摘? 要: 介紹以太網(wǎng)的幀協(xié)議和以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS的結(jié)構(gòu)特性;介紹51單片機(jī)控制" title="單片機(jī)控制">單片機(jī)控制RTL8019AS實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通訊的硬件設(shè)計(jì)方案;采用C51語言實(shí)現(xiàn)ARP協(xié)議(地址解析協(xié)議),并進(jìn)行了系統(tǒng)的調(diào)試與驗(yàn)證。

　　關(guān)鍵詞: RTL8019AS? Ethernet? 51單片機(jī)? TCP/IP協(xié)議

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　　互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)硬件、軟件的迅猛發(fā)展,使得網(wǎng)絡(luò)用戶呈指數(shù)增長,在使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的同時(shí),各種家電設(shè)備、儀器儀表以及工業(yè)生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)采集與控制設(shè)備在逐步地走向網(wǎng)絡(luò)化,以便共享網(wǎng)絡(luò)中龐大的信息資源。在電子設(shè)備日趨網(wǎng)絡(luò)化的背景下,利用廉價(jià)的51單片機(jī)來控制RTL8019AS實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通訊具有十分重要的意義。

1 以太網(wǎng)(Ethernet)協(xié)議

　　一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)物理傳輸幀由七部分組成(如表1所示,單位:字節(jié))。

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　　除了數(shù)據(jù)段的長度不定外,其他部分的長度固定不變。數(shù)據(jù)段為46～1500字節(jié)。以太網(wǎng)規(guī)定整個(gè)傳輸包的最大長度不能超過1514字節(jié)(14字節(jié)為DA、SA、TYPE),最小不能小于60字節(jié)。 除去DA、SA、TYPE 14字節(jié),還必須傳輸46字節(jié)的數(shù)據(jù),當(dāng)數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)不足46字節(jié)時(shí)需填充,填充字符的個(gè)數(shù)不包括在長度字段里;超過1500字節(jié)時(shí),需拆成多個(gè)幀傳送。事實(shí)上,發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),PR、SD、FCS及填充字段這幾個(gè)數(shù)據(jù)段由以太網(wǎng)控制器" title="以太網(wǎng)控制器">以太網(wǎng)控制器自動(dòng)產(chǎn)生;而接收數(shù)據(jù)時(shí),PR、SD被跳過,控制器一旦檢測(cè)到有效的前序字段(即PR、SD),就認(rèn)為接收數(shù)據(jù)開始。

2 RTL8019AS以太網(wǎng)控制器簡介

　　由臺(tái)灣Realtek公司生產(chǎn)的RTL8019AS以太網(wǎng)控制器,由于其優(yōu)良的性能、低廉的價(jià)格,使其在市場(chǎng)上10Mbps網(wǎng)卡中占有相當(dāng)?shù)谋壤?/P>

2.1 主要性能

　　(1)符合Ethernet II與IEEE802.3(10Base5、10Base2、10BaseT)標(biāo)準(zhǔn);

　　(2)全雙工,收發(fā)可同時(shí)達(dá)到10Mbps的速率;

　　(3)內(nèi)置16KB的SRAM,用于收發(fā)緩沖,降低對(duì)主處理器的速度要求;

　　(4)支持8/16位數(shù)據(jù)總線,8個(gè)中斷申請(qǐng)線以及16個(gè)I/O" title="I/O">I/O基地址選擇;

　　(5)支持UTP、AUI、BNC自動(dòng)檢測(cè),還支持對(duì)10BaseT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的自動(dòng)極性修正;

　　(6)允許4個(gè)診斷LED引腳可編程輸出;

　　(7)100腳的PQFP封裝,縮小了PCB尺寸。

2.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　RTL8019AS內(nèi)部可分為遠(yuǎn)程DMA接口、本地DMA接口、MAC(介質(zhì)訪問控制)邏輯、數(shù)據(jù)編碼解碼邏輯和其他端口。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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　　遠(yuǎn)程DMA接口是指單片機(jī)對(duì)RTL8019AS內(nèi)部RAM進(jìn)行讀寫的總線,即ISA總線的接口部分。單片機(jī)收發(fā)數(shù)據(jù)只需對(duì)遠(yuǎn)程DMA操作。本地DMA接口是指RTL8019AS與網(wǎng)線的連接通道,完成控制器與網(wǎng)線的數(shù)據(jù)交換。

