基于51單片機控制的以太網(wǎng)通訊實現(xiàn)

　　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單片機控制RTL8019AS實現(xiàn)以太網(wǎng)通訊的硬件設(shè)計方案；采用C51語言實現(xiàn)ARP協(xié)議（地址解析協(xié)議），并進(jìn)行了系統(tǒng)的調(diào)試與驗證。

　　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，在使用計算機進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的同時，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，利用廉價的51單片機來控制RTL8019AS實現(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)）。?

　　PR SD DA SA TYPE DATA FCS

　　同步位 分隔位 目的地址 源地址 類型字段 數(shù)據(jù)段 幀校驗序列 7 1 6 6 2 46～1500 4

　　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、TYPE14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)時需填充，填充字符的個數(shù)不包括在長度字段里；超過1500字節(jié)時，需拆成多個幀傳送。事實上，發(fā)送數(shù)據(jù)時，PR、SD、FCS及填充字段這幾個數(shù)據(jù)段由以太網(wǎng)控制器自動產(chǎn)生；而接收數(shù)據(jù)時，PR、SD被跳過，控制器一旦檢測到有效的前序字段（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***Realtek公司生產(chǎn)的RTL8019AS以太網(wǎng)控制器，由于其優(yōu)良的性能、低兼的價格，使其在市場上10Mbps網(wǎng)卡中占有相當(dāng)?shù)谋壤?/p>

　　2.1 主要性能

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

　?。?）全雙工，收發(fā)可同時達(dá)到10Mbps的速率； （3）內(nèi)置16KB的SRAM，用于收發(fā)緩沖，降低對主處理器的速度要求；

　?。?）支持8/16位數(shù)據(jù)總線，8個中斷申請線以及16個I/O基地址選擇；

　　（5）支持UTP、AUI、BNC自動檢測，還支持對10BaseT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的自動極性修正； （6）允許4個診斷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。

　　遠(yuǎn)程DMA接口是指單片機對RTL8019AS內(nèi)部RAM進(jìn)行讀寫的總線，即ISA總線的接口部分。單片機收發(fā)數(shù)據(jù)只需對遠(yuǎn)程DMA操作。本地DMA接口是把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)單片機向網(wǎng)上發(fā)送數(shù)據(jù)時，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完成了上幀的發(fā)送后，再開始此幀的發(fā)送。RTL819接收到的數(shù)據(jù)通過MAC比較、CRC校驗后，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邏輯對收發(fā)數(shù)據(jù)作16字節(jié)的緩沖，以減少對本地DMA請求的頻率。

　　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，每256字節(jié)為一頁。一般將RAM的前12頁（即0x4000～0x4bff）存儲區(qū)作為發(fā)送緩沖區(qū)；后52頁（即0x4c00～0x7fff）存儲區(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。它實際上是雙端口的RAM，是指有兩套總線連接到該RAM，一套總線RTL8019AS讀或?qū)懺揜AM，即本地DMA；另一套總線是單片機讀或?qū)懺揜AM，即遠(yuǎn)程DMA。

　　2.4 I/O地址分配

　　RTL8019AS具有32位輸入輸出地址，地址偏移量為00H～1FH。其中00H～0FH共16個地址，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，只要用其中的一個就可以了。復(fù)位端口包括18H～1FH共8個地址，功能一樣，用于RTL8019AS復(fù)位。

　　3 接口電路設(shè)計

　　下面介紹51系列單片機與RTL8019AS的接口電路，實現(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單片機控制RTL8019AS實現(xiàn)以太網(wǎng)通訊的接口電路框圖。用到的主要芯片有80C52、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93C46進(jìn)行讀（或?qū)懀┎僮鱽碓O(shè)置RTL8019AS的端口I/O基地址和以太網(wǎng)物理地址。

