深度剖析ENC28J60：獨(dú)立以太網(wǎng)控制器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用指南

在當(dāng)今數(shù)字化時(shí)代，以太網(wǎng)連接在各類電子設(shè)備中扮演著至關(guān)重要的角色。ENC28J60作為一款具備SPI接口的獨(dú)立以太網(wǎng)控制器，以其獨(dú)特的功能和廣泛的適用性，成為眾多電子工程師的首選。本文將對(duì)ENC28J60進(jìn)行全面深入的剖析，涵蓋其特性、外部連接、內(nèi)存組織、SPI接口等多個(gè)方面，旨在為工程師們提供一份詳盡的設(shè)計(jì)與應(yīng)用指南。

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一、ENC28J60概述

ENC28J60專為與具備SPI接口的控制器搭配使用而設(shè)計(jì)，能夠無縫融入各類以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。它嚴(yán)格遵循IEEE 802.3規(guī)范，可全面兼容10/100/1000Base - T網(wǎng)絡(luò)，具備多種實(shí)用特性。

• 核心特性：集成了MAC和10Base - T PHY，支持單10Base - T端口，具備自動(dòng)極性檢測(cè)與校正功能，支持全雙工和半雙工模式。同時(shí)，它還擁有可編程的自動(dòng)重傳、填充和CRC生成功能，以及自動(dòng)拒絕錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包的能力，借助SPI接口，時(shí)鐘速率最高可達(dá)20 MHz。
• 功能模塊：主要由SPI接口、控制寄存器、雙端口RAM緩沖器、仲裁器、總線接口、MAC模塊和PHY模塊等七大功能模塊構(gòu)成。此外，還配備了振蕩器、片上穩(wěn)壓器、電平轉(zhuǎn)換器等輔助模塊，以提供5V容忍的I/O和系統(tǒng)控制邏輯。

二、外部連接設(shè)計(jì)要點(diǎn)

振蕩器配置

• 晶體振蕩器：ENC28J60通常需搭配25 MHz的并聯(lián)諧振晶體，連接至OSC1和OSC2引腳。使用串聯(lián)諧振晶體可能導(dǎo)致頻率超出制造商規(guī)定范圍。
• 外部時(shí)鐘源：也可采用外部時(shí)鐘源連接至OSC1引腳，但需注意時(shí)鐘占空比限制，可添加接地電阻以降低系統(tǒng)噪聲，但可能會(huì)增加系統(tǒng)電流。
• 振蕩器啟動(dòng)定時(shí)器：為確保振蕩器和集成PHY穩(wěn)定運(yùn)行，ENC28J60內(nèi)置了振蕩器啟動(dòng)定時(shí)器（OST）。在電源上電復(fù)位或從掉電模式喚醒后，需等待7500個(gè)OSC1時(shí)鐘周期（300 μs），期間可通過SPI總線讀寫寄存器和緩沖器內(nèi)存，但不宜進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸、接收或訪問MAC、MII、PHY寄存器等操作。當(dāng)ESTAT寄存器中的CLKRDY位被置位時(shí)，方可開始正常的設(shè)備操作。

CLKOUT引腳應(yīng)用

CLKOUT引腳可作為主機(jī)控制器時(shí)鐘或系統(tǒng)中其他設(shè)備的時(shí)鐘源。其內(nèi)部預(yù)分頻器可將輸出頻率進(jìn)行1、2、3、4或8分頻，通過ECOCON寄存器進(jìn)行配置。在電源上電初期，CLKOUT引腳保持低電平，待OST計(jì)數(shù)結(jié)束后，將輸出默認(rèn)頻率6.25 MHz（主時(shí)鐘除以4）。在改變頻率時(shí)，會(huì)有2 - 8個(gè)OSC1時(shí)鐘周期的延遲，期間CLKOUT引腳保持低電平。

