（控制理论与控制工程专业论文）基于单片机系统的网络通信研究与应用.pdf

鞍山科技大学硕士论文 摘要 摘要 随着时代的进步，计算机网络技术和电子信息技术迅猛发展，已经成为人们 生活中不可缺少的部分之一。但是目前人们绝大多数都是应用p c 机进行网络间的 数据传送，不仅成本高，而且还浪费资源。而新兴的电子应用系统嵌入式系 统却越来越受到人们的亲睐。它采用嵌入式的微处理器，支持t c p i p 协议，作为 高可靠、低成本的网络节点，并提供多种多样的功能和服务，它已成为i n t e m e t 发 展新阶段的标志。 但由于支持t c p i p 等i n t e m e t 协议将占用大量的系统资源，因此在实现上将 带来一定的难度，目前主要解决方法是增加其他的处理器或其他硬件电路，这样 不但提高了处理速率而且减少了系统在处理时间上的开销，进而可以较好的解决 8 1 6 位机的互联网接入问题。 本文在对几种t c p i p 协议的实现方案进行比较的基础上，提出了系统实现方 案。首先完成了硬件电路设计，应用r t l 8 0 1 9 a s 以太网控制芯片，以8 位微处理 器- w 7 8 e 5 8 b 单片机为工作平台，并详细的说明了各组成部分的功能，并给出 了硬件设计的原理图。然后在此基础上完成了系统软件设计及实现，软件设计的 重点是t c p i p 协议的实现。详细的分析了文中所用到的t c p i p 协议族的基本协 议，包括a r p ，i p ，i c m p ，t c p ，u d p ，以及应用层协议如h t t p ，并结合嵌入 式系统的具体应用对各个协议进行不同程度的简化和改写。设计完成了以太网驱 动程序，t c p i p 协议族各个分层的协议的实现，并在此基础上，给出了实际的测 试结果。 设计所要实现的系统是以嵌入式系统为核心，i n t e m e t 为基础，利用其串行接 口与仪表设备的底层i o 节点相连，上层则直接接入局域网，远程用户可以应用浏 览器访问该系统，以实现对下层设备的监控。文中给出了串口通信和浏览器的 测试结果。 关键宇：以太网，t c p i p 协议，r t l 8 0 1 9 a s ，w 7 8 e 5 8 b a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft i m e s ，t e c h n i q u e so fc o m p u t e rn e t w o r ka n d e l e c t r o n i cm e s s a g e sh a v ear a p i di m p r o v e m e n t ，a n di n t e m e th a sb e e ni n d i s p e n s a b l et o t h eh u m a nb e i n g sl i v e s h o w e v e r ，n o wt h em o s tp o p u l a rd a t at r a n s f e r r i n gm e t h o di n i n t e m e t w o r ki si m p l e m e n t e db yp c t h i sm e t h o dn o to n l yh a sh i g hc o s t ，b u ta l s ow a s t e s r e s o u r c e e m b e d d e ds y s t e mt h a ti sr i s i n ge l e c t r o n i ca p p l i c a t i o ns y s t e mg e t sm o r ea n d m o r ea t t e n t i o n so fp e o p l e p r o c e s s o r si n t h i sk i n do fe q u i p m e n t sa r em c uw h i c hi s e m b e d d e d a l s ot h e yu s u a l l ys u p p o r tt c p i pa n do t h e rr e l a t e dp r o t o c o l s t h e s e e q u i p m e n t sw h i c ha r ew o r k i n ga sn e t w o r k n o d e sw i t hh i g hr e l i a b i l i t ya n dl o wc o s t ，p l a y a ni m p o r t a n tr o l ei nt h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r kt e c h n o l o g ya n da l r e a d yb e c o m ea s y m b o lo f i t u n f o r t u n a t e l y ，b e c a u s es u p p o r t i n gt c p i pp r o t o c o l sw i l lt a k eu pag r e