51單片機(jī)RTL8019AS網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序

SNMP網(wǎng)管板使用了RTL8019AS 10M ISA網(wǎng)卡芯片接入以太網(wǎng)。選它的好處是：NE2000兼容，軟件移植性好;接口簡(jiǎn)單不用轉(zhuǎn)換芯片如PCI-ISA橋;價(jià)格便宜2.1$/片(我的購(gòu)入價(jià)為22元RMB/片);帶寬充裕(針對(duì)51);較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)停產(chǎn)。8019有3種配置模式：跳線(xiàn)方式、即插即用P&P方式、串行Flash配置方式。為了節(jié)省成本，我去掉了9346而使用X5045作為閃盤(pán)存儲(chǔ)MAC地址和其他可配置信息。P&P模式用在PC機(jī)中，這里用不上。只剩下跳線(xiàn)配置模式可用，它的電路設(shè)計(jì)參考REALTEK提供的DEMO板圖紙。一天時(shí)間就可以完成，相對(duì)來(lái)說(shuō)硬件設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單。

　　與這部分硬件相對(duì)應(yīng)的軟件是網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)。所謂驅(qū)動(dòng)程序是指一組子程序，它們屏蔽了底層硬件處理細(xì)節(jié)，同時(shí)向上層軟件提供硬件無(wú)關(guān)接口。驅(qū)動(dòng)程序可以寫(xiě)成子程序嵌入到應(yīng)用程序里(如DOS下的I/O端口操作和ISR)，也可以放在動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)里，用到的時(shí)候再動(dòng)態(tài)調(diào)入以便節(jié)省內(nèi)存。在WIN98中，為了使V86、WIN16、WIN32三種模式的應(yīng)用程序共存，提出了虛擬機(jī)的概念，在CPU的配合下，系統(tǒng)工作在保護(hù)模式，OS接管了I/O、中斷、內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)，應(yīng)用程序不能直接訪(fǎng)問(wèn)硬件。這樣提高了系統(tǒng)可靠性和兼容性，也帶來(lái)了軟件編程復(fù)雜的問(wèn)題。任何網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)都要按VXD或WDM模式編寫(xiě)，對(duì)于硬件一側(cè)要處理虛擬機(jī)操作、總線(xiàn)協(xié)議(如ISA、PCI)、即插即用、電源管理;上層軟件一側(cè)要實(shí)現(xiàn)NDIS規(guī)范。因此在WIN98下實(shí)現(xiàn)網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)是一件相當(dāng)復(fù)雜的事情。

　　我這里說(shuō)的驅(qū)動(dòng)程序特指實(shí)模式下的一組硬件芯片驅(qū)動(dòng)子程序。從程序員的角度看，8019工作流程非常簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒁l(fā)送的數(shù)據(jù)包按指定格式寫(xiě)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)換成物理幀格式在物理信道上傳輸。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。簡(jiǎn)言之就是8019完成數(shù)據(jù)包和電信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換：數(shù)據(jù)包<===>電信號(hào)。以太網(wǎng)協(xié)議由芯片硬件自動(dòng)完成，對(duì)程序員透明。驅(qū)動(dòng)程序有3種功能：芯片初始化、收包、發(fā)包。

　　以太網(wǎng)協(xié)議不止一種，我用的是802.3。它的幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。物理信道上的收發(fā)操作均使用這個(gè)幀格式。其中，前導(dǎo)序列、幀起始位、CRC校驗(yàn)由硬件自動(dòng)添加/刪除，與上層軟件無(wú)關(guān)。值得注意的是，收到的數(shù)據(jù)包格式并不是802.3幀的真子集，而是如圖2所示。明顯地，8019自動(dòng)添加了“接收狀態(tài)、下一頁(yè)指針、以太網(wǎng)幀長(zhǎng)度(以字節(jié)為單位)”三個(gè)數(shù)據(jù)成員(共4字節(jié))。這些數(shù)據(jù)成員的引入方便了驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)，體現(xiàn)了軟硬件互相配合協(xié)同工作的設(shè)計(jì)思路。當(dāng)然，發(fā)送數(shù)據(jù)包的格式是802.3幀的真子集，如圖3所示。

