基于AVR高性能單片機(jī)的以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)

　　0 引 言

　　隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，各種家電設(shè)備、儀器儀表也在逐步走向網(wǎng)絡(luò)化，以便共享網(wǎng)絡(luò)信息資源、遠(yuǎn)程監(jiān)控等，這也是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)。而以太網(wǎng)作為目前應(yīng)用最為廣泛的局域網(wǎng)，在工業(yè)自動(dòng)化和過(guò)程控制領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，因此，對(duì)于大量存在的8位微控制器而言，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信具有重要的實(shí)際意義。現(xiàn)在應(yīng)用較多的是基于51內(nèi)核單片機(jī)的上網(wǎng)方案，由于處理能力的限制，要實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)傳輸和控制有點(diǎn)困難。本系統(tǒng)采用ATMEL公司的高性能單片機(jī)Mega64和10 Mb/s以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)接口，詳細(xì)介紹了硬件電路的連接以及嵌入式TCP/IP的實(shí)現(xiàn)，使單片機(jī)具有了互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的接入功能。

　　1 硬件電路設(shè)計(jì)

　　1.1 主要器件選擇

　　微控制器選用高性能的AVR單片機(jī)Mega64，AVR是ATMEL公司結(jié)合了成熟的51系列和PIC系列單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)而推出的高性能8位單片機(jī)，具有性價(jià)比高、資源豐富、速度快、功耗低、開(kāi)發(fā)方便等特點(diǎn)。Mega64采用RISC結(jié)構(gòu)，工作頻率可達(dá)16 MHz，完全滿足運(yùn)行多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的要求，片內(nèi)具有4 KB的SRAM，64 KB的FLASH，以太網(wǎng)最大數(shù)據(jù)包為1 514 B，4 KB的RAM足夠以太網(wǎng)幀的存儲(chǔ)，64 KB的FLASH對(duì)于適當(dāng)?shù)某绦蛞约昂?jiǎn)單的Web Page來(lái)說(shuō)也是可以的，所以無(wú)需再外擴(kuò)資源，大大簡(jiǎn)化了外圍電路，提高了可靠性。

　　以太網(wǎng)控制芯片選用的是臺(tái)灣REALTEK公司生產(chǎn)的RTL8019AS，該芯片集成了介質(zhì)訪問(wèn)控制子層(MAC)和物理層的性能，可以方便地設(shè)計(jì)基于ISA總線的系統(tǒng)。另外，它還具有與NE2000兼容、軟件移植性好、與單片機(jī)接口簡(jiǎn)單、價(jià)格低貨源好等優(yōu)點(diǎn)，其主要

　　功能特性如下：

　　(1)符合EthernetⅡ與IEEE802.3(10Base5，10Base2，10BaseT)標(biāo)準(zhǔn)。

　　(2)軟件和8位及16位插槽的NE2000兼容。

　　(3)全雙工，收發(fā)可同時(shí)達(dá)到10 Mb/s的速率。

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

　　(5)支持8/16位數(shù)據(jù)總線，8條中斷申請(qǐng)線以及16個(gè)I/0基地址選擇。

　　(6)支持UTP，AUI，BNC自動(dòng)檢測(cè)以及對(duì)10BaseT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的自動(dòng)極性修正。

　　(7)允許4個(gè)診斷LED引腳可編程輸出。

　　1.2 RTL8019AS與單片機(jī)的連接

　　RTL8019AS支持三種工作方式：第一種為跳線方式，網(wǎng)絡(luò)控制器的I/O地址和中斷都由跳線決定;第二種為免跳線方式，I/O地址和中斷由外接的E2PROM 93C46里的內(nèi)容所決定;第三種為即插即用方式(PNP)，I/O地址和中斷都由軟件或操作系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行管理和配置，用戶不必過(guò)多干預(yù)，當(dāng)然這種方式要耗費(fèi)系統(tǒng)資源。網(wǎng)絡(luò)控制器采用哪種方式由RTL8019AS的65腳(JP)決定，本系統(tǒng)采用第一種即跳線方式，這時(shí)JP要接高電平;第三種方式一般用于PC機(jī)中，對(duì)于8位單片機(jī)來(lái)說(shuō)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，未用第二種方式又可以省掉一片93C46芯片，不但簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì)，而且降低了成本。

