1引言
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和普及，以及電子設(shè)備日趨網(wǎng)絡(luò)化的背景下，用單片機(jī)控制以太網(wǎng)卡進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊成為當(dāng)前的主要發(fā)展趨勢(shì)。通過單片機(jī)控制以太網(wǎng)卡編程可以實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)任意兩個(gè)終端的通訊。本文所介紹的太網(wǎng)卡設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸方面。下面簡(jiǎn)要介紹以51為核心的單片機(jī)和RTL8019AS以太網(wǎng)控制芯片所設(shè)計(jì)的網(wǎng)卡的硬件電路結(jié)構(gòu)及軟件程序設(shè)計(jì)。
2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖1 系統(tǒng)硬件框圖
系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。在該系統(tǒng)中主要包括MCU單元，串口通訊單元，EEPROM單元和網(wǎng)卡芯片單元等。
我們采用AT89C51單片機(jī)作為主處理器控制以太網(wǎng)卡芯片來實(shí)現(xiàn)和以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換。由于單片機(jī)內(nèi)存資源小，處理速度慢，則需要對(duì)單片機(jī)外擴(kuò)RAM。這樣，使用外擴(kuò)RAM可以提高單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸速度，以及處理復(fù)雜的TCP/IP協(xié)議。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包最大可以達(dá)到1500多字節(jié)，89C51單片機(jī)無法存儲(chǔ)這么大的包，只有放到外部的RAM進(jìn)行存儲(chǔ)。同時(shí)外部RAM也用作串行口的輸入輸出緩沖，以使單片機(jī)可以高速的傳輸數(shù)據(jù)速度。
在系統(tǒng)中還使用x5045作為外部擴(kuò)展的EEPROM，用來存儲(chǔ)IP地址、物理地址以及網(wǎng)卡的其他配置信息。同時(shí)x5045還具有電壓監(jiān)控，看門狗定時(shí)器，上電復(fù)位三種功能，使用x5045監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行過程，當(dāng)系統(tǒng)不穩(wěn)定的時(shí)候可以進(jìn)行有效的復(fù)位。
由于單片機(jī)的高低電平和串行口的高低電平不一樣，二者之間需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，在本設(shè)計(jì)中使用MAX232作為串口電平轉(zhuǎn)換芯片，負(fù)責(zé)單片機(jī)與PC機(jī)的電平轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)可以從串口輸入到單片機(jī)，單片機(jī)在把數(shù)據(jù)送到8019傳出去。反之，從8019接收到的數(shù)據(jù)通過單片機(jī)可以從串口發(fā)出去。
網(wǎng)卡芯片采用的是Realtek公司生產(chǎn)的RTL8019AS以太網(wǎng)卡控制器，價(jià)格低廉，和NE2000兼容。RTL8019AS符合ETHERNET II和802．3標(biāo)準(zhǔn)；內(nèi)置16K SRAM，用于收發(fā)緩沖，降低對(duì)主處理器的要求；支持8/16位數(shù)據(jù)總線，8個(gè)中斷申請(qǐng)，16個(gè)I/O基地址選擇等許多特性；在本設(shè)計(jì)中選用8位數(shù)據(jù)總線，選擇8位數(shù)據(jù)總線的方法是在RTL8019AS的IOCS16B引腳接一個(gè)27K的下拉電阻。
由于網(wǎng)卡控制器與以太網(wǎng)是不能直接相連的，中間要通過網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器才能連接到以太網(wǎng)上。網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器的作用是隔直通交，避免雙絞線上的直流電平干擾芯片（RTL8019AS）的工作點(diǎn)；同時(shí)，利用變壓器自身的通頻帶限制高頻的干擾。
8019提供3種配置I/O端口和中斷的模式：第一種為跳線模式（Jumper），RTL8019AS的I/O端口和中斷由跳線引腳決定；第二種為即插即用模式（Plug and Play，PnP），由軟件自動(dòng)配置；第三種為免跳線模式（Jumperless），RTL8019AS的I/O端口和中斷由9346（EEPROM）里的配置信息決定。在本電路中，沒有使用9346而是使用x5045作為閃盤存儲(chǔ)MAC地址和其他配置信息。PnP模式主要使用在PC機(jī)中。所以，使用跳線模式來選擇I/O端口和中斷。RTL8019AS第65引腳JP接高電平（直接接到VDD或通過一個(gè)10kΩ的電阻上拉），8019工作在跳線模式。I/O端口基址選為300H，中斷使用IRQ2/9引腳。
當(dāng)系統(tǒng)上電復(fù)位后，在RSTDRV下降沿，8019AS讀入各個(gè)跳線引腳的狀態(tài)，寫入到系統(tǒng)配置寄存器中，作為系統(tǒng)默認(rèn)的初始配置。
3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)
