摘 要：網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸技術具有傳輸速率高、傳送距離遠、通訊協(xié)議完善、信息共享程度高等優(yōu)點，為嵌入式設備增加網(wǎng)絡功能有著深遠的意義。介紹以太網(wǎng)的幀協(xié)議和以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS的結構特性以及工作原理，設計STC89C54RD+單片機控制RTL8019AS實現(xiàn)以太網(wǎng)通訊的硬件設計方案和軟件流程圖；采用標準C語言實現(xiàn)ARP協(xié)議，所有程序在Keil c51環(huán)境下編譯連接。最后并進行系統(tǒng)的調(diào)試與驗證，取得了滿意的效果。

關鍵詞：以太網(wǎng)；RTL8019AS；網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸技術；TCP/IP協(xié)議

中圖分類號：TP393文獻標識碼：B

文章編號：1004373X(2008)2204703

Design of Single Chip Computer Network Communication Interface Based on RTL8019AS

WU Quanyu，CHEN Jie

(West Anhui University，Lu′an，237012，China)

Abstract：The data transmission of net has many virtues，such as high transmission speed and perfect communication protocol.It is important that the embedded devices have communicated with Ethernet.The frame of Ethernet protocol and the Ethernet microcontroller TL8019AS characteristics are presented，the principle diagram of hardware system that STC89C54RD+ single chip computer controlling RTL8019AS is designed，and the diagram of software is given.ARP protocol based on the standard C language is realized in the paper，and it is succeeded to compile and link them in keil c51 environment.Finally，the system debugging and the experiment results are also given，the result is satisfied.

Keywords：Ethernet;RTL8019AS;network data transmission technology;TCP/IP protocol

1 引 言

網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展促使嵌入式設備的數(shù)據(jù)傳輸方式發(fā)生重大變化，如今嵌入式設備網(wǎng)絡化已成為嵌入式技術發(fā)展的一個重要方向。網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸技術具有傳輸速率高、傳送距離遠、通信協(xié)議完善、信息共享程度高等優(yōu)點，為嵌入式設備增加網(wǎng)絡功能有著深遠的意義。在工業(yè)控制領域，應用嵌入式網(wǎng)絡技術可實現(xiàn)儀器儀表的遠程測控，使控制系統(tǒng)底層設備間數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議統(tǒng)一，甚至有人認為以嵌入式網(wǎng)絡技術為支持的工業(yè)以太網(wǎng)在將來會取代協(xié)議不統(tǒng)一的現(xiàn)場總線。而在家庭自動化應用領域引入嵌入式網(wǎng)絡技術，則可實現(xiàn)水、電、氣3表自動抄送，家用電器遠程控制，住宅防盜、災難報警等，真正實現(xiàn)智能化小區(qū)管理。但對于以單片機為核心的嵌入式設備而言，要利用有限的資源對數(shù)據(jù)和信息進行網(wǎng)絡協(xié)議的處理具有一定的技術難度。本文通過設計一個實現(xiàn)串口設備接入Internet的網(wǎng)絡模塊，探討利用低速單片機實現(xiàn)網(wǎng)絡功能的方法。

2 系統(tǒng)硬件結構

系統(tǒng)硬件結構框圖如圖1所示。整個系統(tǒng)主要包括4個單元：主控制單元，以太網(wǎng)控制單元，外部擴展單元，串口通信單元。 硬件設計的關鍵是主控制芯片和以太網(wǎng)控制芯片的設計，考慮到實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議對代碼空間和處理速度的要求，選用的主芯片為宏晶科技推出的新一代超強抗干擾、高速、低功耗的單片機STC89C54RD+，該芯片集成了8 kB的FLASH ROM，無需專用編程器或仿真器，可通過串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序，8 kB程序只需3 s即可完成，工作頻率選用22.118 4 MHz。本文選用的RTL8019AS是10 Mb/s的全雙工以太網(wǎng)控制器，由于其優(yōu)良的性能和低廉的價格而被廣泛使用。另外，單片機還外擴了1片62256外部存儲器，該RAM可存儲32 kB的數(shù)據(jù)。使用外部RAM的目的是為了存放網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?。同時62256還用作串口的輸入輸出緩沖，使單片機可以高速的吞吐數(shù)據(jù)。此外系統(tǒng)中還有電源、復位、指示燈等外圍接口電路。