　　MAC(介質(zhì)訪問控制)邏輯完成以下功能:當(dāng)單片機(jī)向網(wǎng)上發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),先將一幀數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程DMA通道送到RTL8019AS中的發(fā)送緩存區(qū),然后發(fā)出傳送命令;當(dāng)RTL8019AS完成了上一幀的發(fā)送后,再開始此幀的發(fā)送。RTL8019AS接收到的數(shù)據(jù)通過MAC比較、CRC校驗(yàn)后,由FIFO存到接收緩沖區(qū);收滿一幀后,以中斷或寄存器標(biāo)志的方式通知主處理器。FIFO邏輯對(duì)收發(fā)數(shù)據(jù)作16字節(jié)的緩沖,以減少對(duì)本地DMA請(qǐng)求的頻率。

2.3 內(nèi)部RAM地址空間分配

　　RTL8019AS內(nèi)部有兩塊RAM區(qū)。一塊16K字節(jié),地址為0x4000～0x7fff;一塊32字節(jié),地址為0x0000～0x001f。RAM按頁存儲(chǔ),每256字節(jié)為一頁。一般將RAM的前12頁(即0x4000~0x4bff)存儲(chǔ)區(qū)作為發(fā)送緩沖區(qū);后52頁(即0x4c00～0x7fff)存儲(chǔ)區(qū)作為接收緩沖區(qū)。第0頁叫Prom頁,只有32字節(jié),地址為0x0000~0x001f,用于存儲(chǔ)以太網(wǎng)物理地址。

　　要接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包就必須通過DMA讀寫RTL8019AS內(nèi)部的16KB RAM。它實(shí)際上是雙端口的RAM,是指有兩套總線連接到該RAM,一套總線是RTL8019AS讀或?qū)懺揜AM,即本地DMA;另一套總線是單片機(jī)讀或?qū)懺揜AM,即遠(yuǎn)程DMA。

2.4 I/O地址分配

　　RTL8019AS具有32個(gè)輸入輸出地址,地址偏移量為00H～1FH。其中00H～0FH共16個(gè)地址,為寄存器地址。寄存器分為4頁:PAGE0、PAGE1、PAGE2、PAGE3,由RTL8019AS的CR(Command Register命令寄存器)中的PS1、PS0位來決定要訪問的頁。但與NE2000兼容的寄存器只有前3頁,PAGE3是RTL8019AS自己定義的,對(duì)于其他兼容NE2000的芯片如DM9008無效。遠(yuǎn)程DMA地址包括10H～17H,都可以用來做遠(yuǎn)程DMA端口,只要用其中的一個(gè)就可以了。復(fù)位端口包括18H~1FH共8個(gè)地址,功能一樣,用于RTL8019AS復(fù)位。

3 接口電路設(shè)計(jì)

　　下面介紹51系列單片機(jī)與RTL8019AS的接口電路,實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)接口采用UTP(無屏蔽雙絞線)RJ-45接口。

　　圖2給出了89C52單片機(jī)控制RTL8019AS實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通訊的接口電路框圖。用到的主要芯片有89C52、RTL8019AS、93C46(64×16bit的EEPROM)、74HC573(8位鎖存)、62256(32K字節(jié)的RAM)。為分配好地址空間,采用對(duì)93C46進(jìn)行讀(或?qū)?操作來設(shè)置RTL8019AS的端口I/O基地址和以太網(wǎng)物理地址。

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　　93C46是采用4線SPI串行接口的Serial EEPROM,容量為1Kbit(64×16bit),主要保存RTL8019AS的配置信息。00H～03H的地址空間用于存儲(chǔ)RTL8019AS內(nèi)配置寄存器" title="配置寄存器">配置寄存器CONFIG1～4的上電初始化值;地址04H～11H存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)地址即物理地址;地址12H～7FH內(nèi)存儲(chǔ)即插即用的配置信息。RTL8019AS通過引腳EECS、EESK、EEDI控制93C46的CS、SK、DI引腳,通過EEDO接收93C46的DO引腳的狀態(tài)。RTL8019AS復(fù)位后讀取93C46的內(nèi)容并設(shè)置內(nèi)部寄存器的值,如果93C46中內(nèi)容不正確,RTL8019AS就無法正常工作。先通過編程器如ALL07把配置好的數(shù)據(jù)寫入93C46,再焊入電路。