以太網(wǎng)通信軟件的設(shè)計(jì)包括以太網(wǎng)卡控制器的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)和上層協(xié)議軟件設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)有網(wǎng)卡芯片初始化和收發(fā)數(shù)據(jù)包程序。上層軟件主要是實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，由于單片機(jī)自身資源有限，它的存儲(chǔ)容量、處理速度和總線寬度等都不能像PC機(jī)那樣采用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議，但可以根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)和功能，將精簡(jiǎn)的TCP/IP協(xié)議嵌入到單片機(jī)里。
（1）網(wǎng)卡初始化和收發(fā)數(shù)據(jù)包程序設(shè)計(jì)
首先對(duì)8019AS進(jìn)行復(fù)位，當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位完成后，要對(duì)網(wǎng)卡的工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，即對(duì)網(wǎng)卡初始化，網(wǎng)卡的工作參數(shù)可通過對(duì)RTL8019AS內(nèi)部寄存器設(shè)置。RTL8019AS內(nèi)部寄存器有4頁(yè)，和NE2000兼容的有三頁(yè)，第4頁(yè)不用。頁(yè)選擇由CR寄存器的PS1,PS0位確定。在0頁(yè)寄存器中可以設(shè)置接收、發(fā)送狀態(tài)配置以及發(fā)送緩存區(qū)的起始頁(yè)與接收緩存區(qū)起、止頁(yè)地址等寄存器；在1頁(yè)寄存器中可以設(shè)置以太網(wǎng)接口的MAC地址和組播地址。
RTL8019AS內(nèi)部由兩塊RAM區(qū)。一塊16K字節(jié)，地址為0x4000~0x7fff；RAM按頁(yè)存儲(chǔ)，每256字節(jié)為一頁(yè)。將RAM的前12頁(yè)（即0x4000~0x4bff）存儲(chǔ)區(qū)作為發(fā)送緩沖區(qū)；后52頁(yè)（即0x4c00 ~ 0x7fff）存儲(chǔ)區(qū)作為接收緩沖區(qū)，用來存放接收的以太網(wǎng)幀。另一塊RAM只有32字節(jié)，地址為0x0000~0x001f，用于存儲(chǔ)以太網(wǎng)物理地址。
接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包都必須通過DMA讀寫網(wǎng)卡內(nèi)部的16K RAM，網(wǎng)卡的16K RAM是一個(gè)雙端口RAM，所謂雙端口就是有兩套總線連接到該RAM上，一套總線是單片機(jī)讀寫網(wǎng)卡上的RAM,即遠(yuǎn)程DMA；另一套總線是網(wǎng)卡控制器讀寫網(wǎng)上的RAM，即本地DMA。
接收數(shù)據(jù)是通過本地DMA從網(wǎng)卡接口接收,RTL8019AS對(duì)接收到的數(shù)據(jù)包通過MAC比較，CRC校驗(yàn)，由FIFO存到接受緩沖區(qū)，收滿一幀后以中斷或者寄存器標(biāo)志方式通知主處理器，主處理器通過遠(yuǎn)程DMA將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)讀到自己的內(nèi)存中進(jìn)行處理。
數(shù)據(jù)包的發(fā)送過程包括三個(gè)步驟：主處理器將數(shù)據(jù)包按照RTL8019AS發(fā)送數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行封裝；封裝完之后通過遠(yuǎn)程DMA通道將數(shù)據(jù)包送到RTL8019AS的發(fā)送緩沖區(qū)；然后通過本地DMA將數(shù)據(jù)送到FIFO，通過設(shè)置寄存器CR啟動(dòng)發(fā)送。RTL8019AS完成上一幀的發(fā)送，在開始下一幀的發(fā)送。
?。?）上層軟件設(shè)計(jì)
在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，TCP/IP協(xié)議軟件首先在網(wǎng)絡(luò)接口層實(shí)現(xiàn)對(duì)以太網(wǎng)幀的打包和解析工作。在以太網(wǎng)幀中，將數(shù)據(jù)包分為ARP包、IP包。ARP包分為ARP請(qǐng)求和APR應(yīng)答，以實(shí)現(xiàn)IP地址與MAC地址的動(dòng)態(tài)綁定。IP包可解析為TCP包、UDP包和ICMP包，TCP包用于可靠的有連接的數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)與外部數(shù)據(jù)信息的交換都通過TCP協(xié)議進(jìn)行傳輸；UDP包用于無連接的數(shù)據(jù)報(bào)傳輸，對(duì)一個(gè)以太網(wǎng)幀的解析過程如圖4所示。
圖2 以太網(wǎng)幀解析過程
4結(jié)束語
該設(shè)計(jì)真正實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)系統(tǒng)直接與Internet的連接?？梢允筆C機(jī)遠(yuǎn)程訪問單片機(jī)系統(tǒng)，也可以使單片機(jī)系統(tǒng)將有用的信息發(fā)送到遠(yuǎn)端的PC機(jī)或其他終端上，提高了單片機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)之間的信息共享。在本設(shè)計(jì)中存在主要不足之處在于單片機(jī)處理速度較慢，因此只能應(yīng)用于對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度要求不太高的場(chǎng)合，提高單片機(jī)傳輸數(shù)據(jù)的速度有待于進(jìn)一步的研究。
參考文獻(xiàn)：
[ 1 ] Richard Stevens W TCP/IP詳解 卷1：協(xié)議. 范建華等譯. 機(jī)械工業(yè)出版社，2000
[ 2 ] 胡漢才. 單片機(jī)原理極其接口技術(shù) 清華大學(xué)出版社，1996。
[ 3 ] RTL8019AS datasheet. .
[ 4 ] 老古網(wǎng)站
（轉(zhuǎn)載）