　　RTL8019AS有兩種復(fù)位方式：冷復(fù)位和熱復(fù)位。給8019的復(fù)位引腳施加一個(gè)1μs以上的高電平就可以實(shí)現(xiàn)冷復(fù)位;先讀再寫8019的任意一個(gè)復(fù)位端口都可以實(shí)現(xiàn)熱復(fù)位，這在PC機(jī)中用的較多?？梢詫?019的復(fù)位引腳和單片機(jī)的復(fù)位引腳相連，單片機(jī)復(fù)位的時(shí)候8019也復(fù)位，這種情況可以減少單片機(jī)的一個(gè)引腳的使用，但為了保證能夠完全復(fù)位，可以在程序中進(jìn)行熱復(fù)位。然而Mega64為低電平復(fù)位，而8019為高電平復(fù)位，如果這樣連接的話還需要加一個(gè)非門進(jìn)行反相，鑒于Mega64的引腳較多，所以將8019的復(fù)位引腳連接到Mega64的一個(gè)I/O口上，由該引腳對(duì)8019進(jìn)行冷復(fù)位。

　　圖1所示為RTL8019AS的部分電路圖，其工作時(shí)鐘為20 MHz。RTL8019AS的引腳懸空時(shí)，輸入狀態(tài)為低電平，因?yàn)樾酒_內(nèi)部已經(jīng)接了一個(gè)100 kΩ的下拉電阻。AEN引腳為I/O端口操作允許使能腳，接地使地址一直處于有效;IOCSl6B引腳用一個(gè)27 kΩ的電阻下拉到地，復(fù)位時(shí)刻為低電平，選擇8位總線模式;讀寫引腳IORB、IOWB分別與單片機(jī)的RD，WR引腳相連;8位數(shù)據(jù)總線SD0～sD7接到單片機(jī)的PA口;IOSO～I(xiàn)OS3為I/O基地址選擇引腳，懸空設(shè)置為300H，所以SA5～SA7，SAl0～SAl9接地，SA8和SA9接高電平，真正用到的地址線只有SA0～SA4，接到單片機(jī)的地址線上;IRQS0～I(xiàn)RQS2為中斷選擇引腳，懸空選擇中斷INT0，實(shí)際上并沒(méi)有使用中斷，而是使用了查詢方式;AUI引腳用于AUI接口外部MAU檢測(cè)，決定使用AUI還是BNC接口，BNC接口方式支持8線雙絞或同軸電纜，所以將該引腳懸空選擇使用RJ45接口;SMEMRB和SMEMWB為存儲(chǔ)器讀寫引腳，由于我們使用的是I/O模式讀寫網(wǎng)絡(luò)芯片，所以將它們接高電平;TPIN和TPOUT為差分輸入輸出引腳，分別用來(lái)接收來(lái)自雙絞線和向雙絞線發(fā)送10 Mb/s的差分曼徹斯特編碼信號(hào)，RTL8019AS需要經(jīng)過(guò)隔離處理才能和RJ45接口相連，然后接入以太網(wǎng)，隔離低通濾波器選用的是20F001N，內(nèi)部有兩個(gè)傳輸變壓器，用來(lái)傳輸信號(hào)以及抑制噪聲干擾。

　　2 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

　　2.1 RTL8019AS地址空間與寄存器

　　RTL8019AS內(nèi)部的16 KB的RAM用于收發(fā)緩沖，地址為Ox4000～0x7FFF，收發(fā)緩沖以頁(yè)為單位，每頁(yè)256 B，共64頁(yè)，如果某頁(yè)沒(méi)有完全填滿數(shù)據(jù)，則下包數(shù)據(jù)也不能繼續(xù)使用該頁(yè)，只能使用新的頁(yè)。一般將前12頁(yè)作為發(fā)送緩沖區(qū)，分為兩個(gè)6頁(yè)的緩沖區(qū)(因?yàn)橐粋€(gè)最大數(shù)據(jù)包占6頁(yè))，兩個(gè)發(fā)送緩沖區(qū)交替使用，可提高發(fā)送效率，后52頁(yè)作為接收緩沖區(qū)。該RAM是雙端口的，具有兩套總線，一套是RTL8019AS讀寫該RAM，即本地DMA;另一套是單片機(jī)讀寫該RAM，即遠(yuǎn)程DMA，要接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包就必須對(duì)這塊RAM進(jìn)行DMA讀寫。