外部組件連接

• 電阻與電容：PHY模塊的內(nèi)部模擬電路要求在RBIAS引腳與地之間連接一個(gè)2.32 kΩ、1%的電阻，以影響TPOUT + / - 信號(hào)幅度。同時(shí)，需在VCAP引腳與地之間連接一個(gè)低ESR的外部濾波電容，典型值為10 μF，最小值為1 μF。
• 脈沖變壓器：TPIN + / - 和TPOUT + / - 引腳需連接額定用于以太網(wǎng)操作的1:1中心抽頭脈沖變壓器。在以太網(wǎng)模塊啟用時(shí)，TPOUT引腳會(huì)持續(xù)吸收電流，通過改變TPOUT + 和TPOUT - 的相對(duì)電流來在以太網(wǎng)上創(chuàng)建差分電壓。
• 電源與接地：所有電源引腳需連接至同一電源，所有接地引腳需連接至同一接地節(jié)點(diǎn)，每個(gè)VDD和VSS引腳對(duì)附近應(yīng)放置一個(gè)0.1 μF的陶瓷旁路電容，以減少信號(hào)干擾。
• I/O電平轉(zhuǎn)換：盡管ENC28J60為3.3V器件，但SPI的CS、SCK、SI輸入及RESET引腳具備5V容忍能力。若主機(jī)控制器為5V器件，可能需要使用單向電平轉(zhuǎn)換器，如74HCT08、74ACT125等。
• LED配置：LEDA和LEDB引腳支持自動(dòng)極性檢測(cè)。在系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，ENC28J60會(huì)檢測(cè)LED的連接方式，并根據(jù)PHLCON寄存器的配置驅(qū)動(dòng)LED至默認(rèn)狀態(tài)?？赏ㄟ^LACFG<3:0>和LBCFG<3:0>位分別配置LED的工作極性、閃爍速率和閃爍拉伸間隔。

三、內(nèi)存組織架構(gòu)

ENC28J60的內(nèi)存采用靜態(tài)RAM實(shí)現(xiàn)，主要包括控制寄存器、以太網(wǎng)緩沖器和PHY寄存器三種類型。

控制寄存器

控制寄存器用于ENC28J60的配置、控制和狀態(tài)檢索，可通過SPI接口直接讀寫。其內(nèi)存被劃分為四個(gè)32字節(jié)的存儲(chǔ)體，通過ECON1寄存器中的BSEL<1:0>位進(jìn)行選擇。部分地址未被實(shí)現(xiàn)，寫入這些地址將被忽略，讀取返回‘0’。其中，地址1Ah的寄存器為保留寄存器，不應(yīng)進(jìn)行讀寫操作。

以太網(wǎng)緩沖器

以太網(wǎng)緩沖器由8 Kbytes的存儲(chǔ)單元組成，分為接收和發(fā)送緩沖器空間，其大小和位置可由主機(jī)控制器通過SPI接口進(jìn)行編程設(shè)置。

• 接收緩沖器：采用硬件管理的循環(huán)FIFO緩沖器，通過ERXSTH:ERXSTL和ERXNDH:ERXNDL寄存器對(duì)定義其大小和位置。數(shù)據(jù)按順序?qū)懭虢邮站彌_器，當(dāng)寫入到ERXND指向的內(nèi)存后，會(huì)自動(dòng)回到ERXST指向的內(nèi)存開始寫入。主機(jī)控制器可在接收邏輯未啟用時(shí)對(duì)ERXST和ERXND指針進(jìn)行編程，但在接收邏輯啟用后（ECON1.RXEN置位）則不可修改。
• 發(fā)送緩沖器：8 Kbytes內(nèi)存中未被配置為接收FIFO緩沖器的空間即為發(fā)送緩沖器。主機(jī)控制器負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)包在發(fā)送緩沖器中的位置，在發(fā)送數(shù)據(jù)包前，需編程設(shè)置ETXST和ETXND指針，以指定要發(fā)送的數(shù)據(jù)包在發(fā)送緩沖器中的位置。
• 緩沖器讀寫：主機(jī)控制器通過單獨(dú)的讀、寫指針（ERDPT和EWRPT）結(jié)合SPI的讀緩沖器內(nèi)存和寫緩沖器內(nèi)存命令來訪問以太網(wǎng)緩沖器內(nèi)容。在順序讀取接收緩沖器時(shí)，到達(dá)接收緩沖器末尾會(huì)發(fā)生回繞；在順序?qū)懭刖彌_器時(shí)，則不會(huì)發(fā)生回繞。
• DMA訪問：集成的DMA控制器在計(jì)算校驗(yàn)和以及復(fù)制內(nèi)存時(shí)需從緩沖器讀取數(shù)據(jù)，遵循與SPI訪問相同的回繞規(guī)則。

