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用51單片機(jī)控制RTL8019AS實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通訊
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：RTL8019ASEthernet51單片機(jī)TCP/IP協(xié)議
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，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(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)）。
表1以太網(wǎng)的物理傳輸幀結(jié)構(gòu)表
PRSDDASATYPEDATAFCS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(yàn)序列7166246～15004
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(shí)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。
2RTL8019AS以太網(wǎng)控制器簡介
由臺灣Realtek公司生產(chǎn)的RTL8019AS以太網(wǎng)控制器，由于其優(yōu)良的性能、低兼的價格，使其在市場上10Mbps網(wǎng)卡中占有相當(dāng)?shù)谋壤?br />
2.1主要性能
�。�1）符號EthernetII與IEEE802.3（10Base5、10Base2、10BaseT）標(biāo)準(zhǔn)；
�。�2）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；
（4）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(jī)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(jī)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(jī)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(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16KBRAM。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。
2.4I/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（CommandRegister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(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SerialEEPROM，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(diǎn)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。RTL8019AS的20根地址線SA0～SA19如表2連接。
表2RTL8019AS地址線的連接表
SA19～SA10接地SA9～SA8接單片機(jī)P2口的P2.7，即地址總線ADDR15SA7～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(jī)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。
#definereg00XBYTE[0x8000]/*300H*/
#definereg01XBYTE[0x8001]/*301H*/
…
#definereg1fXBYTE[0x801F]/*31FH*/
讀寫操作、復(fù)位操作對應(yīng)的引腳按表3連接。
表3RTL8019AS的ISA總線接口引腳與單片機(jī)的連接表
Pin29IORB讀信號，接到單片機(jī)的WR引腳（P3.6）。Pin30IOWB寫信號，接到單片機(jī)的RD引腳（P3.7）。Pin33RSTDRVRESET信號，接單片機(jī)的T0（P3.4）。Pin34AEN地址有效信號，接地。Pin96IOCS16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～Pin43SD0～SD78位數(shù)據(jù)總線，接單片機(jī)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(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FramclinC51語言編制，可讀性強(qiáng)，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。
�。�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自動生成和自動校驗(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，初始化時指和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)。
圖289C52單片機(jī)控制RTL8019AS實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通訊的接口電路框圖
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(jì)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(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ARP請求包發(fā)送給PC機(jī)，PC機(jī)收到后會發(fā)送一個ARP應(yīng)答包給單片機(jī)，單片機(jī)收到該應(yīng)簽包后再發(fā)一個ARP請求包給PCF機(jī)，如此不斷循環(huán)，來測試系統(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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