a td e a lo f r e s o u r c eo fs y s t e m ，h e n c ei ti sd i f f i c u l tt ob r i n gi ti n t op r a c t i c a lu s e c u r r e n t l y ，t h em a i n m e t h o d st or e s o l v ei ta r ei n c r e a s eo fp r o c e s s o r sa n do t h e rh a r d w i r e dc o n n e c t i o n ，s o i m p r o v eh a n d i n gs p e e d ，a n dd e c e a s et h ee x p e n s eo ft i m e f i n a l l y ，i tc a nr e s o l v et h e p r o b l e mo fc o n n e c t i n gt ot h ei n t e m e tf o r8 16b i t sm i c r o p r o c e s s o r s ad e s i g np l a no fc o n n e c t i n ge m b e d d e ds y s t e mt oi n t e r n e tt h r o u g he t h e m e ti s p r o v i d e di nt h ep a p e r i td e s c r i b e sd e s i g n i n go fh a r d w a r e ，u s i n gt h ee t h e m e tc o n t r o l l e r r t l 8 019 a s ，as m a l l s i z e da n de m b e d d e da p p l i c a t i o no ft c p i ps t a c kw a sr e a l i z e do n t h ep l a t f o r mo fw 7 8 e 5 8 b a n dt h es c h e m a t i cd i a g r a m sa r eg i v e n t h ee m p h a s e so f s o f t w a r ed e s i g nt h er e a l i z a t i o no ft c p i pp r o t o c o l s a n di ta n a l y s e sd e t a i l e dt h ep r i m e p r o t o c o l so f t c p i pp r o t o c o l si n c l u d i n ga r p ，i p ，i c m p ，t c p ，u d pa n dh 丌p a n da l l p r o t o c o l sa r es i m p l i f i e da n di m p r o v e di nd i f f e r e n td e g r e e sc o m b i n i n gw i t ht h ea c t u a l a p p l i c a t i o no fe m b e d d e ds y s t e m e t h e r n e td r i v e r sa n dp r o t o c o l si n o t h e rl a y e r sa r e c o m p l e t e dr e a l i z i n gt h ed a t at r a n s m i s s i o n o nt h eb a s i so fi t ，t h ea c t u a lt e s t i n gr e s u l t s a r eg i v e n i tt a k e st h ee m b e d d e ds y s t e ma si t sc o r e ，a n du s e ss e r i a li n t e r f a c et oc o n n e c tw i t h b o t t o mn o d e so fi n s t r u m e n t a t i o n sb a s e do ni n t e r n e t i tc o n n e c t sw i t hl a na tt h eu p p e r l a y e rd i r e c t l y ，t h er e m o t es u b s c r i b e r sc a nv i s i tt h es y s t e mw i t hi e ，a n dm o n i t o rt h e s e r i a lp o r t t h et e s tr e s u l t so fs e r i a lp o r ta n di ea r eg i v e n k e yw o r d s ：e t h e r n e t , t c p i p , r t l s 0 1 9 a s ，w 7 8 e 5 8 b i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得鞍山科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料，与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 签名：迥日期：盘= ! 