硬件電路的連接以及嵌入 式TCP／IP的實(shí)現(xiàn)

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。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)自動化和過程控制領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用，因此，對于大量存在的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，64 KB的FLASH對于適當(dāng)?shù)某绦蛞约昂唵蔚腤eb Page來說也是可以的，所以無需再外擴(kuò)資源，大大簡化了外圍電路，提高了可靠性。

以太網(wǎng)控制芯片選用的是臺灣REALTEK公司生產(chǎn)的RTL8019AS，該芯片集成了介質(zhì)訪問控制子層(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條中斷申請線以及16個(gè)I/0基地址選擇。

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

(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)自動進(jìn)行管理和配置，用戶不必過多干預(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，對于8位單片機(jī)來說無法實(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。可以將8019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，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，分別用來接收來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，RTL8019AS需要經(jīng)過隔離處理才能和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，用來傳輸信號以及抑制噪聲干擾。

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)緩沖以頁為單位，每頁256 B，共64頁，如果某頁沒有完全填滿數(shù)據(jù)，則下包數(shù)據(jù)也不能繼續(xù)使用該頁，只能使用新的頁。一般將前12頁作為發(fā)送緩沖區(qū)，分為兩個(gè)6頁的緩沖區(qū)(因?yàn)橐粋€(gè)最大數(shù)據(jù)包占6頁)，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)包就必須對這塊RAM進(jìn)行DMA讀寫。