PHY寄存器

PHY寄存器用于PHY模塊的配置、控制和狀態(tài)檢索，所有PHY寄存器均為16位寬，共32個(gè)地址，但僅9個(gè)位置被實(shí)現(xiàn)。通過MIIM接口訪問PHY寄存器，具體操作包括寫入地址、數(shù)據(jù)，等待操作完成等步驟。

四、SPI接口指令集

ENC28J60的操作完全依賴于外部主機(jī)控制器通過SPI接口發(fā)送的命令，共實(shí)現(xiàn)了七種指令。

讀控制寄存器命令（RCR）

用于讀取ETH、MAC和MII寄存器的內(nèi)容。對(duì)于ETH寄存器，發(fā)送RCR操作碼和5位寄存器地址后，數(shù)據(jù)將立即從SO引腳移出；對(duì)于MAC和MII寄存器，先移出一個(gè)虛擬字節(jié)，然后再移出數(shù)據(jù)。操作結(jié)束后，將CS引腳置高。

讀緩沖器內(nèi)存命令（RBM）

允許主機(jī)控制器從集成的8 Kbyte發(fā)送和接收緩沖器內(nèi)存中讀取字節(jié)。發(fā)送RBM操作碼和5位常量1Ah后，數(shù)據(jù)將從ERDPT指向的內(nèi)存中移出。若ECON2寄存器中的AUTOINC位被置位，ERDPT指針將自動(dòng)遞增，實(shí)現(xiàn)連續(xù)讀取。

寫控制寄存器命令（WCR）

用于向ETH、MAC和MII控制寄存器寫入數(shù)據(jù)。發(fā)送WCR操作碼和5位地址后，將數(shù)據(jù)寫入指定寄存器。操作結(jié)束后，將CS引腳置高。

寫緩沖器內(nèi)存命令（WBM）

允許主機(jī)控制器向集成的8 Kbyte發(fā)送和接收緩沖器內(nèi)存中寫入字節(jié)。發(fā)送WBM操作碼和5位常量1Ah后，將數(shù)據(jù)寫入EWRPT指向的內(nèi)存。若ECON2寄存器中的AUTOINC位被置位，EWRPT指針將自動(dòng)遞增，實(shí)現(xiàn)連續(xù)寫入。

位字段設(shè)置命令（BFS）

用于設(shè)置ETH控制寄存器中的最多8位。發(fā)送BFS操作碼和5位地址后，將數(shù)據(jù)字節(jié)與指定寄存器內(nèi)容進(jìn)行按位或操作。

位字段清除命令（BFC）

用于清除ETH控制寄存器中的最多8位。發(fā)送BFC操作碼和5位地址后，將數(shù)據(jù)字節(jié)取反并與指定寄存器內(nèi)容進(jìn)行按位與操作。

系統(tǒng)復(fù)位命令（SRC）

允許主機(jī)控制器發(fā)出系統(tǒng)軟復(fù)位命令。發(fā)送SRC操作碼和5位軟復(fù)位命令常量1Fh后，操作結(jié)束將CS引腳置高。

