目前，以太網(wǎng)（Ethernet）協(xié)議已經(jīng)非常廣泛地應(yīng)用于各種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，如辦公局域網(wǎng)、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)、因特網(wǎng)等場(chǎng)合，并且還不斷地在發(fā)展。單片機(jī)或微控制器（MCU）（也稱為嵌入式系統(tǒng)）已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前絕大多數(shù)系統(tǒng)都是以MCU為核心，與監(jiān)測(cè)、伺服、指示設(shè)備配合實(shí)現(xiàn)一定的功能。如果嵌入式系統(tǒng)能夠連接到Internet，則可以方便、低廉地將信息傳送到世界上的任何一個(gè)地方。因此單片機(jī)如何控制以太網(wǎng)網(wǎng)卡進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)，如何加載TCP/IP協(xié)議連接到互聯(lián)網(wǎng)，這些都是一些具有挑戰(zhàn)性的問題［1，2］。單片機(jī)上網(wǎng)研究最多的一個(gè)方案就是用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)ISA總線網(wǎng)卡或者是驅(qū)動(dòng)基于ISA總線的以太網(wǎng)控制芯片。但是，近年來，隨著ISA總線在臺(tái)式電腦上的消失（PC98以后的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)取消了ISA總線），ISA總線的設(shè)備也不斷減少，而且很多生產(chǎn)ISA網(wǎng)卡芯片的廠家已經(jīng)停止生產(chǎn)ISA網(wǎng)卡芯片。在計(jì)算機(jī)上，多數(shù)設(shè)備用的是PCI總線，因此如何制造低成本的PCI總線的以太網(wǎng)接口設(shè)備，如何用單片機(jī)來驅(qū)動(dòng)PCI總線網(wǎng)卡，已成為目前計(jì)算機(jī)工業(yè)控
制系統(tǒng)的燃眉之急。然而用只有16位地址總線、8位數(shù)據(jù)端口的8位單片機(jī)來直接驅(qū)動(dòng)有32位地址數(shù)據(jù)復(fù)用總線及其他各種信號(hào)線的PCI總線網(wǎng)卡，幾乎是不可能的。
為此，本文中采用PCI 9054接口芯片作為溝通單片機(jī)與PCI設(shè)備間的橋梁，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與PCI網(wǎng)卡間的可靠通信任務(wù)，并提供了主要硬件接口電路和主要程序原代碼。
1 PCI9054芯片介紹
1.1 PCI9054主要特性
PCI9054是由美國PLX公司生產(chǎn)的先進(jìn)的PCI I/O加速器，他采用了先進(jìn)的PLX數(shù)據(jù)管道結(jié)構(gòu)技術(shù)。符合PCIV2,2規(guī)范的32 位33 MHz總線主控接口控制器可獲得高達(dá)132 Mb/s的PCI突發(fā)傳輸速度。通用總線主控接口配備先進(jìn)的數(shù)據(jù)流水線架構(gòu)(Data Pipe Architecture(tm))，包含2個(gè)DMA引擎，可編程目標(biāo)、起始器數(shù)據(jù)傳輸模式和PCI信息傳輸?shù)裙δ堋?nbsp;
1.2 PCI9054本地總線工作模式介紹
PCI9054芯片連接的本地端總線有3種工作模式：M模式、C模式和J模式?？衫媚Ｊ竭x擇引腳加以選擇，其中C模式時(shí)序較為簡(jiǎn)單。為此，本方案設(shè)計(jì)選擇PCI 9054工作在C模式。當(dāng)PCI9054工作在C模式時(shí)，其數(shù)據(jù)傳輸采用直接數(shù)據(jù)傳輸方式，按數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂品绞剑址譃?種傳輸模式，如表1所示。