3 以太網(wǎng)絡接口芯片RTL8019AS介紹

RTL8019AS：是臺灣Realtek公司制造的一種高集成度的全雙工10 Mb/s以太網(wǎng)控制芯片，可實現(xiàn)基于Ethernet協(xié)議的MAC層的全部功能，內(nèi)置16 kB的SRAM、雙DMA通道和FIFO，可完成數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送功能。

3.1 主要性能

（1） 符號Ethernet Ⅱ與IEEE802.3（10Base5，10Base2，10BaseT）標準；

（2） 全雙工，收發(fā)可同時達到10 Mb/s的速率；

（3） 內(nèi)置16 kB的SRAM，用于收發(fā)緩沖，降低對主處理器的速度要求；

（4） 支持8/16位數(shù)據(jù)總線，8個中斷申請線以及16個I/O基地址選擇；

（5） 支持UTP，AUI，BNC自動檢測，還支持對10BaseT拓撲結構的自動修復；

（6）允許4個診斷LED引腳可編程輸出；

（7） 100腳的PQFP封裝，縮小了PCB尺寸。

3.2 以太網(wǎng)接口工作原理及實現(xiàn)

以太網(wǎng)控制芯片是以太網(wǎng)接口的核心器件，如何使用該芯片是設計以太網(wǎng)接口的關鍵，RTL8019AS是符合IEEE802.3和CDMA/CD標準的以太網(wǎng)控制芯片，實現(xiàn)以太網(wǎng)介質訪問層（MAC）和物理層的功能，其內(nèi)部劃分為遠程DMA和本地DMA兩個通道，結構如圖2所示。

遠程DMA接口是指單片機對RTL8019AS內(nèi)部RAM進行讀寫的總線，即ISA總線的接口部分。單片機收發(fā)數(shù)據(jù)只需對遠程DMA操作。本地DMA接口是把RTL8019AS與網(wǎng)線的連接通道，完成控制器與網(wǎng)線的數(shù)據(jù)交換。當單片機要想網(wǎng)絡發(fā)送數(shù)據(jù)時，先通過遠程DMA通道將一幀數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)緩存區(qū)中，然后發(fā)出傳送指令。發(fā)送控制器將字節(jié)在時鐘控制下逐位移出，并送到CRC編碼單元。CRC編碼單元對幀數(shù)據(jù)產(chǎn)生校驗序列，并附加的數(shù)據(jù)尾傳送。當接收數(shù)據(jù)時，接收控制器在時鐘控制下將串行數(shù)據(jù)拼成字節(jié)送到FIFO和CRC校驗單元，CRC校驗單元負責對送來的數(shù)據(jù)進行校驗，如果校驗碼不同，則該幀被拒絕。地址識別單元對MAC地址進行比較，只有與本地物理地址相同或為廣播地址的數(shù)據(jù)幀才被接收。以上校驗通過后將數(shù)據(jù)接入數(shù)據(jù)緩存區(qū)，收滿1幀以后，以中斷或寄存器標志的方式通知單片機，單片機再通過遠程DMA通道讀取這一幀。

4 軟件設計

4.1 TCP/IP協(xié)議

嵌入式設備網(wǎng)絡化的關鍵是實現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議。眾所周知，TCP/IP是一個數(shù)量龐大的協(xié)議體系，是幾百種網(wǎng)絡協(xié)議的集合，在嵌入式系統(tǒng)有限的資源中很難完全實現(xiàn)。且嵌入式系統(tǒng)作為以應用為中心，具有特定功能的專用計算機系統(tǒng)，也不需要實現(xiàn)如此多的協(xié)議。因此系統(tǒng)設計的第一步就是進行TCP/IP協(xié)議棧子集的選擇。TCP/IP通常被認為是一個由鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層組成的四層協(xié)議系統(tǒng)，每一層都有相應的協(xié)議集合來實現(xiàn)不同的功能。

數(shù)據(jù)鏈路層主要處理與傳輸介質有關的物理接口細節(jié)，考慮到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流量大且通用性強，因此采用以太網(wǎng)(IEEE 802.3)協(xié)議，用RJ45接口將嵌入式設備連入網(wǎng)絡。

網(wǎng)絡層主要負責處理數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡中的協(xié)議封裝，該層選用TCP/IP協(xié)議棧的核心IP協(xié)議，同時選用ARP協(xié)議實現(xiàn)IP地址到MAC物理地址的轉換。

