片實現的數據傳輸系統。本系統能夠將PC上的文件數據連續地傳輸給終端，并且針對終端接口的多樣性特點，能夠通過簡單的編程進行調整，以完成相同的數據傳輸功能。本文針對終端具有數據緩沖隊列FIFO的情況闡述本系統的硬件設計、接口時序以及軟件流程。對于不同終端，本系統只需經過少量的軟件修改就可達到數據傳輸的目地。

1 以太網控制器芯片W5100
    以太網控制芯片W5100是WIZnet公司推出的一款單片網絡接口芯片[4]。W5100內部集成了傳輸層、網絡層TCP/IP協議棧與數據鏈路層及介質訪問子層MAC協議。這使得通過W5100進行以太網通信時，各層協議對設計者而言都是透明的。設計者不需要借助操作系統，只需要通過W5100的地址線、數據線對其內部寄存器進行簡單的讀寫訪問，就能靈活方便地控制W5100進行以太網通信。W5100還集成了物理層PHY并支持信號極性自適應，這使得在硬件設計中，只需要在W5100外部使用一個帶有網絡變壓器的RJ45座HR911103C，就可以實現其與PC通信。故本設計中選擇W5100實現以太網通信，既保證了接口簡單，又使得開發周期短。
    本設計中，對W5100供給3.3 V與1.8 V兩種電源電壓。為了保證信號完整性，降低干擾，兩種電源電壓分別劃分為數字網絡與模擬網絡，網絡之間使用電感隔離；其地平面也分為數字地與模擬地，網絡之間使用鐵心磁珠隔離。W5100使用直接總線連接模式，其15 bit地址線與8 bit數據線與ARM芯片的通用I/O連接；W5100的控制線/CS、/WR、/RD、/RESET也直接與ARM芯片的通用I/O連接。由此實現ARM芯片對W5100的控制。W5100的SPI接口中的SEN、SCLK、MISO接固定電壓數字0 V，/SCS接固定電壓數字3.3 V，MISO保持懸空，由此屏蔽SPI接口。
2 ARM內核芯片AT91SAM7SE
    AT91SAM7SE是Atmel公司的一款基于ARM7內核的處理器[5]。在本系統中，其作為MCU，完成對W5100一側的讀寫訪問，并完成對終端一側的數據轉發。AT91SAM7SE具有豐富的通用I/O管腳，能保證整個系統的靈活性。AT91SAM7SE使用 55.296 MHz作為主時鐘MCK、處理器時鐘PCK。
3 硬件設計與接口時序
3.1 硬件設計
    W5100與AT91SAM7SE在硬件設計中采用直接總線連接模式，可以同時兼容間接總線連接模式。這樣設計是為了能夠在連續訪問發送存儲器、接收存儲器時工作于間接總線模式，使用W5100的地址自增功能；并且在非連續訪問時工作于直接總線模式，減少讀寫時序，以提高傳輸速率。
    AT91SAM7SE與W5100之間的接口、AT91SAM7SE與終端之間的接口以及硬件設計的總體框圖如圖1所示。

3.2 AT91SAM7SE與W5100間接口時序
    當AT91SAM7SE在/RESET線上輸出低電平2 ?滋s及以上時，W5100被復位，其公共寄存器、各端口寄存器都恢復初始值。本設計中/CS始終同步于/WR和/RD選中W5100。/WR、/RD與DATA[7:0]、ADDR[14:2]、ADDR[1:0]構成讀寫時序，完成對W5100片內寄存器、存儲器的訪問，/WR與/RD同時只能有一個有效。W5100可以工作于兩種總線模式下。
3.2.1 間接總線模式
    當AT91SAM7SE連續訪問W5100發送存儲器、接收存儲器時，W5100工作在間接總線模式下，其地址線ADDR[14:2]穩定輸出0。AT91SAM7SE首先在地址線ADDR[1:0]輸出01，選中W5100間接總線模式地址寄存器IDM_AR0；然后在數據線DATA[7:0]輸出需要訪問的W5100存儲器地址高7位AH，接著/WR與/CS輸出下降沿將AH寫入IDM_AR0；之后AT91SAM7SE再將需要訪問的W5100存儲器地址低8位AL以同樣方式寫入間接總線模式地址寄存器IDM_AR1；最后，通過/CS與/WR(或與/RD)連續輸出下降沿，連續訪問間接總線模式數據寄存器IDM_DR。間接總線模式地址寄存器IDM_AR0與IDM_AR1值的自增以及間接總線模式數據寄存器IDM_DR值的變化同步于/WR或/RD的下降沿。AT91S-
    AM7SE在間接總線模式下連續訪問W5100的存儲器時序如圖2、圖3所示。