　　有了收發(fā)包的格式，如何發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包呢?如圖4所示，先將待發(fā)送的數(shù)據(jù)包存入芯片RAM，給出發(fā)送緩沖區(qū)首地址和數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度(寫(xiě)入TPSR、TBCR0,1)，啟動(dòng)發(fā)送命令(CR=0x3E)即可實(shí)現(xiàn)8019發(fā)送功能。8019會(huì)自動(dòng)按以太網(wǎng)協(xié)議完成發(fā)送并將結(jié)果寫(xiě)入狀態(tài)寄存器。如圖5所示，接收緩沖區(qū)構(gòu)成一個(gè)循環(huán)FIFO隊(duì)列，PSTART、PSTOP兩個(gè)寄存器限定了循環(huán)隊(duì)列的開(kāi)始和結(jié)束頁(yè)，CURR為寫(xiě)入指針，受芯片控制，BNRY為讀出指針，由主機(jī)程序控制。根據(jù)CURR==BNRY+1?可以判斷是否收到新的數(shù)據(jù)包，新收到的數(shù)據(jù)包按圖2格式存于以CURR指出的地址為首址的RAM中。當(dāng)CURR==BNRY時(shí)芯片停止接收數(shù)據(jù)包。如果做過(guò)FPGA設(shè)計(jì)，用過(guò)VHDL，可以想象到硬件芯片的工作原理。此處，設(shè)計(jì)2個(gè)8bit寄存器和一個(gè)2輸入比較器，當(dāng)收到數(shù)據(jù)包時(shí)，接收狀態(tài)機(jī)根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和比較器結(jié)果決定下一個(gè)狀態(tài)，如果CURR=BNRY，進(jìn)入停收狀態(tài);反之，CURR按模增1。8019數(shù)據(jù)手冊(cè)沒(méi)有給出硬件狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，說(shuō)明也很簡(jiǎn)略，往往要通過(guò)作實(shí)驗(yàn)的方法推理出工作過(guò)程。比如，ISR寄存器不只和中斷有關(guān)，當(dāng)接收緩沖溢出時(shí)，如果不清ISR(寫(xiě)入FFH)，芯片將一直停止接收。在流量較大時(shí)溢出經(jīng)常發(fā)生，此時(shí)不清ISR，就會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)卡芯片死機(jī)。

　　明白了發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包的原理，那么數(shù)據(jù)包又是怎樣被主機(jī)寫(xiě)入芯片RAM和從芯片RAM讀出的呢?如圖6所示，主機(jī)設(shè)置好遠(yuǎn)端DMA開(kāi)始地址(RSAR0,1)和遠(yuǎn)端DMA數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)(RBCR0,1)，并在CR中設(shè)置讀/寫(xiě)，就可以從遠(yuǎn)端DMA口寄存器里讀出芯片RAM里的數(shù)據(jù)/把數(shù)據(jù)寫(xiě)入芯片RAM。

　　何謂本地/遠(yuǎn)端DMA呢?如圖7所示，“遠(yuǎn)端”指CPU接口側(cè);“本地”指8019的硬件收發(fā)電路側(cè)。沒(méi)有更深的意思，與遠(yuǎn)近無(wú)關(guān)，僅僅為了區(qū)分主機(jī)和芯片硬件兩個(gè)接口端。這里的DMA與平時(shí)所說(shuō)的DMA有點(diǎn)不同。RTL8019AS的local DMA操作是由控制器本身完成的，而其remote DMA并不是在無(wú)主處理器的參與下，數(shù)據(jù)能自動(dòng)移到主處理器的內(nèi)存中。remote DMA指主機(jī)CPU給出起址和長(zhǎng)度就可以讀寫(xiě)芯片RAM，每操作一次RAM地址自動(dòng)加1。而普通RAM操作每次要先發(fā)地址再處理數(shù)據(jù)，速度較慢。

　　在一些高檔通信控制器上自帶有MAC控制器，工作原理與8019的差不多，比如：Motorola 68360/MPC860T內(nèi)部的CPM帶有以太網(wǎng)處理器，通過(guò)設(shè)置BD表，使軟件和硬件協(xié)同工作，它的緩沖區(qū)更大且可靈活配置。這些通信控制器的設(shè)計(jì)，體現(xiàn)了軟硬件互相融合協(xié)同工作的趨勢(shì)：軟件硬化(VHDL)，硬件軟化(DSP)，希望大家關(guān)注!