兰! 占 关于论文使用授权的说明 本人完全了解鞍山科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：丝， 鞍山科技大学硕士论文第一章绪论 1 1 背景 第一章绪论 1 9 6 9 年，美国国防部高级研究计划管理局( a r p a ) 把4 台军事及研究用的电 脑主机联接起来，促使了网络的诞生，a r p a n e t 是计算机网络发展中的一个里程 碑，是i n t e m e t 出现的基础。 二十世纪，i n t e m e t 技术飞速的发展并广泛的应用，掀起了新一代的技术浪潮， 网络用户呈指数的增长，虽然带给我们极大的方便，但由于目前我们绝大多数是 应用p c 机进行网络间的数据传送【”，这种方式成本比较高，在一些情况下造成了 资源的浪费。 随着人类的脚步迈入了2 1 世纪，世界也发生着极其广泛和深远的变化。2 1 世 纪的一些重要特征就是数字化，网络化和信息化，它是一个以网络为核心的信息 时代【3 】。另一种新型的电子应用系统越来越受到人们的关注，这就是嵌入式系统【4 】 ( e m b e d d e ds y s t e m ) 以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪， 适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗要求严格的专用计算机系统。 目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e m e t 之外而处于单独应用阶段【5 】，这给大范围的 信息交流带来极大的不便。随着i n t e m e t 技术尤其是以太网技术与智能家电、工业 控制技术的结合日益密切，以太网技术逐渐应用到嵌入式系统中，互相独立、分 散的嵌入式系统将会连接至l j i n t e m e t ，即可快捷方便、经济地传送信息至世界的任 何地方，这就是嵌入式以太网技术7 】 8 】。专家预钡d 2 0 0 0 年至i j 2 0 1 0 年这段时期将是 嵌入式i n t e m e t 时代【9 】，整个地球将会披上一层无所不在的“电子皮肤”。 在网络技术应用日益广泛的今天，网络传输是最经济有效的数据传输方式【l0 1 。 如何利用廉价的5 1 单片机来控制网卡芯片进行数据传输，加载t c p i p 协议 1 1 1 1 2 连 接到互联网，是这几年来令人感兴趣的一个研究方向。利用单片机实现网卡的通 信，最主要的是解决通讯协议的问题，可以把单片机控制网卡通信的实现看作是 局域以太网协议的简化，实现简单的数据通信。因为网卡可通过单片机来控制， 从而摆脱了计算机环境的限制，因此在小型应用场合有着非常广阔的应用前景。 t c p i p 是一种标准 13 】【i “，以太网也成为局域网的标准。在很多情况下运用以 太网和t c p i p ，能够简化结构。例如目前比较热门的利用智能管理小区【i5 1 ，因为 鞍山科技大学硕士论文 第一章绪论 布线的原因，不能为每个家庭铺设很多线，而以太网的8 芯双绞线是通常使用的。 例如宽带上网，可以直接通过现成的以太网络。从成本上看，用以太网实现联网 更为经济，这是由于目前集线器、交换机的价格都非常的低廉，而且将来有三网 合一的趋势，电话、电视、计算机三网合一。将来的趋势可能是高速的以太网的 天下，电话信号、电视信号、联网都可以利用以太网。另外，以太网设备比较通 用。尽管目前还未能实现，但是这种趋势是不可避免的。 嵌入式技术是电子信息技术应用最为广泛的领域之一。从军事装备到民用设 备，从工业用品到商用产品，并且在医疗方面也有它的用武之地，这些无不与嵌 入式技术息息相关，所以嵌入式系统接入i n t e r n e t 的研究具有远大前程。 1 2 嵌入式以太网技术 以太网是最广泛使用的局域网协议，是1 9 7 3 年由施乐公司开发的，当时的数 据率是1 0 m b s ，并采用总线拓扑。c s m a c d ( 载波侦听多路复用冲突检测) 是 以太网所使用的接入方法，它是一种非确定性或随机性通信方法”1 。 1 2 1 以太网技术优势 以以太网为代表的信息网络通信技术以其协议完善、完全开放、稳定性和可 靠性好而获得了全球的技术支持。与现场总线相比，以太网的优势主要体现在以 下几方面： 1 、以太网可以满足控制系统各个层次的要求，使企业信息网络和控制网络得以 统一。 2 、低成本。以太网与计算机、服务器等接口十分方便。以太网网卡的价格为f f 现场总线网卡的十分之一。另外，用户的拥有成本下降，几乎每个企业都有 以太网网络维护人员，不用再专门学习一种控制网络。 3 、 以太网易与i n t e m e t 集成。实现网络化和智能化。 4 、以太网受到了广泛的技术支持。