基于LAN91C111的嵌入式以太网接口设计

　　随着CPU性能的大幅度提升， 嵌入式系统的设计已经进入了更广泛的领域。随着FPGA的不断发展和规模的进一步强大， SOPC的应用也越来越广泛。由于SOPC的可编程特性很受嵌入式系统开发人员的青睐， 因此， 随着信息产业和微电子技术的发展， 可编程嵌入式系统设计已经成为信息产业最热门的技术之一， FPGA正以各种电子产品的形式进入人们日常生活的各个角落。

　　以太网以其良好的通用性和带宽性能成为新一代工业控制网络的焦点， 目前， 关于嵌入式以太网的设计方案大部分是基于单片机的。由于单片机的速度慢， 而FPGA作为一种特殊的嵌入式微处理器系统， 则具有快速处理数据的能力。因此， 在嵌入式网络设备中引入FPGA技术， 可以使嵌入式以太网的速度更快。为此， 本文介绍基于FPGA 的嵌入式系统与LAN91C111 型自适应10Mb/100Mb嵌入式以太网的接口电路与实现方法。

　　1 硬件设计

　　1.1 FPGA的特点

　　本系统的主控芯片采用ALTERA公司CycloneII系列的EP2C35F484。FPGA内部集成有锁相环，可以把外部时钟倍频， 其核心频率可以到几百兆， 同时具有丰富的IO资源， 可以方便连接外设。FPGA的并行执行程序方式具有处理更复杂功能的能力， 而且内部嵌有SOPC和DSP。可编程SOPC是一种特殊的嵌入式系统， 具有灵活的设计方式， 而且可裁剪、可扩充， 同时软硬件在系统可编程功能。

　　1.2 嵌入式以太网控制器LAN91C111

　　以太网控制芯片所选用的SMSC 公司LAN91C111芯片是专门用于嵌入式产品的10M/100M第三代快速以太网控制器。该器件具有可编程、CRC校验、同步或异步工作方式， 且具有低功耗CMOS设计和小尺寸等特点， 是设计嵌入式以太网网络接口的良好选择。LAN91C111的原理框图如图1所示。

图1 LAN91C111的原理框图

　　LAN91C111集成了CSMA/CD (带碰撞的载波侦听多路接入) 协议的MAC (媒体层) 和PHY (物理层)。其主要特点是支持IEEE802.3/802 U以太网标准、自适应10M/100M， 全双工/半双工收发方式、有8KB的片上FIFO存储器、支持8位或16位或32位总线方式、支持先进的传输队列管理、有串行EEPROM选择性配置口、并支持突发数据传输、支持全双工交换式以太网、增强式能量管理功能和低功耗的CMOS设计。

　　总线接口模块是由数据总线、地址总线、控制总线以8位、16位、或32位形式与外部数据进行交互。LAN91C111以太网控制器遵循IEEE颁布的802.3 以太网传输协议， 内部集成有8KB 的RAM， 可通过内部的内存管理模块、仲裁模块和DMA共同管理数据包的发送与接收。其仲裁器监视以太网总线的数据交流， 一旦发生阻塞， 仲裁器一方面通过总线接口单元与外部CPU联系; 一方面控制内存控制单元， 实现总线的数据协调。