　　如圖7所示，8019以太網(wǎng)控制器以存儲(chǔ)器(16K雙口RAM)為核心，本地和遠(yuǎn)端控制器并發(fā)操作。這種體系結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足了數(shù)據(jù)帶寬的需要。8019擁有控制、狀態(tài)、數(shù)據(jù)寄存器，通過(guò)它們，51單片機(jī)可以與8019通信。由于51資源緊張，在實(shí)現(xiàn)TCPIP協(xié)議棧時(shí)不要進(jìn)行內(nèi)存塊拷貝，建議(1)使用全局結(jié)構(gòu)體變量，在內(nèi)存中只保存一個(gè)數(shù)據(jù)包拷貝，其他沒(méi)有來(lái)得及處理的包保存在8019的16K RAM里;(2)使用查詢(xún)方式而不用中斷;(3)客戶(hù)服務(wù)器模型中服務(wù)器工作于串行方式，并發(fā)模式不適合51單片機(jī)。

　　芯片內(nèi)部地址空間的分配如圖8所示，其中0x00-0x0B(工作于8位DMA模式)用于存放本節(jié)點(diǎn)MAC地址，奇偶地址內(nèi)容是重復(fù)放置的。如：MAC地址0000 1234 5678存放在0x00-0x0B中為000000001212343456567878，單地址和雙地址的內(nèi)容是重復(fù)的.一般使用偶數(shù)地址的內(nèi)容，這主要是為了同時(shí)適應(yīng)8位和16位的dma。Prom內(nèi)容是網(wǎng)卡在上電復(fù)位的時(shí)候從93C46里讀出來(lái)的。如果你沒(méi)有使用93C46,就不要使用Prom，那么使用了93C46后如何獲得網(wǎng)卡的地址呢?有兩種方法,一是直接讀93C46,二是讀Prom。網(wǎng)卡MAC地址既不由93C46也不由Prom決定，而是由PAR0-PAR5寄存器決定。Prom只保存上電時(shí)從9346中讀出的MAC地址(如果有93C46的話(huà))，僅此而矣。

　　網(wǎng)卡MAC地址不是隨便定義的，它的組成結(jié)構(gòu)如圖9所示。以太網(wǎng)的地址為48位，由ieee統(tǒng)一分配給網(wǎng)卡制造商，每個(gè)網(wǎng)卡的地址都必須是全球唯一的。共6個(gè)字節(jié)的長(zhǎng)度。FF:FF:FF:FF:FF:FF為廣播地址，只能用在目的地址段，不能作為源地址段。目的地址為廣播地址的數(shù)據(jù)包，可以被一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)的所有網(wǎng)卡接收到。合法的以太網(wǎng)地址第32位組播標(biāo)志必須為0。例如：

　　X0:XX:XX:XX:XX:XX

　　X2:XX:XX:XX:XX:XX

　　X4:XX:XX:XX:XX:XX

　　X6:XX:XX:XX:XX:XX

　　X8:XX:XX:XX:XX:XX

　　XA:XX:XX:XX:XX:XX

　　XC:XX:XX:XX:XX:XX

　　XE:XX:XX:XX:XX:XX

　　為合法以太網(wǎng)地址。上面的X代表0-F中的任一個(gè)。

　　地址

　　X1:XX:XX:XX:XX:XX

　　X3:XX:XX:XX:XX:XX

　　X5:XX:XX:XX:XX:XX

　　X7:XX:XX:XX:XX:XX

　　X9:XX:XX:XX:XX:XX

　　XB:XX:XX:XX:XX:XX

　　XD:XX:XX:XX:XX:XX

　　XF:XX:XX:XX:XX:XX

　　為組播地址，只能作為目的地址，不能作為源地址。組播地址可以被支持該組播地址的一組網(wǎng)卡接收到。組播地址主要用在視頻廣播，遠(yuǎn)程喚醒(通過(guò)發(fā)一個(gè)特殊的數(shù)據(jù)包使網(wǎng)卡產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)，啟動(dòng)電腦)，游戲(多個(gè)人在局域網(wǎng)里聯(lián)機(jī)打游戲)里等。

　　以下是一些具體的組播地址：

　　地址范圍

　　01:00:5E:00:00:00---01:00:5E:7F:FF:FF 用于ip地址的組播，其他組播地址跟tcp/ip無(wú)關(guān)，不做介紹。

　　網(wǎng)卡可以接收以下3種地址的數(shù)據(jù)包：

　　第一種 目的地址跟自己的網(wǎng)卡地址是一樣的數(shù)據(jù)包;

　　第二種 目的地址為FF:FF:FF:FF:FF:FF廣播地址的數(shù)據(jù)包;

　　第三種 目的地址為跟自己的組播地址范圍相同的數(shù)據(jù)包。

　　在以太網(wǎng)的應(yīng)用當(dāng)中，如果你希望你的數(shù)據(jù)包只發(fā)給一個(gè)網(wǎng)卡，目的地址用對(duì)方的網(wǎng)卡地址;

　　如果你想把數(shù)據(jù)包發(fā)給所有的網(wǎng)卡，目的地址用廣播地址;

