|
目前，以太網（Ethernet）協議已經非常廣泛地應用于各種計算機網絡，如辦公局域網、工業控制網絡、因特網等場合，并且還不斷地在發展。單片機或微控制器（MCU）（也稱為嵌入式系統）已經在各個領域得到了廣泛的應用。目前絕大多數系統都是以MCU為核心，與監測、伺服、指示設備配合實現一定的功能。如果嵌入式系統能夠連接到Internet，則可以方便、低廉地將信息傳送到世界上的任何一個地方。因此單片機如何控制以太網網卡進行傳輸數據，如何加載TCP/IP協議連接到互聯網，這些都是一些具有挑戰性的問題。單片機上網研究最多的一個方案就是用單片機驅動ISA總線網卡或者是驅動基于ISA總線的以太網控制芯片。但是，近年來，隨著ISA總線在臺式電腦上的消失（PC98以后的標準已經取消了ISA總線），ISA總線的設備也不斷減少，而且很多生產ISA網卡芯片的廠家已經停止生產ISA網卡芯片。在計算機上，多數設備用的是PCI總線，因此如何制造低成本的PCI總線的以太網接口設備，如何用單片機來驅動PCI總線網卡，已成為目前計算機工業控 制系統的燃眉之急。然而用只有16位地址總線、8位數據端口的8位單片機來直接驅動有32位地址數據復用總線及其他各種信號線的PCI總線網卡，幾乎是不可能的。 為此，本文中采用PCI 9054接口芯片作為溝通單片機與PCI設備間的橋梁，設計實現了單片機與PCI網卡間的可靠通信任務，并提供了主要硬件接口電路和主要程序原代碼。 1 PCI9054芯片介紹 1.1 PCI9054主要特性 PCI9054是由美國PLX公司生產的先進的PCI I/O加速器，他采用了先進的PLX數據管道結構技術。符合PCIV2,2規范的32 位33 MHz總線主控接口控制器可獲得高達132 Mb/s的PCI突發傳輸速度。通用總線主控接口配備先進的數據流水線架構(Data Pipe Architecture(tm))，包含2個DMA引擎，可編程目標、起始器數據傳輸模式和PCI信息傳輸等功能。 1.2 PCI9054本地總線工作模式介紹 PCI9054芯片連接的本地端總線有3種工作模式：M模式、C模式和J模式。可利用模式選擇引腳加以選擇，其中C模式時序較為簡單。為此，本方案設計選擇PCI 9054工作在C模式。當PCI9054工作在C模式時，其數據傳輸采用直接數據傳輸方式，按數據傳輸的控制方式，他又分為3種傳輸模式，如表1所示。 本方案設計采用PCI初始化器模式，通過本地端的單片機來控制PCI9054芯片，然后通過PCI9054芯片來驅動PCI總線上的網卡，在這里PCI9054芯片就象一個橋梁，連接了2個不同的總線設備。其讀寫工作原理如圖1所示。 1.3 PCI9054寄存器簡介 PCI9054內部提供了5種寄存器：PCI配置寄存器，本地端配置寄存器，運行時間RUNTIME寄存器，DMA寄存器和I2O信息寄存器。在本方案設計中，我們主要用到2種配置寄存器：PCI配置寄存器和本地端配置寄存器，下面對這2種寄存器的功能做簡要介紹。 PCI配置寄存器也就是我們常說的PCI配置空間，他提供了配置PCI的一些信息。其中VenderID，DeviceID，RevisionID，HeaderType，ClassCode用于PCI設備的識別。命令寄存器（Command）包含設備控制位，包括允許存儲器讀寫響應等。狀態寄存器（Status）用于記錄PCI總線的相關事件。