Úvod

Požadavky na využití Ethernetu se objevují v mnoha typech aplikací. Mnohdy je tato vlastnost jedním z kritérií, dle kterých vývojáři vybírají například MCU, který použijí. Tento seriál bude zaměřen na samostatné Ethernetové řadiče, které je možné využít s jakýmkoliv typem mikroprocesoru vybaveným rozhraním SPI, případně jinou standardní sběrnicí. Uvedeny budou nejenom základní parametry obvodu (modulu), ale také doporučené vývojové prostředky, a výsledkem práce s každým publikovaným typem součástky bude vždy „samostatně chodící“ aplikace s kompletními daty pro výrobu, ať už bude projekt jakékoliv úrovně složitosti.

Seriál nebude primárně určen vývojářům, kteří mají s Ethernetem letité zkušenosti. Pravděpodobně jim nepřinese mnoho nových informací, snad kromě obsáhlejšího (a doufám, že i objektivního) srovnání produktů konkurenčních výrobců. Cílovou skupinou budou spíše vývojáři považující nasazení Ethernetu za příliš složité. Budu se snažit o vyvrácení tohoto mýtu.

ENC28J60 – Microchip

Prvním recenzovaným obvodem bude produkt společnosti Microchip ENC28J60. Jedná se o samostatný Ethernetový převodník se standardním rozhraním SPI. Je navržen pro využití téměř jakýmkoliv mikrokontrolérem vybaveným touto sběrnicí. ENC28J60 splňuje veškeré požadavky normy IEEE 802.3. Norma zahrnuje velké množství schémat pro filtrování příchozích paketů. Jejich rychlé zpracování je umožněno prostřednictvím DMA a také HW podporou výpočtu zabezpečení IP hlaviček. Využití rozhraní SPI a dvou linek externího přerušení umožňuje počítat až s rychlostí 10Mbit/s.

ENC28J60 se skládá z těchto základních částí:

• SPI rozhraní, které zajišťuje komunikační kanál mezi mikrokontrolérem a ENC.
• Řídíci registry kontrolující činnost řadiče.
• Dvouportový RAM buffer pro odeslaná a přijatá data.
• Arbitr pro řízení přístupu do RAM bufferu na požadavek DMA, přijímacích a vysílacích bloků.
• Rozhraní sběrnice interpretující data a příkazy z SPI.
• MAC modul implementující pravidla IEEE 802.3.
• Modul fyzické vrstvy (PHY), který kóduje a dekóduje analogová data na krouceném páru.

Zařízení dále obsahuje podpůrné bloky jako oscilátor, napěťový regulátor, přizpůsobení logických úrovní poskytující 5V tolerantní vstupně/výstupní logiku a další.

Obrázek 1: Blokové schéma ENC28J60

Vývojové prostředky

Pro první vyžití integrovaného řadiče ENC28J60 je zřejmě nejvhodnější využít předpřipraveného TCP-IP stacku fy Microchip. Ten lze zdarma stáhnout a využívat. Instalační balíček obsahuje množství příkladů. Velkou a významnou výhodou oproti konkurenčním stackům je výborný tutoriál, který vede vývojáře takzvaně „za ručičku“ jednotlivými kroky a vlastně jej tak jednoduše táhne od jednodušších ke složitějším aplikacím. Jako vývojové prostředí budeme samozřejmě využívat MPLAB. Pro výukové účely nám stačí výuková verze C kompilátoru, který je rovněž ke stažení na webu firmy Microchip.

Hardware ale už zadarmo nepořídíme. Přestože je možné si poskládat nejnutnější vybavení ze vzorků a programátor si jen tak „ubastlit“, z vlastní zkušenosti tuto metodu neporučuji, protože hledat chybu v Ethernetové aplikaci, kdy člověk nemá jistotu, jestli mu vůbec chodí hardware opravdu není žádná zábava. Pro pokusy doporučuji vývojovou desku Explorer 16 - 100 pinový, dále programátor a ladící prostředek MPLAB ICD 2, a doplňkovou Ethernetovou kartu PICtail Plus Ethernet. Všechny tyto produkty lze zakoupit až do nového roku zde na HW za zvýhodněné ceny.

Obrázek 2: Explorer 16 - 100 pinový - základ pro naše aplikace

Obrázek 3: MPLAB ICD 2

Obrázek 4: PICtail Plus Ethernet

TCP-IP Stack od Microchipu

TCP-IP stack od Microchipu je balík softwaru a zdrojových kódů určený právě pro usnadnění vývoje Ethernetových aplikací s mikrokontroléry PIC a Ethernetovým modulem ENC28J60. Přiložené příklady umožňují jednoduše vytvořit například HTTP server, e-mailového klienta a mnoho dalších zajímavých aplikací. MCS TCP-IP stack je realizován jako modulární systém, kde každý modul reprezentuje funkce příslušné komunikační vrstvy. Potencionální uživatel nemusí přesně vědět, jak jednotlivé moduly fungují, prostě využívá jejich služeb prostřednictvím funkcí (jakýchsi API), které byly vývojáři Microchipu připraveny.

MCS TCP-IP Stack je stavěn na základě upraveného Referenčního modelu TCP-IP. Software založený na tomto modelu je rozdělován do několika základních vrstev, kde vyšší vrstvy využívají služeb vrstev bezprostředně nižších. Nejjednodušší představu takového modelu uvádí obrázek 5.

Obrázek 5: Zjednodušený referenční model ala MCS

MCS TCP-IP Stack využívá ke své činnosti kooperativní multitasking. V tomto režimu uživatel využívající TCP-IP stacku vykoná jen malou část svého kódu a předá řízení Stacku. Stack vykoná nezbytné operace a předá řízení zpět. Možná se tento popis nezdá tak úplně jasný, ale až si příště uvedeme náš první a jednoduchý příklad, bude jasné, že na tom nic není. Pro tyto operace jsou totiž připraveny velmi dobře popsané šablony zdrojových kódu a bezkonkurenční tutoriál.

V dalším kroku by bylo vhodné zařadit nějakou praktickou ukázku. Vzhledem k tomu, že zde na HW probíhá do konce roku velká slevová akce na vývojové prostředky, které bychom k naší práci potřebovali, nechám praktickou část na další díl.

Odkazy & Download

• Katalogový list ENC28J60: http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/39662c.pdf
• MCS TCP-IP Stack: http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/Microchip%20TCPIP%20Stack%20v4.55%20Installer.zip
• Explorer 16 – 100 pinový: http://obchod.hw.cz/DetailPage.asp?CD=903111
• MPLAB ICD 2: http://obchod.hw.cz/DetailPage.asp?CD=903200
• PICtail Plus Ethernet: http://obchod.hw.cz/DetailPage.asp?CD=903175
• SPINET - modul rozhraní Ethernet-SPI : http://obchod.hw.cz/DetailPage.asp?CD=903592