3.2.2 直接總線模式
    當AT91SAM7SE訪問W5100模式寄存器、端口寄存器時，W5100工作在直接總線模式下，其15 bit地址線ADDR[14:0]直接選中各個寄存器。然后通過/CS與/WR(或與/RD)輸出下降沿實現訪問。
3.2.3 間接總線模式與直接總線模式對比
      訪問單一存儲器時，使用間接總線模式需要3個總線時序，使用直接總線模式只需要一個總線時序。連續訪問存儲器時，使用地址自增功能，能夠使得訪問一個地址平均花費大約一個總線時序。雖然在間接總線模式下使用地址自增功能時，平均訪問一個地址仍然不會花費少于一個總線時序，但是在連續訪問時，AT91SAM7SE不需要在其通用I/O上準備每一個需要訪問的W5100的存儲器地址，在連續訪問開始后ADDR[1:0]的值是固定為11，因此平均花費在一個總線時序上的指令條數有所減少。所以當AT91SAM7SE配置為W5100工作模式、端口模式來讀取和更新端口信息時，使用直接總線模式以減少總線時序次數；當AT91SAM7SE讀取、寫入TCP數據段數據時，使用間接總線模式以減少總線時序中的平均指令數。
3.3 AT91SAM7SE與終端間接口時序
    AT91SAM7SE將從W5100接收存儲器中取回的TCP數據段數據先緩存在片內，再轉發給終端。考慮到本設計終端具有數據緩沖隊列FIFO，所以只使用RESET、CS、BLOCK、WR、DATA[31:0]信號線。當終端具有存儲器空間時，還需要使用ADDRESS信號線。根據終端接口的不同，可以對AT91SAM7SE編程，使其生成匹配的接口時序。由于選擇了ARM內核的芯片作為MCU完成存儲轉發功能，所以能夠保證編程簡便，易于經過少量修改而匹配各種終端的接口時序，使得代碼的重用性強。本設計中，RESET輸出高電平時清空FIFO；CS實現對終端的片選。當FIFO空時，BLOCK信號無效，指示AT91SAM7SE可以轉發數據；當FIFO趨近于滿時，終端給出指示信號BLOCK，阻塞AT91SAM7SE，使其停止轉發數據。本設計中，AT91SAM7SE在WR的每一次上升沿將TCP數據段中的數據轉發到DATA[31:0]。由于AT91SAM7SE編程靈活，通用I/O管腳豐富，故可以重用于對各種終端進行數據傳輸。
4 軟件流程
    在本設計中，AT91SAM7SE作為W5100的控制芯片，控制其工作在TCP/IP協議下，并作為服務器模式端SERVER。而客戶模式端CLIENT由PC機充當，PC運行Linux操作系統，使用套接字Socket編程。由于PC通過本系統向終端傳輸大量數據流，這些數據不經過路由，獨享信道，所以不會出現路由擁塞而導致分組被丟棄的情況。因此，本設計簡化了關于分組超時的檢測，使用AT91SAM7SE查詢W5100端口狀態寄存器Sn_SR及其他端口寄存器的方式來獲知通信所處的狀態，并使用寫端口命令寄存器Sn_CR的方式來控制通信進程。圖4描述了PC通過本系統向終端傳輸數據的流程。