几乎所有的编程语言都支持以太网的应用开 发。硬件开发商为以太网系统的设计提供了广泛的硬件产品选择，人们对以 太网的设计、应用有较为丰富的经验。 5 、通信速率高。通信速率为1 0 0 m b p s 快速以太网开始广泛应用，1 0 0 0 m b p s 以 太网技术也逐渐成熟，速率比目前的现场总线快得多。另外以太网可以满足 对带宽的更高要求。 鞍山科技大学硕士论文 第一章绪论 6 、 以太网所分配的口地址多。现场总线的口地址是1 6 位，最多可分配6 5 5 3 6 个不 同终端，其中c a n 总线只有8 位：而以太网的的i p v 4 f i 鱼址为3 2 位，i p v 6 具有长 达1 2 8 位的地址空间。 在与传统现场总线的对比测试中以太网显示出的明显优势，使其能够完全胜 任控制环境中对实时性、可靠性、抗干扰性的严格要求，以太网已被证明是未来 控制网络的最佳解决方案。 1 2 2 发展应用嵌入式以太网技术的必要性1 7 1 1 1 8 】【1 9 1 1 2 0 】【2 1 1 虽然在测控技术的发展过程中，现场总线技术发挥着它巨大的推动作用，但 在测控技术向网络化方向发展的过程中，现场总线技术却暴露出了其自身的不足 之处，表现为： ( 1 ) 随着仪器仪表智能化的提高，传输的数据量也必将增大。而现场总线的通信 协议比较简单，而且通信速率比较低。这样一来，网络的高速传输在工业控制上 就显得越来越重要了。据估计，在未来4 年里，信息量还要再增 j i l l 0 3 0 倍。 ( 2 ) 目前现场总线标准依然是百花齐放，始终没有达成一个统一的协议标准。“。 这些协议的发展背景不同，市场领域也没有统一，因此各自的发展都受到制约。 欧洲市场主要是p r o f i b u s ，c a n b u s 等，美国市场有l o n w o r k s ，b i t b u s ，d e v i c e n e t 等，若要实现不同标准的现场总线产品之间的互联、互换、统一组态以及维护会 有很大的困难，而且还会增加用户的投资，导致使用维护的复杂性提高。因此迫 切需要一个统一的现场总线标准，这是开放的现场总线控制系统必备的技术条件。 目前现场总线已经明显表现出向以太网技术靠拢的趋势：国际总线基金会直 接使用l o o m 以太网作为其高速现场总线的标准。另外，在汽车、制造业、航空业 中被广泛应用的c a n 总线( 控制器局域网) ，是由i s o 定义的串行通讯总线，对应 层的定义与开放系统互连模型( o s i ) 一致，其传输介质也采用信息网络常用的传 输介质。目前，在各现场总线生产厂家不断推出自己产品的同时，开始逐步达成 一个共识向以太网靠拢，这将成为今后现场总线发展的一个趋势。 1 2 3 发展嵌入式以太网技术的意义 如何设计和制造嵌入式网络设备已成为嵌入式i n t e m e t 时代的关键技术。设备 具有网络功能的最终目标是：人们可以在任何时间、任何地点、使用任何平台随 时浏览设备实时的状态，并在远程实现对这台设备的监视、控制、诊断、测试和 鞍山科技大学硕士论文 第一章绪论 配置。嵌入式网络设备的广泛应用将大大推动日常生活和工作的自动化、智能化 和人性化。 由微处理器( m c u ) 构成的嵌入式系统，已经在家庭和工业的各个领域得到了 广泛应用。以m c u 为核心，与监测、指示设备等配合实现一定的功能。而当前网 络资源己成为社会重要的基础信息设施之一，是信息流通的重要渠道。如果设备 能够连接到网络，则可使每个设备都具有i n t e m e t 接口和地址，具有远程维护 监控功能，并可方便地与i n t e r n e t 交互信息，进行数据传输。 使远距离通信成为可能。嵌入式以太网技术应用到现场以后，可将各个分散的 嵌入式设备通过网络互连，突破了传统通信方式的时空限制和地域障碍，使更 大范围内的通信变得十分容易。 便于集中管理和高层监控，并提高决策水平。对企业而言，不仅经营管理层需 要网络，生产控制层也需要网络化，而且要求这两者之间是紧密联结的。 提高生产效益和控制质量，降低成本。在实现测控网络和信息网络统一的过程 中，尽量使用现存网络无需铺设专用线路，必定会大大降低硬件的成本。同时 由于以太网协议的成熟稳定和公开化，并可针对具体环境自行修改，因此也降 低了软件的开发成本，相应地可以极大提高生产效益和控制质量。 1 3 嵌入式以太网技术实现的方案 要将嵌入式系统连上i n t e m e t ，只需将嵌入式系统的主控器和这些中间传输媒 介连上即可。解决这一问题的方法大致可分为3 类。 1 3 1p c 网关+ 专用网 此方案采用专用网络( 如r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、c a n b u s 等) 把一小批单片机连接 在一起，再将专用网络连接到一台p c 机上，该p c 机作为网关将专用网络上的信 息转换为t c p i p 协议数据包，然后发到i n t e m e t 上实现信息共享。该方案可以连 接多种单片机，因为它是把复杂的t c p i p 协议通过p c 机来实现，因此对m c u 的要求比较低。但存在如下缺点： ( 1 ) 需要依赖p c 机作网关进行协议转换，在多个单片机系统分散的情况下，专 用网络布线极为不便。 ( 2 ) 需要在p c 机上安装专门的协议转换软件，该软件通常由专门的第三方软件 商提供，费用较高。 4 鞍山科技大学硕士论文第一章绪论 1 3 2e m w a r e 的e m i t 技术( e m b e d d e dm i c r oi n t e r n e t w o r k i n gt e c h n o l o g y ) 这种方案是由e m w a r e 公司提出的，后来t a s k i n g 公司又加入了这一方案的推 广。是目前整套方案解决比较完整，相关技术和设备都能得到很好提供的一种嵌 入式系统实现i n t e m e t 上网的应用方案。 该技术使用标准的i n t e m e t 协议对8 位和1 6 位嵌入式设备进行管理，利用网 关在网络中桥接代理t c p i p 协议栈，采用e m i t 方案可选用各档次的单片机。但 是，一但选用了这种方案，就限定了整个系统中的所有设备，包括c p u 、软件以 及开发工具，产品也必须采用这家公司的产品，甚至包括以后设备的维护、更新、 升级等；而且系统设计工程师必须熟悉e m n e t 协议和相关接口，工作量大。 1 3 3m c u + 网卡芯片 这种形式以太网协议的实现，最大特点是灵活，可选用多种型号的m c u 来实 现网络协议，如5 l 系列单片机等，并可根据系统的具体要求来选用不同速度的m c u 作为核心芯片。单片机加载t c p i p 协议控制以太网网卡田1 进行数据传输，并通过 t c p i p 协议接入i n t e m e t 。此方案不使用p c 机平台或网关，降低了开发成本，但需 对单片机、t c p i p 协议、网卡驱动程序有较深的了解。这种方案是最直接也是最 方便的上网方法。 在电子设备日趋网络化的背景下，在节约资源、降低成本，充分利用现有串 口设备和丰富的以太网资源的前提下，要完成测控数据的实时传送，对测控设备 的实时测量和控制，利用廉价的单片机来控制网卡来实现以太网通讯就具有了十 分重要的意义。 1 4 本文的主要工作 显然，在产品级的设计中，上述的三种现行技术方案中，以“m c u + 网卡芯片” 为首选方案。本文是采用了第三种方案，对基于单片机的嵌入式以太网技术进行 了研究并应用。要将嵌入式系统连上i n t e m e t t 2 4 1 的关键是如何实现网络接口，以及 如何提供相应的网络协议。即需做好两方面的工作： ( 1 ) 硬件上，要给系统主控器加一个网络接口。完成系统硬件设计和硬件电路的 调试。 ( 2 ) 软件上，要提供相应的通讯协议。研究t c p i p 协议，将t c p i p 协议嵌入单片 鞍山科技大学硕士论文第一章绪论 机，协议包括t c p ，u d p ，i p ，i c m p ，a r p 以及应用层协议，如h t t p 等。 因此本系统也称为网络单片机。t c p i p 协议实现代码全部采用c 5 1 语言编写。 1 5 论文的章节安排 第一章绪论； 第二章网络接口控制器。对r t l 8 0 1 9 a s 芯片做了详细的介绍； 第三章嵌入式以太网技术的硬件设计。给出了硬件的设计图，分析了系统的 各部分功能： 第四章软件设计。讨论系统的软件实现，包括对软件系统的整体设计以及网 络协议的具体实现过程，并进行了调试； 第五章嵌入式以太网技术在仪表设备中的应用。 第六章结论与展望。 1 6 本章小结 本章介绍了嵌入式系统的引入和它较好的发展前景，并对嵌入式以太网技术 的发展优势及必要性进行了分析。本章还研究总结出了三种解决嵌入式系统接入 i n t e m e t 的方案，本文选用了第三种方案。最后明确了本论文的主要工作任务和各 章节的安排。 6 鞍山科技大学硕士论文第二章网络接1 3 控制器 第二章网络接口控制器 网络接口控制器( n i c n e t w o ki n t e r f a c ec o n t r o l l e r ) ，也称网卡芯片，是网卡上 的核心控制芯片，负责控制网络和主机间物理层的数据传输。r t l 8 0 1 9 a s 芯片【2 习 是台湾r e a l t e k 公司生产的一种局域网处理芯片，是一款高性能的以太网控制器， 也是目前的1 0 m b p s 网卡上最常见的芯片之一。r t l 8 0 1 9 a s 不仅具有曼彻斯特编 译码、冲突检测和重发的功能，还可以与很少的外围电路一起完成数据的传输功 能。而且其内部还提供了在双绞线和以太网集线器中的全双工的发送和接收方式 幢6 】，提高了网络传输速率并解决网络的堵塞问题。以太网接口芯片r t l 8 0 1 9 a s 以 其优良的性能和低廉的价格得到了广泛的应用。 2 1r t l 8 0 1 9 a s 芯片管脚结构 鞍山科技大学硕士论文第二章网络接口控制器 图2 - 1r t l 8 0 1 9 a s 引脚图 1 、r t l 8 0 1 9 a s 的电源引脚概述如表2 - 1 所示。 编号名称类型描述 6 ，1 7 ，4 7 ，5 7 ，7 0 ，8 9v d d p+ 5 v 1 4 ，2 8 ，4 4 ，5 2 ，8 3 ，8 6g n d pg r o u n d 表2 - 1 电源引脚概述 2 、r t l 8 0 1 9 a s 的i s a 总线接口管脚描述如表2 2 所示。 