五、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包處理

數(shù)據(jù)包格式

正常的IEEE 802.3兼容以太網(wǎng)幀長度在64 - 1518字節(jié)之間，由目的MAC地址、源MAC地址、類型/長度字段、數(shù)據(jù)有效負(fù)載、可選填充字段和CRC組成。在傳輸和接收數(shù)據(jù)時(shí)，ENC28J60會(huì)自動(dòng)生成或去除前導(dǎo)碼和幀起始分隔符字節(jié)，主機(jī)控制器通常無需處理這些內(nèi)容。

數(shù)據(jù)包發(fā)送

在發(fā)送數(shù)據(jù)包前，需對(duì)MAC寄存器進(jìn)行初始化設(shè)置。主機(jī)控制器需生成并寫入除前導(dǎo)碼、幀起始分隔符、填充和CRC（若已配置）之外的所有幀字段，并在數(shù)據(jù)包前添加一個(gè)單字節(jié)的每包控制字節(jié)。設(shè)置ETXST和ETXND指針，清除EIR.TXIF，設(shè)置EIE.TXIE和EIE.INTIE（若需要中斷），然后設(shè)置ECON1.TXRTS開始傳輸。傳輸完成或因錯(cuò)誤/取消而中止時(shí)，ECON1.TXRTS位將被清除，發(fā)送狀態(tài)向量將被寫入ETXND + 1位置，EIR.TXIF將被置位，并觸發(fā)中斷（若已啟用）。

數(shù)據(jù)包接收

在接收數(shù)據(jù)包前，需初始化接收緩沖器、配置MAC和接收過濾器。啟用接收功能后，未被過濾的數(shù)據(jù)包將被寫入循環(huán)接收緩沖器。每個(gè)數(shù)據(jù)包前有一個(gè)6字節(jié)的頭部，包含下一個(gè)數(shù)據(jù)包指針和接收狀態(tài)向量。主機(jī)控制器可使用RBM命令從下一個(gè)數(shù)據(jù)包指針開始讀取數(shù)據(jù)包內(nèi)容，處理完數(shù)據(jù)包后，需推進(jìn)接收緩沖器讀取指針ERXRDPT，并將ECON2.PKTDEC位置1，以減少EPKTCNT寄存器的值。

六、接收過濾器配置

為減輕主機(jī)控制器的處理負(fù)擔(dān)，ENC28J60集成了多種接收過濾器，包括單播、模式匹配、Magic Packet?、哈希表、多播和廣播過濾器。這些過濾器由ERXFCON寄存器配置，可通過ANDOR位進(jìn)行邏輯與或邏輯或操作。通過合理配置過濾器，可自動(dòng)拒絕不需要的數(shù)據(jù)包。

七、雙工模式選擇與配置

ENC28J60不支持自動(dòng)雙工協(xié)商，若要實(shí)現(xiàn)全雙工通信，需與遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)進(jìn)行手動(dòng)配置。

半雙工模式

當(dāng)MACON3.FULDPX = 0且PHCON1.PDPXMD = 0時(shí)，ENC28J60工作在半雙工模式。在此模式下，同一時(shí)間只能有一個(gè)以太網(wǎng)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。若發(fā)生沖突，硬件將根據(jù)沖突發(fā)生的時(shí)間采取相應(yīng)的處理措施：若在“沖突窗口”內(nèi)發(fā)生沖突，將進(jìn)行隨機(jī)指數(shù)退避延遲后重新嘗試傳輸；若在“沖突窗口”外發(fā)生沖突，則立即中止傳輸。默認(rèn)情況下，半雙工模式會(huì)將發(fā)送的數(shù)據(jù)包回環(huán)至自身，可通過設(shè)置PHCON2.HDLDIS位來停止此行為。

全雙工模式

當(dāng)MACON3.FULDPX = 1且PHCON1.PDPXMD = 1時(shí)，ENC28J60工作在全雙工模式。在此模式下，數(shù)據(jù)包可同時(shí)進(jìn)行發(fā)送和接收，不會(huì)發(fā)生沖突。默認(rèn)情況下，全雙工模式不會(huì)將發(fā)送的數(shù)據(jù)包回環(huán)至自身，若需要進(jìn)行診斷，可設(shè)置PHCON1.PLOOPBK位。