本方案設(shè)計(jì)采用PCI初始化器模式，通過本地端的單片機(jī)來控制PCI9054芯片，然后通過PCI9054芯片來驅(qū)動(dòng)PCI總線上的網(wǎng)卡，在這里PCI9054芯片就象一個(gè)橋梁，連接了2個(gè)不同的總線設(shè)備。其讀寫工作原理如圖1所示。
1.3 PCI9054寄存器簡(jiǎn)介
PCI9054內(nèi)部提供了5種寄存器：PCI配置寄存器，本地端配置寄存器，運(yùn)行時(shí)間RUNTIME寄存器，DMA寄存器和I2O信息寄存器。在本方案設(shè)計(jì)中，我們主要用到2種配置寄存器：PCI配置寄存器和本地端配置寄存器，下面對(duì)這2種寄存器的功能做簡(jiǎn)要介紹。
PCI配置寄存器也就是我們常說的PCI配置空間，他提供了配置PCI的一些信息。其中VenderID，DeviceID，RevisionID，HeaderType，ClassCode用于PCI設(shè)備的識(shí)別。命令寄存器（Command）包含設(shè)備控制位，包括允許存儲(chǔ)器讀寫響應(yīng)等。狀態(tài)寄存器（Status）用于記錄PCI總線的相關(guān)事件。PCI配置寄存器提供了6個(gè)基地址寄存器，這些基地址都是在系統(tǒng)中的物理地址范圍內(nèi)，其中BASE0和BASE1都是用來訪問其他配置寄存器的基地址，BASE1是其他配置寄存器映射到PCI端內(nèi)存的基地址，BASE2是其他寄存器映射到PCI端I/O的基地址。所以可以通過PCI端內(nèi)存和PCI端I/O來訪問LOCAL配置寄存器與其他3種寄存器。BASE2～5四個(gè)空間提供了訪問本地端所接的4個(gè)芯片（當(dāng)然可以少于4個(gè)），他們將本地端的芯片通過本地端地址（在LOCAL配置寄存器中設(shè)）翻譯成PCI的地址，也就是將本地的芯片映射到系統(tǒng)的內(nèi)存或I/O口。這樣使得用程序操作這一段內(nèi)存（或I/O）實(shí)際上就是對(duì)本地的芯片操作。
本地端配置寄存器提供了本地端的一些信息，在本方案設(shè)計(jì)中，主要是通過配置本地端配置寄存器來將本地端的單片機(jī)讀寫指令、周期轉(zhuǎn)換成PCI端的讀寫指令及周期。也就相當(dāng)于將PCI端網(wǎng)卡上的芯片及存儲(chǔ)器映射到本地端，與本地端的存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址，這樣單片機(jī)只要能訪問本地端的內(nèi)存，那么就能用來訪問PCI總線上的網(wǎng)卡。
PCI9054工作時(shí)需要一個(gè)配置芯片E?2PROM，以便在PCI卡上電的時(shí)候配置PCI 9054，主要配置PCI卡的VendorID和Devic
eID，這是系統(tǒng)用來標(biāo)識(shí)PCI卡的。另外，還需要了其他寄存器，主要起到了對(duì)PCI 9054初始化的作用。其中本地端寄存器也可以由本地CPU讀寫，直接進(jìn)行配置。
2 RTL8029網(wǎng)卡簡(jiǎn)介
RTL8029是符合Ne2000標(biāo)準(zhǔn)的32位PCI總線網(wǎng)卡，遵循IEEE802.3協(xié)議。按功能可將其劃分為：接收功能模塊、CRC產(chǎn)生模塊、發(fā)送功能模塊、地址識(shí)別模塊、FIFO控制模塊、協(xié)議邏輯陣列模塊及DMA和緩沖控制模塊。對(duì)網(wǎng)卡進(jìn)行編程可以實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)任一站點(diǎn)間的通信。熟悉網(wǎng)卡接口電路是對(duì)網(wǎng)卡編程的首要條件。網(wǎng)卡接口電路功能可以分為2部分：一是與計(jì)算機(jī)PCI總線相連，包括數(shù)據(jù)總線讀寫、地址總線驅(qū)動(dòng)、中斷控制信號(hào)的產(chǎn)生、存儲(chǔ)器讀寫信號(hào)以及I/O端口信號(hào)的引入等；二是對(duì)網(wǎng)卡內(nèi)部的操作，包括對(duì)緩沖SRAM的讀寫、對(duì)RTL8029AS芯片的控制、讀站地址PROM及讀自舉ROM等。通過網(wǎng)卡工作原理的分析，可以將接口信號(hào)線減至最少。