编号名称类型描述 3 4a e n i 地址使能脚，低电平有效 9 7 1 0 0 ，1 4- 0 o 中断请求总线 3 5i o c h r d yo受低电平作用，等待当前读写指令 9 6i o c s l 6 b o 8 1 6 位数据总线的选择脚 2 9 1 0 r bi 输入输出读指令 3 0i o w b i 输入，输出写指令 3 3r s t d r vi 复位端 2 7 一1 8 ，1 6 - 1 5 ，1 3 1 7 ，5s a l 9 s a o i 地址总线 8 7 8 8 ，9 0 9 5 ，4 3 3 6 s d l 5 s d oi ，o 数据总线 3 ls m e m r bi 存储器读命令 3 2s 姬m w bi 存储器写命令 表2 - 2i s a 总线接口管脚描述 3 、r t l 8 0 1 9 a s 的存储器接口管脚( 包括b r o m ，e 2 p r o m ) 概述如表2 3 所示。 编号名称类型描述 7 5b c s bo 片选，低电平有效 7 6e e c so 9 3 c 4 6 片选，高电平有效 6 6 - 6 9 ，7 1 7 4b a 2 1 1 4o b r o m 地址线 7 7 - 8 2 ，8 4 _ 8 5b d 7 - 0i ，o b r o m 数据线 7 9e e s ko 9 3 c 4 6 串行数据时钟 7 8e e d io 9 3 c 4 6 串行数据输入 7 7e e d oi9 3 c 4 6 串行数据输出 6 6 p n i p i当j p 为低电平，强制为p n p 模式 7 2 7 1 ，6 9 6 7b s 4 0i 选择b r o m 大小和地址 8 5 8 4 ，8 2 8 li o s 3 0i 选择i o 地址 8 鞍山科技大学硕士论文 第二章网络接口控制器 7 7 ，7 4p l l 一oi 选择网络媒体类型 8 0 7 8 i r q s 2 0 i 在i n 7 0 中选择一个中断 6 5j pi 为高电平，选择跳线模式，低电平，为 免跳线模式 2 2 主要性能 表2 - 3 存储器接口管脚概述 符合e t h e m e ti i 与i e e e 8 0 2 3 ( 1 0 b a s e 5 、1 0 b a s e 2 、1 0 b a s e t ) 标准。 全双工，收发可同时达到1 0 m b p s 速率，具有睡眠模式以降低功耗。 1 6 k b 片内s r a m 用于数据收发的缓冲，降低对主处理器的速度要求。 兼容n e 2 0 0 0 标准，支持8 1 6 位数据总线，8 个中断请求线以及1 6 个i o 基地址选择。 支持u t p 、a u i 、b n c ，自动检测所连接的介质，还支持对1 0 b a s e t 拓扑 的自动极性修正。 允许4 个诊断l e d 引脚可编程输出。 1 0 0 脚的p o f p 封装，便于缩小p c b 尺寸。 2 3 结构和功能 2 3 1r t l 8 0 1 9 a s 的结构 r t l s 0 1 9 a s 是低功耗的c m o s 芯片矧，采用5 v 电源供电，它由以下几部分 组成：8 k x1 6 b i t 的内部s r a m 及存储器仲裁电路、n e 2 0 0 0 兼容的寄存器、媒体 访问控制( m a c ) 内核、曼彻斯特编译码器、物理收发器、远程d m a 通道及接 口电路。如图2 2 所示。 9 ) ) ) ) “ 6 o 鞍山科技大学硕士论文第二章网络接口控制器 8 k x l 6 b n 的内部s r a m 存储器仲裁电路 n e 2 0 0 0 寄存器 远程d m a 通道 接口电路 控制总线地址总线数据总线 搦 体访问控制 ( m a c ) 内核 曼彻斯特编，译码器 物理收发器 图2 2r t l s 0 1 9 a s 内部结构框图 2 3 2r t l 8 0 1 9 a s 的功能逻辑 r t l s 0 1 9 a s 的逻辑功能大致分为以下几个部分，如图2 3 所示。 图2 3r t l s 0 1 9 a s 逻辑功能图 ( 1 ) 接收逻辑 实现接收过程串行到并行数据转换。在每行接收脉冲之后，将一个字节数据 送入1 6 字节f i f o 中，然后将在检测到帧定界符后的6 个字节送到地址识别逻辑 比较。正确的帧被送到接收缓冲区内，收满一帧后，以中断或缓冲器标志的方式 通知主处理器把数据读走。 ( 2 ) c r c 产生校验逻辑 在发送过程中，数据帧进行c r c 算法，将在数据帧后产生的c r c 码发送出 去。接收过程中，对接收帧进行c r c 校验。c r c 逻辑就是在对输入的数据进行 c r c 校验后，将得到的结果与帧尾的c r c 比较，如果不同，该帧数据将被拒收； 如果相同则送到接收缓冲区中，存在接收缓冲区里。 ( 3 ) 发送逻辑 1 0 鞍山科技大学硕士论文 第二章网络接口控制器 实现在发送过程从f i f o 读来并行数据并转换成串行位流发送出去。在每个数 据帧发送之前，自动加入6 4 位的帧前同步字符序列，在数据帧之后加入3 2 位c r c 校验。 ( 4 ) 地址识别逻辑 将接收到的数据帧中目的地址和地址寄存器阵列中的站地址进行比较，判定 是否为发送到本地的帧，同时支持多地址和广播地址的连接方式。 ( 5 ) f i f o 和f i f o 控制逻辑 控制逻辑实现在发送和接收过程中从f i f o 取出或存入数据，并防止发生断流 或溢流。 ( 6 ) d m a 和缓冲控制逻辑 用来控制两个1 6 位的d m a 通道：本地d m a 和远程d m a 。当接收数据时， 本地d m a 用来把接收到的数据存入接收缓冲区中；当发送数据时，本地d m a 把 发送缓冲区中的待发送的数据传送到f i f o 。远程d m a 用来实现本地缓冲区和主 机间的数据传输。本地d m a 的优先级高于远程d m a 。 2 4 内部r a m 结构 r t l 8 0 1 9 a s 有两块r a m ，一块为1 6 k 字节的r a m ，地址为4 0 0 0 h 一7 f f f h ：一 块为3 2 字节r a m ，地址为0 0 h 一1 f h 。其内部r a m 的存储是分页的，每2 5 6 个字节称 为一页，地址的高8 位表示表示r a m 的页地址。r t l 8 0 1 9 a s 的内部r a m 分布如图 2 - 4 所示。 d 1 5d 0 p r o m a u a s e d p r o m 8 k 1 6 b n b u f f e rr a m a u a s e d p r o m a u a s e d b u f f e rr a m 图2 - 4 内部r a m 总体结构图 ( 1 ) p r o m 第0 页的内存为p r o m ，是n e 2 0 0 0 兼容的网卡芯片都有的，这部分地址与其它 地址如0 0 2 0 h 0 0 f f h 存储的内容是重复的。其中0 0 h 0 b h 用于存放本结点m a c 地 h h h h h h h 蝴哪 舢 蕊肿 鞍山科技大学硕士论文第二章网络接口控制器 址，奇偶地址内容是重复放置的。如：m a c 地址0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 存放在0 0 h o b h 中 为0 0 0 0 0 1 0 1 0 2 0 2 0 3 0 3 0 4 0 4 0 5 0 5 。以太网地址被重复存储是为了适应r t l 8 0 1 9 a s 的8 位和1 6 位的两种数据总线宽度。 p r o m 只保存上电时从9 3 c 4 6 中读出的m a c 地址。芯片工作时候的地址只由寄 存器p a r 0 一p a r 5 决定，这几个寄存器的内容需要用户自己编写程序写入。 ( 2 ) b i f f e rr a m 地址为4 0 0 0 h 一7 f f f h 的1 6 k 的r a m 是芯片内部数据区，程序设计中使用这块 r a m 存储接收或发送的数据包。这1 6 k 的r a m 由用户进行配置，一部分用来存放 接收的数据包，一部分用来存储待发送的数据包。r t l 8 0 1 9 a s 接收或发送数据是 按页连续存储的，如果某页没有完全填满数据，则下包数据也不能继续使用该页， 只能使用新的页。该r a m 与本地d m a 和远程d m a 两套总线相连。 地址为8 0 0 0 h f f f f i - i 的r a m 跟地址为0 0 0 0 h 7 f f f h 的存储内容是一样的，不 要使用它。 2 5 d m a 结构 双d m a 结构可以说是网络接口控制器的一大特色，它大大简化了该芯片的使 用，提高了单片机和网络接口控制器、网络接口控制器和传输线路之间的数据自? 动传输能力。 本地d m a 是r t l 8 0 1 9 a s 与网线的连接通道，负责本地缓冲区和f i f o 之间 的数据传输。当帧发送时，由d m a 负责将本地缓冲区中的帧以字节或字方式送往 f i f o ，并发送到网络的传输介质上。如果在发送过程中发生帧碰撞，本地d m a 在主机c p u 不介入的情况下自动重发，重发次数最多为1 5 次。若超过1 5 次，则 必须由主机c p u 重新介入，再次启动本地d m a 。当接收帧时，本地d m a 自动实 现由f i f o 到本地缓冲区的字节方式数据传输。 另一个是i s a 总线接口1 2 8 j , 即远程d m a 接口，是指单片机对r t l 8 0 1 9 a s 内 部r a m 进行读、写的总线。因此，单片机发送、接收数据只需对远程d m a 操作。 这一传输过程可以以字节方式( 8 位) 或字方式( 1 6 位) 进行。 d 志m 蟪a l 国l d 远m 强a 疋j单片机 1 ：墅望坐哟一j：一j 鞍山科技大学硕士论文第二章网络接口控制器 图2 - 5 d m a 操作图 2 6r t l 8 0 1 9 a s 内部寄存器 2 6 1 寄存器列表 r t l s 0 1 9 a s 芯片的所有内部寄存器都是8 位的，分为n e 2 0 0 0 寄存器组和p n p ( 即插即用) 寄存器组。n e 2 0 0 0 寄存器组分为四页：p a g e 0 、p a g e i 、p a g e 2 、 p a g e 3 ，都映射到1 6 个i o 端口地址上。