傳輸層主要為兩臺主機上的應用程序提供端到端的通信，有UDP和TCP兩種協(xié)議。UDP協(xié)議是不面向連接的，因而不能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。TCP是面向連接的，但其可靠性的保證是以許多復雜措施及由此而增加的開銷為代價換來的。因此在此選擇TCP為傳輸層協(xié)議，但針對應用進行簡化以適應嵌入式要求。應用層負責處理特定的應用程序細節(jié)，應用層協(xié)議種類繁多，考慮到嵌入式應用的特殊性，不選取通用的應用層協(xié)議。以上對協(xié)議子集的選擇是以滿足實用為目的，并在不影響網(wǎng)絡基本功能的原則下進行的。

4.2 以太網(wǎng)（Ethernet）協(xié)議

一個標準的以太網(wǎng)物理傳輸幀由7部分組成（如表1所示，單位為字節(jié)）。

PR：同步位，用于發(fā)送雙方的同步時鐘，同時也指明傳輸?shù)乃俾剩?/p>

SD：分隔位，用于表示下面跟著的是真正的數(shù)據(jù)，而不是同步時鐘；

DA：目的地址。以太網(wǎng)的地址為6個字節(jié)的二進制地址，表明該幀傳輸給哪個網(wǎng)卡，如果為FFFF-FFFF-FFFF，則為廣播地址，可被任何網(wǎng)卡接收；

SA：源地址，6個字節(jié)，表明該幀的數(shù)據(jù)是哪個網(wǎng)卡發(fā)出的；

TYPE：類型字段，表明該幀是什么類型的數(shù)據(jù)，不同協(xié)議的類型字段不同，IP為0800H，ARP包為0801H，SNMP為814CH；

DATA：數(shù)據(jù)段，該段數(shù)據(jù)不超過1 500B；

PAD：填充位。由于以太網(wǎng)幀傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包最小不能小于60 B，除去DA，SA和TYPE共14 B，還必須傳輸46 B數(shù)據(jù)，當數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)不足46 B時，后補0。

除了數(shù)據(jù)段的長度不定外，其他部分的長度固定不變。數(shù)據(jù)段為46～1 500 B。以太網(wǎng)規(guī)定整個傳輸包的最大長度不能超過1 514 B（14 B為DA，SA，TYPE），最小不能小于60 B。除去DA，SA，TYPE14字節(jié)，還必須傳輸46 B的數(shù)據(jù)，當數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)不足46 B時需填充，填充字符的個數(shù)不包括在長度字段里；超過1 500 B時，需拆成多個幀傳送。事實上，發(fā)送數(shù)據(jù)時，PR，SD，F(xiàn)CS及填充字段這幾個數(shù)據(jù)段由以太網(wǎng)控制器自動產(chǎn)生；而接收數(shù)據(jù)時，PR，SD被跳過，控制器一旦檢測到有效的前序字段（即PR，SD），就認為接收數(shù)據(jù)開始。

4.3 軟件設計流程圖

軟件設計分成3大部分：硬件初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收。所有程序在keil c51環(huán)境下編譯連接，采用標準C語言編程，可讀性強、移植性好、開發(fā)周期短等優(yōu)越性。系統(tǒng)流程如圖3所示。

試驗調(diào)試環(huán)境主要包括3大部分，即RTL8019AS測試PCB板和一個基于單片機的溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，另外還有帶網(wǎng)卡的PC機以及網(wǎng)線，特別要說明的是在PC機上安裝有專門基于Web的監(jiān)控軟件系統(tǒng)，它能夠完成IP地址站點瀏覽以及操作、用戶維護、數(shù)據(jù)維護、系統(tǒng)通訊配置等功能。

在實驗中，基于單片機的溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不停的采集室內(nèi)溫度，通過這里的RTL8019AS測試PCB板和300 m網(wǎng)線把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機上分時的進行刷新顯示，取得了滿意的效果。由以上分析可見，如果對RTL8019AS測試PCB板做進一步的完善，該系統(tǒng)接口應用于實際中將會產(chǎn)生很大的經(jīng)濟效益。

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作者簡介 吳全玉 男，1977年出生，安徽碭山人，碩士。主要研究方向為信號處理與嵌入式系統(tǒng)的應用。