八、流量控制策略

半雙工模式

在半雙工模式下，設(shè)置EFLOCON.FCEN0位可啟用流量控制。此時(shí)，以太網(wǎng)介質(zhì)上會(huì)自動(dòng)發(fā)送交替的‘1’和‘0’（55h）的連續(xù)前導(dǎo)碼模式，阻止其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。當(dāng)主機(jī)控制器發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，前導(dǎo)碼模式將停止，發(fā)送完成或中止后，前導(dǎo)碼模式將自動(dòng)恢復(fù)。由于此模式可能對(duì)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生不利影響且效果不佳，建議僅在經(jīng)過適當(dāng)測(cè)試的封閉網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中使用。

全雙工模式

在全雙工模式下，通過發(fā)送IEEE 802.3規(guī)范定義的暫?？刂茙瑏韺?shí)現(xiàn)硬件流量控制。主機(jī)控制器需設(shè)置MACON1寄存器中的TXPAUS和RXPAUS位，當(dāng)接收緩沖器空間不足時(shí)，將EFLOCON寄存器寫入02h以開啟流量控制，硬件將定期發(fā)送包含暫停定時(shí)器值的暫停幀；當(dāng)有足夠空間時(shí)，將EFLOCON寄存器寫入03h以關(guān)閉流量控制，硬件將發(fā)送一個(gè)包含暫停定時(shí)器值為0000h的暫停幀。

九、復(fù)位操作流程

ENC28J60支持多種復(fù)位方式，包括上電復(fù)位、系統(tǒng)復(fù)位、僅發(fā)送復(fù)位、僅接收復(fù)位和雜項(xiàng)MAC和PHY子系統(tǒng)復(fù)位。

上電復(fù)位（POR）

當(dāng)VDD上升超過一定閾值時(shí)，芯片內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生上電復(fù)位脈沖，使設(shè)備進(jìn)入初始化狀態(tài)。為確保正常復(fù)位，需滿足VDD的最小上升速率要求。上電復(fù)位后，雙端口緩沖器內(nèi)存內(nèi)容未知，但所有寄存器將加載為指定的復(fù)位值。部分功能在復(fù)位后需等待OSC啟動(dòng)定時(shí)器結(jié)束方可訪問。

系統(tǒng)復(fù)位

可通過RESET引腳或SPI接口的系統(tǒng)復(fù)位命令進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位。復(fù)位后，所有PHY寄存器在復(fù)位結(jié)束后至少50 μs內(nèi)不應(yīng)進(jìn)行讀寫操作，所有寄存器將恢復(fù)到默認(rèn)復(fù)位值，雙端口緩沖器內(nèi)存狀態(tài)保持不變。

僅發(fā)送復(fù)位

通過向ECON1寄存器的TXRST位寫入‘1’來執(zhí)行僅發(fā)送復(fù)位。若正在發(fā)送數(shù)據(jù)包，硬件將自動(dòng)清除TXRTS位并中止傳輸，僅復(fù)位發(fā)送邏輯。

僅接收復(fù)位

通過向ECON1寄存器的RXRST位寫入‘1’來執(zhí)行僅接收復(fù)位。若正在接收數(shù)據(jù)包，硬件將自動(dòng)清除RXEN位并中止接收，僅復(fù)位接收邏輯。

PHY子系統(tǒng)復(fù)位

向PHCON1寄存器的PRST位寫入‘1’可復(fù)位PHY模塊。復(fù)位后，所有PHY寄存器內(nèi)容將恢復(fù)到默認(rèn)復(fù)位值，但PHY不能立即退出復(fù)位狀態(tài)，需等待一段時(shí)間，待硬件自動(dòng)清除PRST位后，主機(jī)控制器方可使用PHY。

