探秘CP2200/1单芯片以太网控制器：功能特性与应用指南

在当今数字化时代，以太网连接在各种嵌入式系统中扮演着至关重要的角色。CP2200/1单芯片以太网控制器以其集成度高、功能丰富等特点，成为众多工程师的首选。本文将深入剖析CP2200/1的各项特性、功能模块以及应用要点，为电子工程师们提供全面的设计参考。

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一、系统概述

CP2200/1集成了IEEE 802.3以太网媒体访问控制器（MAC）、10BASE - T物理层（PHY）和8 kB非易失性闪存，有5 x 5 mm QFN - 28和48引脚TQFP两种封装。它能为具有11个或更多端口I/O引脚的微控制器或主机处理器添加以太网连接功能。其8位并行接口总线支持Intel和Motorola总线格式，在非复用模式下数据传输速率可超30 Mbps。片上闪存可存储用户常量、Web服务器内容等，且出厂时预编程有唯一的48位MAC地址，这大大简化了大多数嵌入式系统的产品制造流程。此外，CP2200/1有四种功率模式，可让主机处理器管理系统功耗，还支持自动协商，能自动检测网络支持的最有效双工模式。

二、典型连接图

文档给出了48引脚CP2200和28引脚CP2201的典型连接图。需要注意的是，为获得最佳性能，CP220x应放置在距变压器1英寸以内的位置。这一要求有助于减少信号传输过程中的干扰和损耗，确保以太网连接的稳定性。

三、绝对最大额定值

了解器件的绝对最大额定值对于保证其正常工作和可靠性至关重要。CP2200/1的绝对最大额定值包括环境温度、存储温度、引脚电压、电源电压和电流等参数。例如，环境偏置温度范围为 - 55°C至125°C，存储温度范围为 - 65°C至150°C。超出这些额定值可能会导致器件永久性损坏，因此在设计时必须严格遵守。

四、电气特性

4.1 全局直流电气特性

CP2200/1的电源电压范围为3.1至3.6 V，不同工作模式下的电源电流有所不同。例如，正常模式（传输时）的电源电流为75至155 mA，正常模式（无网络流量）为60 mA，发射机和接收机禁用（内存模式）为47 mA，复位状态下为15 mA，关机模式下为6.5 mA。这些数据为电源设计提供了重要依据，工程师可以根据系统的实际需求选择合适的电源方案。

4.2 数字I/O直流电气特性

数字I/O的电气特性包括输出高电压、输出低电压、输入高电压、输入低电压和输入泄漏电流等。例如，输出高电压在不同负载电流下有不同的值，输出低电压也会随着负载电流的变化而变化。这些特性对于与其他数字电路的接口设计非常重要，确保信号的正确传输和逻辑电平的匹配。

五、引脚和封装定义

CP2200/1的引脚定义详细说明了每个引脚的功能和用途。包括电源引脚、接地引脚、复位引脚、LED控制引脚、晶体输入输出引脚、收发引脚以及并行接口相关引脚等。不同封装的引脚分布有所不同，但功能基本一致。同时，文档还给出了48引脚TQFP和QFN - 28封装的尺寸和引脚图，为PCB设计提供了准确的参考。

六、功能描述

6.1 概述

CP2200/1主要用于以太网数据包的收发、非易失性数据存储以及控制链路和活动LED。通过并行主机接口访问直接和间接内部寄存器来控制设备，所有数字引脚均为5 V耐受。

6.2 复位初始化

复位后，为确保设备正常运行，建议按照以下步骤进行初始化：

1. 等待复位引脚上升，这在电源复位时耗时最长。
2. 等待振荡器初始化完成，主机处理器可通过中断请求信号得知振荡器稳定。
3. 等待自初始化完成，可检查INT0中断状态寄存器来确定。
4. 禁用主机处理器不监控或处理的事件的中断，默认情况下，每次复位后所有中断均启用。
5. 初始化物理层，具体步骤可参考“15.7. 初始化物理层”。
6. 使用IOPWR寄存器启用所需的活动、链路或活动/链路LED。
7. 初始化媒体访问控制器（MAC），具体步骤可参考“14.1. 初始化MAC”。
8. 配置接收过滤器，具体步骤可参考“12.4. 初始化接收缓冲区、过滤器和哈希表”。
9. 此时CP2200/1即可开始收发数据包。