　　如果你想把數(shù)據(jù)包發(fā)給一組網(wǎng)卡，目的地址用組播地址。

　　其他用到的寄存器：

　　CR---命令寄存器 TSR---發(fā)送狀態(tài)寄存器 ISR---中斷狀態(tài)寄存器

　　RSR---接收狀態(tài)寄存器 RCR---接收配置寄存器 TCR---發(fā)送配置寄存器

　　DCR---數(shù)據(jù)配置寄存器 IMR---中斷屏蔽寄存器 NCR---包發(fā)送期間碰撞次數(shù)

　　FIFO---環(huán)回檢測(cè)后，查看FIFO內(nèi)容

　　CNTR0---幀同步錯(cuò)總計(jì)數(shù)器

　　CNTR1---CRC錯(cuò)總計(jì)數(shù)器

　　CNTR2---丟包總計(jì)數(shù)器

　　PAR0-5---本節(jié)點(diǎn)MAC地址

　　MAR0-7---多播地址匹配

　　建議：將圖形中寄存器名稱(chēng)標(biāo)注上頁(yè)號(hào)和地址偏移(如：BNRY 0頁(yè)0x03)，打印出此圖，看圖編程，直觀且不容易出錯(cuò)。

　　備注：收緩沖區(qū)、發(fā)緩沖區(qū)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)在16K雙口RAM里的安排由用戶(hù)自行決定，只要不引起沖突即可，以下源程序代碼實(shí)現(xiàn)的只是其中的一種分配方案。

　　部分源程序清單：

　　struct ethernet{

　　unsigned char status; //接收狀態(tài)

　　unsigned char nextpage; //下一個(gè)頁(yè)

　　unsigned int length; //以太網(wǎng)長(zhǎng)度，以字節(jié)為單位

　　unsigned int destnodeid[3]; //目的網(wǎng)卡地址

　　unsigned int sourcenodeid[3]; //源網(wǎng)卡地址

　　unsigned int protocal; //下一層協(xié)議

　　unsigned char packet[1500]; //包的內(nèi)容

　　};

　　void ne2000init()//ne2000網(wǎng)卡初始化

　　{

　　rtl8019as_rst();

　　reg00=0x21; //選擇頁(yè)0的寄存器，網(wǎng)卡停止運(yùn)行，因?yàn)檫€沒(méi)有初始化。

　　delay_ms(10); //延時(shí)10毫秒,確保芯片進(jìn)入停止模式

　　//使芯片處于mon和loopback模式,跟外部網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)

　　page(0);

　　reg0a=0x00;

　　reg0b=0x00;

　　reg0c=0xE0; //monitor mode (no packet receive)

　　reg0d=0xE2; //loop back mode

　　//使用0x40-0x4B為網(wǎng)卡的發(fā)送緩沖區(qū)，共12頁(yè)，剛好可以存儲(chǔ)2個(gè)最大的以太網(wǎng)包。

　　//使用0x4c-0x7f為網(wǎng)卡的接收緩沖區(qū)，共52頁(yè)。

　　reg01=0x4C; //Pstart 接收緩沖區(qū)范圍

　　reg02=0x80; //Pstop

　　reg03=0x4C; //BNRY

　　reg04=0x40; //TPSR 發(fā)送緩沖區(qū)范圍

　　reg07=0xFF;/*清除所有中斷標(biāo)志位*/

　　reg0f=0x00;//IMR disable all interrupt

　　reg0e=0xC8; //DCR byte dma 8位dma方式

　　page(1); //選擇頁(yè)1的寄存器

　　reg07=0x4D; //CURR

　　reg08=0x00; //MAR0

　　reg09=0x41; //MAR1

　　reg0a=0x00; //MAR2

　　reg0b=0x80; //MAR3

　　reg0c=0x00; //MAR4

　　reg0d=0x00; //MAR5

　　reg0e=0x00; //MAR6

　　reg0f=0x00; //MAR7

　　initNIC(); //初始化MAC地址和網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)

　　//將網(wǎng)卡設(shè)置成正常的模式,跟外部網(wǎng)絡(luò)連接

　　page(0);

　　reg0c=0xCC; //RCR

　　reg0d=0xE0; //TCR

　　reg00=0x22; //這時(shí)讓芯片開(kāi)始工作?

