Микросхема W5100

Микросхема W5100 была выпущена в конце 2006 года. Это функционально законченный Ethernet-контроллер со встроенным стеком TCP–IP, специально разработанный для использования во встраиваемых приложениях, когда первоочередными требованиями являются легкость интеграции, стабильность и надежность работы, производительность и невысокая стоимость системы в целом. Аппаратная реализация стека протоколов TCP/IP позволяет получить скорость передачи данных до 25 Мбит/c и обеспечивает простую стыковку с Интернет без участия операционных систем и внешних компьютеров. W5100 совместима со стандартами IEEE 802.3 10BaseT и 802.3u 100BaseTX.

Микросхема W5100 является логическим развитием популярного кристалла W3150A+, основное ядро, в части аппаратной поддержки стека протоколов, у этих микросхем идентично. Вопросы организации внутренней памяти и работы с регистрами, системы прерываний, тактирования и организации интерфейса с микроконтроллером в режимах Direct Bus и Indirect Bus также идентичны W3150A+ . W5100 аппаратно реализует следующие протоколы транспортного, сетевого и канального уровней системы OSI (Open System Interconnection): TCP, UDP, IPv4, ICMP, ARP, IGMP иMAC. Обеспечивается аппаратная поддержка протокола PPPoE (Point-to-point over Ethernet) с PAP/CHAP протоколами аутентификации, что позволяет W5100 осуществлять удаленное подключение встраиваемого устройства к провайдеру через DSL-модемы, не имеющие собственной аппаратной поддержки PPPoE. Кристалл W5100 содержит все необходимые элементы для выполнения работы по аппаратному обслуживанию стека протоколов TCP/IP, включая физический уровень.

Cтруктурная схема сетевого контроллера W5100 приведена ниже.

Главное отличие W5100 от W3150A+ — наличие в составе кристалла аппаратного узла, реализующего физический уровень PHY стека протоколов TCP/IP. Это позволяет уменьшить число микросхем, используемых в разрабатываемом устройстве, и освободить место на печатной плате. Ранее для решения этой задачи использовались внешние микросхемы PHY сторонних производителей (Realtek, Davicom и т. п.).

Субмодуль 10BaseT/100BaseTX Ethernet PHY в составе микросхемы W5100 поддерживает автоопределение режима работы (Full-duplex/Half-duplex и 10/100 Мбит/с), а также функцию распознавания полярности подключения кабеля Auto-MDI/MDIX. Требования к внешнему трансформатору: коэффициенты трансформации и величины индуктивностей составляют соответственно 1:1 и 350 мкГн, как для TX, так и для RX. Для реализации функции Auto MDIX вместе с W5100 необходимо использовать симметричные трансформаторы.

Обмен данными между управляющим микроконтроллером и W5100 происходит по интерфейсу SPI. Схема включения — стандартная.

Внешний микроконтроллер работает в режиме Master, сетевой контроллер WIZnet — в режиме Slave. Для обмена информацией используются линии MOSI/MISO, тактирование W5100 осуществляется от внешнего микроконтроллера по линии SCLK, линия /SS используется мастером для формирования временного «окна» для очередного обмена данными. Вывод SPI_EN должен быть установлен в состояние логической «1» для того, чтобы микросхема перешла в режим интерфейса SPI с внешним микроконтроллером. Если этот вывод удерживать в логическом «0», то выводы MOSI, MISO, SCLK и /SS работают в альтернативном режиме как адресные линии A для режима Direct Bus. Отметим также, что вывод SPI_EN «подтянут» внутренним резистором к «земле» внутри кристалла. Поэтому по умолчанию для обмена с внешним микроконтроллером аппаратно предустановлен режим Direct Bus.

Микросхема W5100 обладает рядом свойств, присущих и контроллеру W3150A+:

• аппаратная поддержка стека проводных протоколов TCP/IP: TCP, UDP, IPv4, ICMP, ARP, IGMP, MAC, PPPoE (Point-to-point over Ethernet) c PAP/CHAP-протоколами аутентификации;
• Un-устойчивое (неуязвимое) оборудование сетевого движка для предотвращения сетевых атак, таких как переполнение, подмены и посторонние вбросы
• одновременная и независимая аппаратная поддержка до 4-х соединений;
• поддержка 10BaseT/100Base TX Ethernet PHY в полнодуплексном режиме;
• производительность до 25 Мбит/с;
• хост-интерфейсы подключения к микроконтроллеру: Direct (Clocked), Indirect (Clocked), SPI (режимы 0 и 3);
• встроенный блок двухпортовой статической памяти для буферов данных TX/RX с общим объемом 16 кБайт для обработки TCP/IP-пакетов;
• основное напряжение питания 3,3 В; линии ввода/вывода I/O совместимы (толерантны) с сигналами 5,0 В;
• Корпус 80LQFP  (10х10мм пакет)
• технология 0,18 мкм CMOS;
• соответствие стандарту RoHS (неиспользование свинца).

Основные различия микросхем W5100 иW3150A+

Непосредственное подключение внешних сигнальных светодиодов обеспечивают шесть отдельных выводов. Последняя опция позволяет разработчику более эффективно диагностировать работу конечного устройства, особенно это удобно на этапе отладки. Работа микросхемы в режиме SPI идентична W3150A+.

Ток потребления ядра TCP/IP составляет 16 мА при передаче данных по сетям 10BaseT и 24 мА при работе с сетями 100BaseTX. Встроенный на кристалл блока физического уровня может потреблять от 15 до 120 мА в зависимости от его режима работы, что соответствует среднестатистическим показателям аналогичных устройств других производителей.

Компания Wiznet предоставляет для своих микросхем готовые драйверы. Для W5100 они были разработаны для микроконтроллеров Atmel, но могут быть легко портированы на платформы других производителей, в частности хост-контроллер USB FTDI. Для своего контроллера компания FTDI адаптировала драйвер Wiznet и включила его в  версию VNC2 IDE Toolchain. Достоинством данной реализации является простота использования: нет необходимости в подробном изучении W5100, его регистров и порядка работы с ними. 

Отладочное средство W5100E01-AVR

Особенности и преимущества

• ATMEL Atmega 128 контроллер на борту отладочного средства для управления W5100 чипом
• 96 pin расширенный разъем для использования всех выводов AVR
• Обеспечение работы  приложений с различными исходными кодами : Loopback, веб-сервер, Ping
• Поддержка ISP & JTAG интерфейсов

Спецификация аппаратной части

Спецификация реализованного на основе W5100 оборудования

Документация