1引言 

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與計算機(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。通過單片機(jī)控制以太網(wǎng)卡編程可以實現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)任意兩個終端的通訊。本文所介紹的太網(wǎng)卡設(shè)計主要應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場控制領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸方面。下面簡要介紹以51為核心的單片機(jī)和RTL8019AS以太網(wǎng)控制芯片所設(shè)計的網(wǎng)卡的硬件電路結(jié)構(gòu)及軟件程序設(shè)計。

2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

                                 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)無法存儲這么大的包，只有放到外部的RAM進(jìn)行存儲。同時外部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IP地址、物理地址以及網(wǎng)卡的其他配置信息。同時x5045還具有電壓監(jiān)控，看門狗定時器，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，降低對主處理器的要求；支持8/16位數(shù)據(jù)總線，8個中斷申請，16個I/O基地址選擇等許多特性；在本設(shè)計中選用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；同時，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)軟件實現(xiàn)

以太網(wǎng)通信軟件的設(shè)計包括以太網(wǎng)卡控制器的驅(qū)動程序設(shè)計和上層協(xié)議軟件設(shè)計。驅(qū)動程序設(shè)計有網(wǎng)卡芯片初始化和收發(fā)數(shù)據(jù)包程序。上層軟件主要是實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，由于單片機(jī)自身資源有限，它的存儲容量、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)的特點和功能，將精簡的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

首先對8019AS進(jìn)行復(fù)位，當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位完成后，要對網(wǎng)卡的工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，即對網(wǎng)卡初始化，網(wǎng)卡的工作參數(shù)可通過對RTL8019AS內(nèi)部寄存器設(shè)置。RTL8019AS內(nèi)部寄存器有4頁，和NE2000兼容的有三頁，第4頁不用。頁選擇由CR寄存器的PS1,PS0位確定。在0頁寄存器中可以設(shè)置接收、發(fā)送狀態(tài)配置以及發(fā)送緩存區(qū)的起始頁與接收緩存區(qū)起、止頁地址等寄存器；在1頁寄存器中可以設(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按頁存儲，每256字節(jié)為一頁。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)，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對接收到的數(shù)據(jù)包通過MAC比較，CRC校驗，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啟動發(fā)送。RTL8019AS完成上一幀的發(fā)送，在開始下一幀的發(fā)送。

（2）上層軟件設(shè)計

在本系統(tǒng)設(shè)計中，TCP/IP協(xié)議軟件首先在網(wǎng)絡(luò)接口層實現(xiàn)對以太網(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請求和APR應(yīng)答，以

實現(xiàn)IP地址與MAC地址的動態(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)報傳輸，對一個以太網(wǎng)幀的解析過程如圖4所示。