　　RTL8019AS具有32位I/O地址，地址偏移量為00H～1FH，本系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)于300H～31FH，其中，00H～0FH為16個(gè)寄存器地址，寄存器分為4頁(yè)，與NE2000兼容的只有前3頁(yè)，第4頁(yè)是RTL8019AS自己定義的，對(duì)于其他兼容NE2000的芯片無(wú)效，所以為了保證驅(qū)動(dòng)程序?qū)λ蠳E2000兼容的網(wǎng)卡都有效，不要去操作第4頁(yè)的寄存器。10H～17H為8個(gè)遠(yuǎn)程DMA地址，都可以用來(lái)做遠(yuǎn)程DMA地址，使用其中一個(gè)即可，微控制器通過(guò)讀寫數(shù)據(jù)端口10H～17H實(shí)現(xiàn)對(duì)緩沖區(qū)的訪問(wèn)。18H～1FH共8個(gè)地址為復(fù)位端口，它們功能一樣，使用其中一個(gè)即可，用于RTL8019AS的熱復(fù)位。

　　2.2 嵌入式TCp/IP實(shí)現(xiàn)

　　TCP/IP協(xié)議族是一組不同層次上的多個(gè)協(xié)議的組合，分為鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。對(duì)于8位單片機(jī)來(lái)說(shuō)，由于其處理速度和存儲(chǔ)能力的問(wèn)題，要實(shí)現(xiàn)完整的TCP/IP協(xié)議棧是比較困難的，因此要根據(jù)其特點(diǎn)及自己的需求，對(duì)協(xié)議進(jìn)行裁剪，保留其核心部分。該系統(tǒng)只實(shí)現(xiàn)了ARP，IP，ICMP，UDP，TCP協(xié)議，采用C語(yǔ)言編寫。

　　在鏈路層上，首先要解決RTL8019AS的驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，驅(qū)動(dòng)程序包括三部分：以太網(wǎng)接口芯片初始化程序、發(fā)送數(shù)據(jù)程序和接收數(shù)據(jù)程序，它們屏蔽了底層硬件處理細(xì)節(jié)，同時(shí)向上層軟件提供與硬件無(wú)關(guān)的接口。驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒁逊庋b好的待發(fā)送數(shù)據(jù)按指定格式寫入芯片并啟動(dòng)發(fā)送命令，8019會(huì)自動(dòng)把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成物理幀格式在信道上傳輸;反之，8019收到物理信號(hào)后將其還原成數(shù)據(jù)，按指定格式存放在芯片RAM中以便主機(jī)程序取用，下面給出部分初始化程序，主要是對(duì)一些寄存器進(jìn)行設(shè)置，其中，reg00～regof為宏定義，代表RTL8019AS內(nèi)地址偏移量為00H～0FH的寄存器地址。

　　頁(yè)2的寄存器是只讀的，頁(yè)3的寄存器不是NE2000兼容的，所以均不用設(shè)置。首先選擇為頁(yè)O，網(wǎng)卡芯片為停止模式，因?yàn)檫€沒(méi)有進(jìn)行初始化，設(shè)置0x40～Ox4B為網(wǎng)卡的發(fā)送緩沖區(qū)，共12頁(yè)，剛好存儲(chǔ)2個(gè)最大的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包;0x4C～0x7F為網(wǎng)卡的接收緩沖區(qū)，共52頁(yè);剛開(kāi)始時(shí)網(wǎng)卡沒(méi)有接收到任何數(shù)據(jù)包，因此BNRY指向第一個(gè)接收緩沖區(qū)的頁(yè)0x4C。設(shè)置完頁(yè)O的寄存器后切換為頁(yè)1，由于設(shè)計(jì)中沒(méi)有使用93C46，因此需要在程序中指定芯片的物理地址，寫入到PAR寄存器，然后啟動(dòng)芯片開(kāi)始工作。讀指針BN—RY和寫指針CURR主要用來(lái)控制緩沖區(qū)的存取過(guò)程，保證能正確讀出和寫入數(shù)據(jù)。