　　reg07=0xFF; //清除所有中斷標(biāo)志位

　　}

　　void send_packet(union netcard *txdnet,unsigned int length)//ne2000發(fā)包子程序

　　{//發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包的命令,長(zhǎng)度最小為60字節(jié),最大1514字節(jié)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)包要先存放在txdnet緩沖區(qū)

　　unsigned char i;

　　unsigned int ii;

　　page(0);

　　if(length<60) length=60;

　　for(i=0;i<3;i++)

　　txdnet->etherframe.sourcenodeid[i]=my_ethernet_address.words[i];

　　txd_buffer_select=!txd_buffer_select;

　　if(txd_buffer_select)

　　reg09=0x40 ; //txdwrite highaddress

　　else

　　reg09=0x46 ; //txdwrite highaddress

　　reg08=0x00; //read page address low

　　reg0b=length>>8; //read count high

　　reg0a=length&0xFF; //read count low;

　　reg00=0x12; //write dma, page0

　　for(ii=4;ii reg10=txdnet->bytes.bytebuf[ii];

　　for(i=0;i<6;i++){ //最多重發(fā)6次

　　for(ii=0;ii<1000;ii++) //檢查txp為是否為低

　　if((reg00&0x04)==0) break;

　　if((reg04&0x01)!=0) break; //表示發(fā)送成功

　　reg00=0x3E;

　　}

　　if(txd_buffer_select) reg04=0x40; //txd packet start;

　　else reg04=0x46; //txd packet start;

　　reg06=length>>8; //high byte counter

　　reg05=length&0xFF; //low byte counter

　　reg00=0x3E; //to sendpacket;

　　}

　　bit recv_packet(union netcard *rxdnet)//ne2000收包子程序

　　{

　　unsigned char i;

　　unsigned int ii;

　　unsigned char bnry,curr;

　　page(0);

　　reg07=0xFF;

　　bnry=reg03; //bnry page have read 讀頁(yè)指針

　　page(1);

　　curr=reg07; //curr writepoint 8019寫(xiě)頁(yè)指針

　　page(0);

　　if(curr==0)

　　return 0; //讀的過(guò)程出錯(cuò)

　　bnry=bnry++;

　　if(bnry>0x7F) bnry=0x4C;

　　if(bnry!=curr){ //此時(shí)表示有新的數(shù)據(jù)包在緩沖區(qū)里

　　//讀取一包的前18個(gè)字節(jié):4字節(jié)的8019頭部,6字節(jié)目的地址,6字節(jié)原地址,2字節(jié)協(xié)議

　　//在任何操作都最好返回page0

　　page(0);

　　reg09=bnry; //read page address high

　　reg08=0x00; //read page address low

　　reg0b=0x00; //read count high

　　reg0a=18; //read count low;

　　reg00=0x0A; //read dma

　　for(i=0;i<18;i++)

　　rxdnet->bytes.bytebuf[i]=reg10;

　　i=rxdnet->bytes.bytebuf[3]; //將長(zhǎng)度字段的高低字節(jié)掉轉(zhuǎn)

　　rxdnet->bytes.bytebuf[3]=rxdnet->bytes.bytebuf[2];

　　rxdnet->bytes.bytebuf[2]=i;

　　rxdnet->etherframe.length=rxdnet->etherframe.length-4; //去掉4個(gè)字節(jié)的CRC

　　//表示讀入的數(shù)據(jù)包有效

　　if(((rxdnet->bytes.bytebuf[0]&0x01)==0)||(rxdnet->bytes.bytebuf[1]>0x7F)||(rxdnet->bytes.bytebuf[1]<0x4C)||(rxdnet->bytes.bytebuf[2]>0x06)){

　　//接收狀態(tài)錯(cuò)誤,或者next_page_start錯(cuò)誤或者長(zhǎng)度錯(cuò)誤,將丟棄所有數(shù)據(jù)包

　　page(1);

　　curr=reg07; //page1

　　page(0); //切換回page0

　　bnry=curr-1;

　　if(bnry<0x4C) bnry=0x7F;

　　reg03=bnry; //write to bnry

　　return 0;

　　}

　　else{//表示數(shù)據(jù)包是完好的.讀取剩下的數(shù)據(jù)

　　if((rxdnet->etherframe.protocal==0x0800)||(rxdnet->etherframe.protocal==0x0806)){

　　//協(xié)議為IP或ARP才接收

　　reg09=bnry; //read page address high

　　reg08=4; //read page address low

　　reg0b=rxdnet->etherframe.length>>8; //read count high

　　reg0a=rxdnet->etherframe.length&0xFF; //read count low;

　　reg00=0x0A; //read dma

　　for(ii=4;iietherframe.length+4;ii++)

　　rxdnet->bytes.bytebuf[ii]=reg10;

　　}

　　bnry=rxdnet->bytes.bytebuf[1]-1;//next page start-1

　　if(bnry<0x4C) bnry=0x7F;

　　reg03=bnry; //write to bnry

　　return 1; //have new packet

　　}

　　}

　　return 0;

　　}