　　對(duì)93C46進(jìn)行數(shù)據(jù)配置:數(shù)據(jù)00H寫入93C46的地址00H內(nèi);93C46地址04H～0AH中存放的是物理地址,可以寫入設(shè)計(jì)所需的物理地址值,或不修改,采用原始值為物理地址。通過編程器讀出04H～0AH的原始值為52544CC59906,即所采用的物理地址。

這樣,RTL8019AS復(fù)位后讀取93C46中配置好的內(nèi)容,對(duì)應(yīng)設(shè)置配置寄存器CONFIG1的值為00H,CONFIG1的低4位IOS3～0用于選擇I/O 基地址。IOS3～0設(shè)置值均為0時(shí),RTL8019AS選擇的端口I/O 基地址為300H。

　　RTL8019AS的地址為20位,那么用到RTL8019AS的地址空間為00300H～0031FH,用二進(jìn)制表示00300H~0031FH,可以發(fā)現(xiàn)第19位到第5位是固定的:000000000011000。RTL8019 AS的20根地址線SA0～SA19如表2連接。

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　　通過ADDR15、I/OW、I/OR來劃分RTL8019AS和62256的地址空間。ADDR15接62256的CE腳,低電平時(shí)選擇62256;高電平" title="高電平">高電平時(shí)選擇RTL8019AS的地址空間。89C52單片機(jī)的地址為16位,按圖2的電路框圖連接地址總線,在程序里則通過使用8000H～801FH來選中RTL8019AS的地址空間。定義reg00～reg1f 來對(duì)應(yīng)端口00300H~0031FH:

　　#define reg00 XBYTE[0x8000] /* 300H*/

　　#define reg01 XBYTE[0x8001] /* 301H*/

　　...

　　#define reg1f XBYTE[0x801F] /* 31FH*/

　　讀寫操作、復(fù)位操作對(duì)應(yīng)的引腳按表3連接。

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　　采用10BASE-T布線標(biāo)準(zhǔn)通過雙絞線進(jìn)行以太網(wǎng)通訊,而RTL8019AS內(nèi)置了10BASE-T收發(fā)器,所以網(wǎng)絡(luò)接口的電路比較簡單。外接一個(gè)隔離LPF濾波器0132,TPIN±為接收線,TPOUT±為發(fā)送線,經(jīng)隔離后分別與RJ-45接口的RX±、TX±端相連。

時(shí)鐘電路通過T1、T2接一個(gè)20MHz晶振以及2個(gè)電容,實(shí)現(xiàn)全雙工方式。

　　LED0、LED1各接一發(fā)光二極管以反映通訊狀態(tài):LED0表示LED_COL,即通訊有沖突;LED1表示LED_RX,即接收到網(wǎng)上的信息包。

4 程序設(shè)計(jì)

　　所有程序采用Franclin C51語言編制,可讀性強(qiáng),移植性好,開發(fā)簡易。

4.1 復(fù)位RTL8019AS

　　89C52的P3.4連接RTL8019AS的RESDRV來進(jìn)行復(fù)位操作。RSTDRV為高電平有效,至少需要 800ns的寬度。給該引腳施加一個(gè)1μs以上的高電平就可以復(fù)位。施加一個(gè)高電平后,然后施加一個(gè)低電平。復(fù)位過程將執(zhí)行一些操作,至少需要2ms的時(shí)間,推薦等待更久的時(shí)間之后如100ms之后才對(duì)它操作,以確保完全復(fù)位。

4.2 初始化RTL8019AS

　　初始化頁0與頁1的相關(guān)寄存器,頁2的寄存器是只讀的,不可以設(shè)置,頁3的寄存器不是NE2000兼容的,不用設(shè)置。

　　(1)CR=0x21,選擇頁0的寄存器;