   6.3 中断请求信号

   CP2200/1有一个中断请求信号（INT），可用于通知主机处理器有未处理的中断。检测到任何启用的中断事件时，INT信号将被置位。主机处理器若无法专门为INT信号分配端口引脚，可定期轮询中断状态寄存器。CP2200/1有14个中断源，包括数据包接收、接收FIFO满、链路状态改变等，中断在复位时启用，可通过软件禁用。

   6.4 时钟选项

   CP2200/1可由外部并行模式晶体振荡器或CMOS时钟提供时钟。若选择晶体振荡器，设备从复位释放后晶体开始工作，直到设备重新进入复位状态或失去电源。需要注意的是，晶体振荡器电路对PCB布局非常敏感，晶体应尽量靠近设备的XTAL引脚，走线应尽量短，并使用接地平面屏蔽，以避免引入噪声或干扰。

   6.5 LED控制

   CP2200（48引脚TQFP）有两个推挽式LED驱动器，每个可提供高达10 mA的电流；CP2201（28引脚QFN）有一个推挽式LED驱动器，可根据链路状态打开或关闭LED，并在检测到活动时闪烁。通过IOPWR寄存器可启用和禁用LED驱动器。

   6.6 数据包收发

   复位初始化完成后，CP2200/1即可收发数据包。发送数据包时，通过AutoWrite寄存器将数据加载到发送缓冲区，并将TXGO置为1。发送完成后会生成数据包发送中断。接收数据包时，当MAC中启用接收且接收缓冲区未满时，数据包会自动接收。接收到数据包后，主机处理器会收到数据包接收中断，可使用AutoRead接口读取数据包。

七、内部存储器和寄存器

7.1 随机访问RAM收发缓冲区

访问收发缓冲区最常用和高效的方法是AutoWrite和AutoRead接口，但在某些情况下可能需要随机访问。随机访问时，先将目标字节的地址写入RAMADDRH:RAMADDRL，然后根据是发送缓冲区还是接收缓冲区，分别对RAMTXDATA或RAMRXDATA进行读写操作。

7.2 内部寄存器

CP2200/1有114个直接内部寄存器和9个间接寄存器，按功能分为十类，包括RAM访问寄存器、中断状态和控制寄存器、复位源寄存器等。详细的寄存器描述可参考文档中的相关表格，这些寄存器为设备的配置和控制提供了丰富的手段。

八、中断源

CP2200/1的14个中断源可通过设置中断状态寄存器中的标志位并将INT引脚置低来提醒主机处理器。主机处理器可通过读取自清除中断状态寄存器INT0和INT1来清除中断标志，也可通过清除INT0EN和INT1EN中的相应位来禁用中断。若主机处理器不使用INT引脚，可通过读取只读寄存器INT0RD和INT1RD来检查是否有中断事件发生。

九、复位源

CP2200/1有五种复位源：电源复位、电源故障复位、振荡器故障复位、外部引脚复位和软件命令复位。复位时，所有直接和间接寄存器将初始化为定义的复位值，数字引脚（除/RST）进入高阻抗状态并弱上拉到VDD，模拟引脚进入高阻抗状态，外部振荡器停止，/RST引脚置低（软件复位除外），所有中断启用。退出复位状态后，设备会自动启动外部振荡器并等待其稳定，然后进行自初始化，自初始化完成后设备即可正常工作。

十、功率模式

10.1 正常模式

正常模式下，设备功能完全正常，适用于主机收发数据包的情况。需要注意的是，发送器在正常模式下有一个节能模式，复位时启用，若要满足IEEE 802.3的最小发送器损耗要求，应禁用该节能模式。

10.2 链路检测模式

在链路检测模式下，发送器和链路脉冲生成逻辑禁用，设备看起来像“离线”。该模式常用于启用“Wake - on - LAN”中断，将CP2200/01置于链路检测模式，然后将MCU置于低功耗模式，直到系统连接到网络。使用该模式时，应确保链路伙伴始终发送链路脉冲。