十、中斷管理機(jī)制

ENC28J60具備多個(gè)中斷源和一個(gè)中斷輸出引腳，通過EIE寄存器控制中斷使能，EIR寄存器記錄中斷標(biāo)志。當(dāng)啟用的中斷發(fā)生時(shí)，中斷引腳將保持低電平，直到主機(jī)控制器清除或屏蔽所有導(dǎo)致中斷的標(biāo)志。建議使用位字段清除（BFC）SPI命令來重置EIR寄存器中的標(biāo)志位，以避免在寫入命令期間意外改變標(biāo)志。

主要中斷類型

• 接收錯(cuò)誤中斷（RXERIF）：表示接收緩沖器溢出或接收緩沖器中的數(shù)據(jù)包過多，無法再存儲(chǔ)新數(shù)據(jù)包。
• 發(fā)送錯(cuò)誤中斷（TXERIF）：表示發(fā)送中止，可能由過多沖突、后期沖突、數(shù)據(jù)包過大等原因?qū)е隆?/li>
• 發(fā)送中斷（TXIF）：表示請(qǐng)求的數(shù)據(jù)包傳輸已結(jié)束。
• 鏈路更改中斷（LINKIF）：表示鏈路狀態(tài)已更改，需通過設(shè)置PHIE.PLNKIE和PGEIE位來啟用。
• DMA中斷（DMAIF）：表示DMA模塊已完成內(nèi)存復(fù)制或校驗(yàn)和計(jì)算。
• 接收數(shù)據(jù)包待處理中斷（PKTIF）：表示接收緩沖器中存在一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)包。

喚醒功能

ENC28J60支持Wake - On - LAN/Remote Wake - up功能，可通過配置接收過濾器和中斷掩碼寄存器，在接收到喚醒數(shù)據(jù)包（如Magic Packet）時(shí)喚醒處于低功耗模式的主機(jī)控制器。

十一、DMA控制器應(yīng)用

ENC28J60集成的雙用途DMA控制器可用于在8 Kbyte內(nèi)存緩沖器內(nèi)復(fù)制數(shù)據(jù)，也可計(jì)算與多種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議兼容的16位校驗(yàn)和。

內(nèi)存復(fù)制操作

為在緩沖器內(nèi)復(fù)制內(nèi)存，需適當(dāng)編程設(shè)置EDMAST、EDMAND和EDMADST寄存器對(duì)，設(shè)置EIE.DMAIE和EIE.INTIE（若需要中斷），清除EIR.DMAIF，確認(rèn)ECON1.CSUMEN位已清除，然后設(shè)置ECON1.DMAST開始復(fù)制。復(fù)制完成后，DMA硬件將清除DMAST位，設(shè)置DMAIF位，并觸發(fā)中斷（若已啟用）。

校驗(yàn)和計(jì)算操作

計(jì)算校驗(yàn)和時(shí)，需編程設(shè)置EDMAST和EDMAND寄存器對(duì)，清除EIR.DMAIF，設(shè)置EIE.DMAIE和EIE.INTIE（若需要中斷），然后設(shè)置ECON1.CSUMEN和ECON1.DMAST開始計(jì)算。計(jì)算完成后，硬件將清除DMAST位，設(shè)置DMAIF位，并觸發(fā)中斷（若已啟用），計(jì)算結(jié)果將存儲(chǔ)在EDMACSH和EDMACSL寄存器中。

十二、內(nèi)置自測(cè)試控制器使用方法

ENC28J60的內(nèi)置自測(cè)試（BIST）模塊可用于驗(yàn)證8 Kbyte內(nèi)存緩沖器中每個(gè)位的正常運(yùn)行。通過EBSTCON、EBSTSD、EBSTCSH和EBSTCSL四個(gè)寄存器來操作BIST控制器，支持隨機(jī)數(shù)據(jù)填充、地址填充和模式移位填充三種操作模式。

測(cè)試步驟

1. 編程設(shè)置EDMAST寄存器對(duì)