以太網(wǎng)相當(dāng)于一個(gè)鏈路層連接，因此可以把以太網(wǎng)的傳輸單元稱為幀（Frame）。10 Mb以太網(wǎng)的Frame長(zhǎng)度為64～1 518 b。其格式如表2所示。
其中前導(dǎo)碼是網(wǎng)絡(luò)適配器發(fā)送MAC幀的時(shí)候?yàn)榱耸菇邮者m配器辨別出MAC幀開始而加入的碼，高層的用戶不必考慮。32位CRC，即冗余校檢碼，是以太網(wǎng)使用的校檢機(jī)制，現(xiàn)在CRC的生成與檢測(cè)都可以由網(wǎng)絡(luò)適配器完成，因此用戶也不必考慮這一字段。幀類型，這一字段決定了以太網(wǎng)幀數(shù)據(jù)使用的是什么協(xié)議，如ARP是0x0806，IP是0x0800等。從另一個(gè)角度看，這一字段也可以看作以太網(wǎng)幀自己表明身份的字段。因此，在處理MAC幀時(shí)，需要根據(jù)這一字段的數(shù)據(jù)來決定將數(shù)據(jù)傳送給哪個(gè)上層協(xié)議。在IEEE 802?3協(xié)議中，這一字段表示以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。由于兩個(gè)協(xié)議在這一字段上的不同定義，所以網(wǎng)絡(luò)適配卡對(duì)這一字段是不做解釋的。程序員必須在軟件上編程處理這一字段。
3 方案設(shè)計(jì)
(1）本方案設(shè)計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
系統(tǒng)中用到的主要芯片除了80C51單片機(jī)和PCI9054外還有MAX232(串口的電平轉(zhuǎn)換)，24C02(I2C總線的E?2PROM)，74HC373（8位鎖存），62256（32K的RAM），EPM7096（CPLD），93C46（E2PROM，用來初始化PCI9054）。其中62256（外部32K的RAM）可以不用，可以用網(wǎng)卡上的RAM來代替，但是網(wǎng)卡上的RAM的存取比較復(fù)雜，速度會(huì)比加62256慢。使用外部RAM的目的是提高單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸速度和處理復(fù)雜的TCP/IP協(xié)議。由于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)包最大可以有1500多字節(jié)，80C51單片機(jī)是無法存儲(chǔ)這么大的包的，只有放到外部的RAM里。同時(shí)外部的RAM也用作串行口的輸入輸出緩沖，以使單片機(jī)具有高速的吞吐數(shù)據(jù)的能力。24C02是I２C總線的E２PROM，用來存儲(chǔ)用戶的一些設(shè)置，比如IP地址、網(wǎng)關(guān)等。本方案使用CPLD的目的是，將80C51單片機(jī)的8位數(shù)據(jù)與16位地址轉(zhuǎn)換成32位的數(shù)據(jù)和地址，因?yàn)镻CI9054工作在初始化器模式時(shí)，他要求本地端的總線是32位的。在這里，用CPLD實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)外部邏輯非常簡(jiǎn)單。MAX232為串口電平轉(zhuǎn)換電路。數(shù)據(jù)可以從串口輸入到單片機(jī)，單片機(jī)再把數(shù)據(jù)通過網(wǎng)卡傳出去。
(2) 軟件設(shè)計(jì)
對(duì)網(wǎng)卡編程就是對(duì)網(wǎng)絡(luò)接口控制芯片RTL8029AS中各種寄存器進(jìn)行編程控制，從而完成數(shù)據(jù)分組的正確發(fā)送和接收。所有單片機(jī)程序采用C51語言編制，具有可讀性強(qiáng)、移植性好、開發(fā)周期短的特點(diǎn)。代碼的使用效率也比較高。