10.3 内存模式

内存模式下，物理层（接收器和发送器）处于低功耗状态，设备只能访问闪存和RAM缓冲区。可通过清除PHYCN寄存器的三个最高有效位将设备置于内存模式，恢复正常模式时，需设置PHYCN寄存器的三个最高有效位，并等待物理层开启时间。

10.4 关机模式

关机模式是CP2200/1的最低功耗模式，所有主要和次要功能均禁用，系统时钟与振荡器断开连接。只能通过电源复位或引脚复位从关机模式恢复。

10.5 禁用次要设备功能

可通过禁用LED驱动器、弱上拉和VDD监视器来降低功耗。但禁用弱上拉时，需确保所有数字引脚由外部驱动到逻辑高或逻辑低状态，否则可能导致设备行为不确定和功耗增加。

十一、发送接口

11.1 概述

CP2200/1提供了一个简单的以太网数据包发送接口，主机只需将源地址、目的地址、长度/类型和数据加载到发送缓冲区，其他IEEE 802.3要求（如前导码、起始帧分隔符、CRC和填充）将自动生成。

11.2 发送数据包

发送数据包的步骤如下：

1. 等待上一个数据包发送完成（TXBUSY == 0x00）。
2. 将TXSTARTH:TXSTARTL发送缓冲区指针设置为0x0000。
3. 若上一个数据包发送中止，需使用随机内存访问方法将数据加载到发送缓冲区，并将小数据包填充到至少64字节，设置TXENDH:TXENDL为最后添加字节的地址。
4. 若上一个数据包成功发送，可使用AutoWrite接口将数据加载到发送缓冲区，若MAC处于半双工模式，需将小数据包填充到至少64字节。
5. 将TXSTARTH:TXSTARTL发送缓冲区指针重新设置为0x0000。
6. 将TXGO位（TXCN.0）置为1开始发送。

   11.3 覆盖发送配置选项

   发送接口允许主机处理器在每个数据包的基础上自定义数据包发送，可覆盖的选项包括短帧填充、CRC生成、暂停数据包发送（全双工模式）、应用背压（半双工模式）和切换半/全双工模式等。

   11.4 发送缓冲区和AutoWrite接口

   发送缓冲区提供了AutoWrite接口，可高效地将整个数据包加载到缓冲区。该接口由TXSTART、TXEND和TXAUTOWR三个寄存器组成。每次写入TXAUTOWR时，TXEND会设置为写入字节的地址，TXSTART会递增。数据包加载完成后，将TXSTART重置为0x0000。需要注意的是，数据包发送中止后不能使用AutoWrite接口。

   11.5 发送状态和控制寄存器

   CP2200的发送接口通过一系列寄存器进行控制和管理，发送完成后，可通过TXSTA0 - TXSTA6寄存器获取发送状态向量，其中包含了关于最后发送数据包的信息，如碰撞计数、成功发送、总发送字节数等。

十二、接收接口

12.1 概述

CP2200/1有一个4k的循环接收FIFO缓冲区和一个8项的转换后备缓冲区（TLB），可同时存储多达8个数据包。每个TLB项包含一个接收到的数据包的起始地址、长度和其他信息。接收到数据包后，主机微控制器会通过中断请求引脚得到通知，可通过主机接口将数据包内容复制到本地内存，也可通过将RXSKIP（RXCN.1）置为1跳过数据包。接收接口还有一个高级接收过滤器和哈希表，可防止不需要的数据包进入接收缓冲区。

12.2 读取数据包

读取数据包的步骤如下：

1. 读取RXVALID（CPINFOH.7）和RXOK（CPINFOL.7）检查当前数据包是否正确接收，主机处理器可使用数据包起始地址CPADDR读取特定字节，以决定是否复制或跳过当前数据包。
2. 若RXVALID或RXOK为0，或要跳过数据包，将RXSKIP（RXCN.1）置为1；若RXVALID和RXOK均为1，从CPLENH:CPLENL读取当前数据包的长度。
3. 通过读取RXAUTORD逐字节读取整个数据包。
4. 若整个数据包读取完成，将RXCLRV（RXCN.2）置为1；若当前缓冲区有未读取的字节，将RXSKIP（RXCN.1）置为1。