但与n e 2 0 0 0 兼容的寄存器只有前3 页， p a g e 3 是r t l 8 0 1 9 a s 自己定义的，对于其它兼容n e 2 0 0 0 的芯片无效。下表2 - 4 为r t l 8 0 1 9 a s 寄存器列表。 n o p a g e 0p a g e lp a g e 2p a g e 3 ( h e x ) 【r 】【w 】【r w 【r 】【r 】 【w 】 0 0 hc rc rc rc rc rc r 0 1 hc l d a 0p s l a r tp a r op s t a r t9 3 4 6 c r9 3 4 6 c r 0 2 hc u d a ip s t o pp a r lp s t o pb 尸a g b p a g e 0 3 hb n r yb n r yp a r 2c o n f i g o 0 4 ht s rt p s rp a r 3t p s rc o n f i g lc o n f l g l 0 5 hn c rt b c r op a r 4c o n f i g 2c o n f f g 2 0 6 hf ot b c r lp a r 5c o n f l g 3c o n f l g 3 0 7 hi s ri s rc u r r 0 8 hc r d a or s a r om a r oc s n s a v 0 9 hc r d a lr s a r lm a r l h l t c l k o a h8 0 1 9 i d or s a r om a r 2 o b h8 0 1 9 i d lr s a r om a r 3l n t r 0 c hr s rr c rm a r 4r c r o d hc n t r ot c rm a r 5t c r o e hc n t r ld c rm a r 6d c r 0 f h c n t r 2 i 田m a r 7蛐 1 0 h 一1 7 h 远程d m a 寄存器 1 8 h 一1 f h 复位寄存器 表2 4r t l s 0 1 9 a s 的寄存器列表 3 鞍山科技大学硕士论文 第二章网络接口控制器 ：斜体字的寄存器是r t l 8 0 1 9 a s 定义的，与n e 2 0 0 0 不兼容 通过改变命令寄存器c r ( c o m m a n dr e g i s t e r ) 中的p s 0 、p s l 位来寻址不同 的页，如p s 0 = 0 ，p s i = 0 ，指向第o 页。 2 6 2 主要寄存器功能介绍 第o 页和第l 页中的寄存器很重要，用于数据的收发控制以及中断管理等，第2 页和第3 页只用于r t l 8 0 1 9 a s 的诊断和一些配置。下面将讨论论文中用到的和重要 的寄存器的功能和用法。 第o 页寄存器 c r ：命令寄存器( 0 0 h ) 可读写。用来初始化数据传输、选择寄存器页、远程d m a 操作控制、传输开 始结束命令。 l 位 765432 l 7 0 4 1 名字 p s lp s or d 2r d lr d o t x ps t as t p 表2 5 命令寄存器说明 “ p s l ，p s 0 ：选择寄存器页 0 0 ：选择第0 页： 0 1 ：选择第1 页； “ 1 0 ：选择第2 页； 1 1 ：选择第3 页。 r d 2 0 ：选择执行的功能 0 0 0 ：禁止，没有任何功能； 0 0 1 ：读网卡内存： 0 1 0 ：写网卡内存； 0 1 1 ：发送网卡数据包； 1 # ：结束d m a 读写操作。 t x p ：1 时发送数据包，发完自动清0 。 s t a ，s t p ：选择执行开始、停止命令 1 0 ：启动命令； o l ：停止命令。 p s t a r t ，p s t o p ：分别为接收页开始寄存器( 0 1 h ) ，结束寄存器( 0 2 h ) 定义了接收缓冲区的起始和中止的页地址，每页2 5 6 字节。 1 4 鞍山科技大学硕士论文第二章网络接1 2 控制器 b n r y ：边界指针寄存器( 0 3 h ) 为防止接收缓冲区溢出而设。缓冲管理器通过比较此寄存器和下一个缓冲地 址是否一致来决定是否结束本地d m a 操作以防止接收缓冲区溢出。b n r y 指向最 后一个已经读取的页，该寄存器由软件设置，从芯片内存中读一页数据后，要将 该寄存器页加1 ，之后再写回该寄存器。当b n r , j n n 最后一页，要通过软件将 b n r y 设置为接收缓冲区的第一页。 t p s r ：发送页开始寄存器( 0 4 h ) 此寄存器标明发送数据在缓冲区的起始页地址。 i s r ：中断状态寄存器( 0 7 h ) 它反映了网络接口控制器的各种工作状态，包括：复位状态、远程d m a 完成、 接收缓冲溢出、包发送错误、包接收错误、包发送成功、包接收成功等。在上电 复位之后必须通过写1 清除一遍。 t b c r l ，o ：远程字节计数器( 0 a h ，0 b h ) 这两个寄存器标明了要发送数据包的字节长度，发送数据包最大容许长度为 6 4 k 。 r c r ：接