PCI配置寄存器提供了6個基地址寄存器，這些基地址都是在系統中的物理地址范圍內，其中BASE0和BASE1都是用來訪問其他配置寄存器的基地址，BASE1是其他配置寄存器映射到PCI端內存的基地址，BASE2是其他寄存器映射到PCI端I/O的基地址。所以可以通過PCI端內存和PCI端I/O來訪問LOCAL配置寄存器與其他3種寄存器。BASE2～5四個空間提供了訪問本地端所接的4個芯片（當然可以少于4個），他們將本地端的芯片通過本地端地址（在LOCAL配置寄存器中設）翻譯成PCI的地址，也就是將本地的芯片映射到系統的內存或I/O口。這樣使得用程序操作這一段內存（或I/O）實際上就是對本地的芯片操作。 本地端配置寄存器提供了本地端的一些信息，在本方案設計中，主要是通過配置本地端配置寄存器來將本地端的單片機讀寫指令、周期轉換成PCI端的讀寫指令及周期。也就相當于將PCI端網卡上的芯片及存儲器映射到本地端，與本地端的存儲器統一編址，這樣單片機只要能訪問本地端的內存，那么就能用來訪問PCI總線上的網卡。 PCI9054工作時需要一個配置芯片E?2PROM，以便在PCI卡上電的時候配置PCI 9054，主要配置PCI卡的VendorID和DeviceID，這是系統用來標識PCI卡的。另外，還需要了其他寄存器，主要起到了對PCI 9054初始化的作用。其中本地端寄存器也可以由本地CPU讀寫，直接進行配置。 2 RTL8029網卡簡介 RTL8029是符合Ne2000標準的32位PCI總線網卡，遵循IEEE802.3協議。按功能可將其劃分為：接收功能模塊、CRC產生模塊、發送功能模塊、地址識別模塊、FIFO控制模塊、協議邏輯陣列模塊及DMA和緩沖控制模塊。對網卡進行編程可以實現局域網內任一站點間的通信。熟悉網卡接口電路是對網卡編程的首要條件。網卡接口電路功能可以分為2部分：一是與計算機PCI總線相連，包括數據總線讀寫、地址總線驅動、中斷控制信號的產生、存儲器讀寫信號以及I/O端口信號的引入等；二是對網卡內部的操作，包括對緩沖SRAM的讀寫、對RTL8029AS芯片的控制、讀站地址PROM及讀自舉ROM等。通過網卡工作原理的分析，可以將接口信號線減至最少。 以太網相當于一個鏈路層連接，因此可以把以太網的傳輸單元稱為幀（Frame）。10 Mb以太網的Frame長度為64～1 518 b。其格式如表2所示。 其中前導碼是網絡適配器發送MAC幀的時候為了使接收適配器辨別出MAC幀開始而加入的碼，高層的用戶不必考慮。32位CRC，即冗余校檢碼，是以太網使用的校檢機制，現在CRC的生成與檢測都可以由網絡適配器完成，因此用戶也不必考慮這一字段。幀類型，這一字段決定了以太網幀數據使用的是什么協議，如ARP是0x0806，IP是0x0800等。從另一個角度看，這一字段也可以看作以太網幀自己表明身份的字段。因此，在處理MAC幀時，需要根據這一字段的數據來決定將數據傳送給哪個上層協議。在IEEE 802?3協議中，這一字段表示以太網數據的長度。由于兩個協議在這一字段上的不同定義，所以網絡適配卡對這一字段是不做解釋的。程序員必須在軟件上編程處理這一字段。 3 方案設計 (1）本方案設計的硬件結構如圖2所示。 系統中用到的主要芯片除了80C51單片機和PCI9054外還有MAX232(串口的電平轉換)，24C02(I2C總線的E?2PROM)，74HC373（8位鎖存），62256（32K的RAM），EPM7096（CPLD），93C46（E2PROM，用來初始化PCI9054）。其中62256（外部32K的RAM）可以不用，可以用網卡上的RAM來代替，但是網卡上的RAM的存取比較復雜，速度會比加62256慢。