    PC上的Socket程序非常簡單，只需要調用最基本的文件操作函數與Socket函數就能實現端口連接與文件傳輸。AT91SAM7SE上程序流程細節如下。
    (1)上電，復位：AT91SAM7SE開始執行程序。
    (2)芯片初始化：配置AT91SAM7SE時鐘模塊、PIO模塊等。
    (3)配置W5100：配置W5100的公共寄存器，設置IP地址、子網掩碼、MAC地址等。
    (4)配置TCP端口：配置端口寄存器，使端口工作于TCP模式，設置端口號等。
    (5)等待建立連接：寫端口命令寄存器，使端口處于等待PC發起連接的狀態。
    (6)監聽是否建立連接：輪詢端口狀態寄存器,循環等待端口與PC建立連接。
    (7)監聽是否接收到TCP數據段：輪詢端口接收數據長度寄存器，循環等待W5100從PC接收到TCP數據段。
    (8)檢查是否為最末TCP數據段：查詢端口狀態寄存器，檢測當前狀態，判斷其是否為最末TCP數據段。
    (9)緩存TCP數據段中數據：訪問接收數據長度寄存器、端口讀指針寄存器等，計算數據讀取位置等參數，將接收到的TCP數據段數據以1 B為單位緩存在片上。
    (10)轉發數據：將緩存在AT91SAM7SE片上的數據以4 B為單位向終端FIFO轉發。
    (11)斷開連接，關閉TCP端口：寫端口命令寄存器，使端口關閉，斷開與PC的連接。
    其中步驟(9)需要訪問各寄存器，還需要通過間接總線模式數據寄存器連續訪問接收存儲器。本設計中采用直接總線模式和間接總線模式相配合的方式，完成對TCP數據段數據的讀取，步驟如下：
    ①在直接總線模式下訪問各寄存器。
    ②計算參數，獲得TCP數據段數據在接收存儲器中的地址。
    ③切換至間接總線模式，開啟地址自增功能。
    ④連續讀取接收寄存器。
    ⑤切換回直接總線模式。
    ⑥訪問各寄存器，更新配置，繼續接收分組。
5 測試
    測試中，通過PC向本系統傳輸文件，再使用FPGA模擬終端FIFO的接口時序，同時將本系統傳輸至終端的數據輸出到邏輯分析儀。對比邏輯分析儀采樣信號與原始文件數據可以得出結論，本系統能夠實現數據的準確傳輸。邏輯分析儀采樣結果如圖5所示。表1記錄了傳輸不同大小文件所用的時間與平均傳輸速率。兼顧系統的靈活性與性能，MCU工作在55.296 MHz的情況下，平均傳輸速率能夠達到2.7 Mb/s。

    本設計使用W5100與AT91SAM7SE實現了一種基于TCP/IP通信協議的數據傳輸系統。其硬件設計簡單，軟件編程靈活方便,可以適應不同的終端接口時序。整個系統具有集成度高、重用性強、適應性廣的特點。
參考文獻
[1] 蔣峰.W5100在遠程溫度采集系統中的應用[J].化工自動化及儀表，2011，38(2)：214-217.
[2] 鄒依依，郭燦新，黃成軍，等.W5100在DSP遠程以太網數據通信系統中的應用[J].工業控制計算機，2008，21(8)：20-21，23.
[3] 王炳義，劉爽，張偉，等.基于硬件協議棧W5100的圖像采集傳輸系統[J].電子技術應用，2009，35(3)：92-93，96.
[4] WIZnet Co.，Inc.W5100 datasheet version 1.2.4[Z].2011.
[5] Atmel.AT91SAM ARM-based Flash MCU SAM7SE version 6222F[Z].2011.