　　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RTL8019AS內(nèi)配置寄存器CONFIG1～4的上電初始化值；地址04H～11H存儲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點地址即物理地址；地址12H～7FH內(nèi)存儲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)置所需的物理地址值，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，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。

　　表2 RTL8019AS地址線的連接表

　　SA19～SA10 接地

　　SA9～SA8 接單片機P2口的P2.7，即地址總線ADDR15 SA7～SA5 接地

　　SA4～SA0 對應(yīng)為地址總線的ADDR0～ADDR4

　　通過ADDR15、I/OW、I/OR來劃分RTL8019AS和62256的地址空間。ADDR15接62256的CE腳，低電平時選擇62256；高電平時選擇RTL8019AS的地址空間80C52單片機的地址為16位，按圖2的電路框圖連接RTL8019AS的地址空間。定義reg00～reg1f來對應(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)位操作對應(yīng)的引腳按表3連接。 表3 RTL8019AS的ISA總線接口引腳與單片機的連接表

　　Pin29 IORB 讀信號，接到單片機的WR引腳（P3.6）。 Pin30 IOWB 寫信號，接到單片機的RD引腳（P3.7）。 Pin33 RSTDRV RESET信號，接單片機的T0（P3.4）。 Pin34 AEN 地址有效信號，接地。

　　Pin96 IOCS16 采用電阻下拉該引腳，復(fù)位時刻腳為低電平，選擇8位模式。

　　Pin36～Pin43 SD0～SD7 8位數(shù)據(jù)總線，接單片機的P0口。（只用到8位數(shù)據(jù)總線，SD8～SD15不接。） 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。 時鐘電路通過T1、T2接口一個20MHz晶振以及2個電容，實現(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

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

　　4.1 復(fù)位RTL8019AS

　　80C52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。給該引腳旋加一個1μs以上的高電平就可以復(fù)位。施加一個高電平后，然后施加一個低電平。復(fù)位過程將執(zhí)行一些操作，至少需要2ms的時間，推薦等待更久的時間之后如100ms之后才對它操作，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。

　?。?）CR=0x21，選擇頁0的寄存器；

　?。?）TPSR=0x45，發(fā)送頁的起始頁地址，初始化為指向第一個發(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；

　?。?）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）和多點播送地址包，小于64字節(jié)的包丟棄，校驗錯的數(shù)據(jù)包不接收；

　?。?）TCR=0xe0，設(shè)置發(fā)送配置寄存器，啟用CRC自動生成和自動校驗，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；

　?。?0）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，初始化時指和0x4c+1=0x4d；

　?。?1）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；

　?。?3）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。之后啟動遠(yuǎn)程DMA，數(shù)據(jù)寫入RTL8019AS的RAM，再啟動本地DMA，將數(shù)據(jù)發(fā)送網(wǎng)上。

　　RTL8019AS無法將整個數(shù)據(jù)包通過DMA通道一次存入FIFO，則在構(gòu)成一個新的數(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)計將12頁的發(fā)送緩存區(qū)分為兩個6頁的發(fā)送緩存區(qū)，一個用于數(shù)據(jù)包發(fā)送，另一個用于構(gòu)造端的數(shù)據(jù)包，交替使用。

　　5 軟件的調(diào)試與驗證

　　調(diào)試環(huán)境包括RTL8019AS實驗板、PC機（帶網(wǎng)卡）以及網(wǎng)線。 用C51語言編程，實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議中ARP數(shù)據(jù)幀的收發(fā)。

　　實驗中，單片機首先構(gòu)造一個ARP請求包發(fā)送給PC機，PC機收到后會發(fā)送一個ARP應(yīng)答包給單片機，單片機收到該應(yīng)簽包后再發(fā)一個ARP請求包給PCF機，如此不斷循環(huán)，來測試系統(tǒng)的性能。在PC機上采用Sniffer軟件如Windump軟件來監(jiān)視（或截獲）PC機網(wǎng)卡接收ARP包的情況，取得了滿意的效果。