使用外部RAM的目的是提高單片機的數據傳輸速度和處理復雜的TCP/IP協議。由于以太網的數據包最大可以有1500多字節，80C51單片機是無法存儲這么大的包的，只有放到外部的RAM里。同時外部的RAM也用作串行口的輸入輸出緩沖，以使單片機具有高速的吞吐數據的能力。24C02是I２C總線的E２PROM，用來存儲用戶的一些設置，比如IP地址、網關等。本方案使用CPLD的目的是，將80C51單片機的8位數據與16位地址轉換成32位的數據和地址，因為PCI9054工作在初始化器模式時，他要求本地端的總線是32位的。在這里，用CPLD實現這樣一個外部邏輯非常簡單。MAX232為串口電平轉換電路。數據可以從串口輸入到單片機，單片機再把數據通過網卡傳出去。 (2) 軟件設計 對網卡編程就是對網絡接口控制芯片RTL8029AS中各種寄存器進行編程控制，從而完成數據分組的正確發送和接收。所有單片機程序采用C51語言編制，具有可讀性強、移植性好、開發周期短的特點。代碼的使用效率也比較高。 主程序可以分為PCI9054芯片初始化、網絡通訊和串行通訊2部分：PCI9054芯片初始化過程就是對PCI9054芯片的PCI端配置寄存器和本地端配置寄存器進行正確的編程配置，以實現本地端單片機與PCI端網卡的無縫連接，對這2個寄存器既可以通過對93 C46燒寫編程的方式，也可以通過本地CPU直接編程的方式來完成初始化。網絡通訊過程又可分為網卡初始化、發送控制和接受控制3部分。主程序框圖如圖3所示。 PCI9054芯片初始化過程就是對PCI9054芯片的相關寄存器進行初始化，這些寄存器包括DMRR、DMLBAM、PCICR、CNTRL等。 網卡初始化過程對網卡的初始化就是對網卡相關寄存器進行初始化。這些寄存器包括CR，DCR，RBCR PSTART，PSTOP，ISR，IMR，PAR0"PAR5，MAR0"MAR5D等。PSTART接收緩沖區的起始頁的地址。PSTOP接收緩沖區的結束頁地址（該頁不用于接收）。BNRY指向最后一個已經讀取的頁（讀指針）CURR當前的接收結束頁地址（寫指針）。 發送控制過程在網絡中，幀傳輸的過程就是發送方將待發送數據按幀格式要求封裝成幀，然后通過網卡發送到網絡的傳輸線上的工程。發送程序框圖如圖4所示。 接收控制過程幀的接收過程分為2步： 第1步有本地DMA將幀存入接收緩沖區中； 第2步由遠程DMA將接收緩沖區中的幀讀入內存。即將網絡上的數據幀接收并存在網卡的接收緩沖區中，然后由主機程序將緩存區中的幀讀走并存入內存中。幀的接收工作由網卡自動完成，只需對相關的寄存器和PSTART，PSTOP，CURR和BNRY進行適當的初始化即可。幀讀入之前，必須初始化相應的寄存器RSAR，RBCR，然后再啟動遠程DMA讀操作和主機程序的讀端口操作。為了獲得數據長度，先讀入18 B的數據，然后根據有效數據的長度將幀完整的讀入。啟動遠程DMA讀操作，應該令CR=0AH，遠程DMA將從接收緩沖區的DMA地址處讀入1 B并送往I/O數據端口，由主機程序讀入內存。 這一過程將一直持續到RBCR寄存器為0。 4 結語 本文提出了一種用8位單片機80C51和PCI總線主控I/O加速器芯片9054來驅動PCI總線網卡，實現RS232串行設備與以太網的連接以傳送控制信令和數據文件，實現單片機上網的設計方案，設計了相關硬件，編制了相應的驅動程序。整個方案結構簡單，實現方便，縮短了開發周期，降低了系統開發成本。 |