   12.3 时序和缓冲区溢出考虑

   对于10 Base - T以太网，最小数据包（64字节）在51.2 us内接收，接收缓冲区最多可容纳8个数据包。为防止指针损坏，软件应在第7个数据包到达接收缓冲区后禁用数据包接收（RXINH = 1）。若处理数据包接收中断的时间超过51.2 us，应使用随机访问方法从接收缓冲区检索数据。

   12.4 初始化接收缓冲区、过滤器和哈希表

   设备复位后，接收缓冲区为空，过滤器配置为接受广播数据包和匹配哈希值0x0400的多播数据包。接收缓冲区无需额外初始化，可通过RXFILT寄存器配置接收过滤器，以接受或忽略广播数据包、多播数据包、短数据包和有CRC错误的数据包。若要接受多播数据包，可对哈希表进行编程。

   12.5 接收状态和控制寄存器

   CP2200/1的接收接口通过一系列寄存器进行控制和管理，当前数据包寄存器提供了关于下一个要从接收缓冲区卸载的数据包（最早接收到的数据包）的信息。

   12.6 高级接收缓冲区操作

   接收缓冲区操作由硬件自动处理，主机处理器通常无需干预。数据包到达并通过接收过滤器后，会添加到循环接收缓冲区的尾部指针指向的地址，FIFO尾部指针在每个字节接收后递增。新数据包到达时，接收缓冲区控制器会寻找未使用的TLB槽来存储数据包信息。若所有8个槽都满，数据包将被丢弃，并生成接收FIFO满中断。

   12.7 接收缓冲区高级状态和控制寄存器

   接收缓冲区通过一系列寄存器进行控制和管理，这些寄存器主要用于调试目的，主机处理器通常不常访问。

十三、闪存

13.1 编程闪存

CP2200/1的8 kB片上非易失性闪存可通过并行主机接口逐字节编程。闪存位一旦清零为逻辑0，必须擦除才能重新设置为逻辑1。闪存擦除操作一次擦除整个512字节扇区，闪存写入和擦除操作由硬件自动计时，不影响并行主机接口。写入或擦除操作完成后，主机CPU会收到中断请求通知。编程和擦除闪存需使用FLASHADDRH:FLASHADDRL、FLASHDATA和FLASHERASE寄存器，并通过FLASHSTA寄存器监控操作状态。

13.2 读取闪存

闪存读取速度比写入或擦除操作快，可通过FLASHADDRH:FLASHADDRL、FLASHDATA和FLASHAUTORD寄存器进行读取。FLASHAUTORD寄存器可通过自动递增闪存地址指针，高效地访问闪存中的顺序数据。

13.3 闪存访问寄存器

CP2200的闪存通过一系列寄存器进行访问，包括FLASHSTA、FLASHKEY、FLASHADDRH、FLASHADDRL、FLASHDATA、FLASHAUTORD和FLASHERASE等，详细的寄存器描述可参考文档中的相关表格。

十四、媒体访问控制器（MAC）

14.1 初始化MAC

MAC初始化在物理层初始化之后进行，通常在每次复位或自动协商完成中断后进行一次。大多数MAC间接寄存器可保持复位值。初始化步骤如下：

1. 确定物理层是全双工还是半双工模式，MAC必须与物理层设置为相同的双工模式。
2. 将0x40B3（全双工）或0x4012（半双工）写入MACCF。
3. 将0x0015（全双工）或0x0012（半双工）写入IPGT。
4. 将0x0C12写入IPGR。
5. 将0x05EE写入MAXLEN。
6. 通过写入MACAD0:MACAD1:MACAD2编程48位以太网MAC地址。
7. 将0x0001写入MACCN以启用接收，若需要回环模式或流量控制，设置相应的位以启用这些功能。

   14.2 访问间接MAC寄存器

   间接MAC寄存器通过四个直接映射寄存器（MACADDR、MACDATAH、MACDATAL和MACRW）进行访问。访问步骤如下：

8. 将间接寄存器的地址写入MACADDR。