主程序可以分為PCI9054芯片初始化、網(wǎng)絡(luò)通訊和串行通訊2部分：PCI9054芯片初始化過程就是對(duì)PCI9054芯片的PCI端配置寄存器和本地端配置寄存器進(jìn)行正確的編程配置，以實(shí)現(xiàn)本地端單片機(jī)與PCI端網(wǎng)卡的無縫連接，對(duì)這2個(gè)寄存器既可以通過對(duì)93 C46燒寫編程的方式，也可以通過本地CPU直接編程的方式來完成初始化。網(wǎng)絡(luò)通訊過程又可分為網(wǎng)卡初始化、發(fā)送控制和接受控制3部分。主程序框圖如圖3所示。
PCI9054芯片初始化過程就是對(duì)PCI9054芯片的相關(guān)寄存器進(jìn)行初始化，這些寄存器包括DMRR、DMLBAM、PCICR、CNTRL等。
網(wǎng)卡初始化過程對(duì)網(wǎng)卡的初始化就是對(duì)網(wǎng)卡相關(guān)寄存器進(jìn)行初始化。這些寄存器包括CR，DCR，RBCR PSTART，PSTOP，ISR，IMR，PAR0~PAR5，MAR0~MAR5D等。PSTART接收緩沖區(qū)的起始頁的地址。PSTOP接收緩沖區(qū)的結(jié)束頁地址（該頁不用于接收）。BNRY指向最后一個(gè)已經(jīng)讀取的頁（讀指針）CURR當(dāng)前的接收結(jié)束頁地址（寫指針）。
發(fā)送控制過程在網(wǎng)絡(luò)中，幀傳輸?shù)倪^程就是發(fā)送方將待發(fā)送數(shù)據(jù)按幀格式要求封裝成幀，然后通過網(wǎng)卡發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)的傳輸線上的工程。發(fā)送程序框圖如圖4所示。
接收控制過程幀的接收過程分為2步［3］：
第1步有本地DMA將幀存入接收緩沖區(qū)中；
第2步由遠(yuǎn)程DMA將接收緩沖區(qū)中的幀讀入內(nèi)存。即將網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)幀接收并存在網(wǎng)卡的接收緩沖區(qū)中，然后由主機(jī)程序?qū)⒕彺鎱^(qū)中的幀讀走并存入內(nèi)存中。幀的接收工作由網(wǎng)卡自動(dòng)完成，只需對(duì)相關(guān)的寄存器和PSTART，PSTOP，CURR和BNRY進(jìn)行適當(dāng)?shù)某跏蓟纯?。幀讀入之前，必須初始化相應(yīng)的寄存器RSAR，RBCR，然后再啟動(dòng)遠(yuǎn)程DMA讀操作和主機(jī)程序的讀端口操作。為了獲得數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，先讀入18 B的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)有效數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度將幀完整的讀入。啟動(dòng)遠(yuǎn)程DMA讀操作，應(yīng)該令CR=0AH，遠(yuǎn)程DMA將從接收緩沖區(qū)的DMA地址處讀入1 B并送往I/O數(shù)據(jù)端口，由主機(jī)程序讀入內(nèi)存。
這一過程將一直持續(xù)到RBCR寄存器為0。
4 結(jié)語
本文提出了一種用8位單片機(jī)80C51和PCI總線主控I/O加速器芯片9054來驅(qū)動(dòng)PCI總線網(wǎng)卡，實(shí)現(xiàn)RS232串行設(shè)備與以太網(wǎng)的連接以傳送控制信令和數(shù)據(jù)文件，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)上網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了相關(guān)硬件，編制了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。整個(gè)方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，縮短了開發(fā)周期，降低了系統(tǒng)開發(fā)成本。