　　(2)TPSR=0x45,發(fā)送頁的起始頁地址,初始化為指向第一個(gè)發(fā)送緩沖區(qū)的頁即0x40;

　　(3)PSTART=0x4c,PSTOP=0x80,構(gòu)造緩沖環(huán):0x4c～0x80;

　　(4)BNRY=0x4c,設(shè)置指針;

　　(5)RCR=0xcc,設(shè)置接收配置寄存器,使用接收緩沖區(qū),僅接收自己地址的數(shù)據(jù)包(以及廣播地址數(shù)據(jù)包)和多點(diǎn)播送地址包,小于64字節(jié)的包丟棄,校驗(yàn)錯(cuò)的數(shù)據(jù)包不接收;

　　(6)TCR=0xe0,設(shè)置發(fā)送配置寄存器,啟用CRC自動(dòng)生成和自動(dòng)校驗(yàn),工作在正常模式;

　　(7)DCR=0xc8,設(shè)置數(shù)據(jù)配置寄存器,使用FIFO緩存,普通模式,8位數(shù)據(jù)DMA;

　　(8)IMR=0x00,設(shè)置中斷屏蔽寄存器,屏蔽所有中斷;

　　(9)CR=0x61,選擇頁1的寄存器;

　　(10)CURR=0x4d,CURR是RTL8019AS寫內(nèi)存的指針,指向當(dāng)前正在寫的頁的下一頁,初始化時(shí)指向0x4c+1=0x4d;

　　(11)設(shè)置多址寄存器MAR0～MAR5,均設(shè)置為0x00;

　　(12)設(shè)置網(wǎng)卡地址寄存器PAR0～PAR5;

　　(13)CR=0x22,選擇頁1的寄存器,進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

4.3 發(fā)送幀

　　將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按幀格式封裝,通過遠(yuǎn)程DMA通道送到RTL8019AS中的發(fā)送緩存區(qū),然后發(fā)出傳送命令,完成幀的發(fā)送。需要設(shè)置以太網(wǎng)目的地址、以太網(wǎng)源地址、協(xié)議類型,再按所設(shè)置的協(xié)議類型來設(shè)置數(shù)據(jù)段。之后啟動(dòng)遠(yuǎn)程DMA,數(shù)據(jù)寫入RTL8019AS的RAM,再啟動(dòng)本地DMA,將數(shù)據(jù)發(fā)到網(wǎng)上。

　　RTL8019AS無法將整個(gè)數(shù)據(jù)包通過DMA通道一次存入FIFO,則在構(gòu)造一個(gè)新的數(shù)據(jù)包之前必須先等待前一數(shù)據(jù)包發(fā)送完成。為提高發(fā)送效率,設(shè)計(jì)將12頁的發(fā)送緩存區(qū)分為兩個(gè)6頁的發(fā)送緩存區(qū),一個(gè)用于數(shù)據(jù)包發(fā)送,另一個(gè)用于構(gòu)造新的數(shù)據(jù)包,交替使用。

5 軟件的調(diào)試與驗(yàn)證

　　調(diào)試環(huán)境包括RTL8019AS實(shí)驗(yàn)板、PC機(jī)(帶網(wǎng)卡)以及網(wǎng)線。

　　用C51語言編程,實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議中ARP數(shù)據(jù)幀的收發(fā)。

　　實(shí)驗(yàn)中,單片機(jī)首先構(gòu)造一個(gè)ARP請(qǐng)求包發(fā)給PC機(jī),PC機(jī)收到后會(huì)發(fā)送一個(gè)ARP應(yīng)答包給單片機(jī),單片機(jī)收到該應(yīng)答包后再發(fā)一個(gè)ARP請(qǐng)求包給PC機(jī),如此不斷循環(huán),來測(cè)試系統(tǒng)的性能。在PC機(jī)上采用Sniffer軟件如Windump軟件來監(jiān)視(或截獲)PC機(jī)網(wǎng)卡接收ARP包的情況,取得了滿意的效果。

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參考文獻(xiàn)

1 赫爾德·吉爾伯特.以太網(wǎng)(第三版).北京:人民郵電出版社,2000

2 新時(shí)代工作室.網(wǎng)絡(luò)和通信教程.北京:中國電力出版社, 2000