張宇翔　劉　偉　郭　敏

摘 要：隨著Internet的發(fā)展和應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)方面的應(yīng)用技術(shù)也逐漸成熟。針對目前大量使用8位微控制器的嵌入式系統(tǒng)，采用ATMEL公司的高性能單片機(jī)ATmega64和10 Mb/s以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS，設(shè)計(jì)了低成本的嵌入式以太網(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)，遠(yuǎn)端用戶可以通過HTTP協(xié)議來訪問存儲在嵌入式系統(tǒng)上的網(wǎng)頁，使嵌入式系統(tǒng)具備網(wǎng)絡(luò)連接功能。

關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)；嵌入式系統(tǒng)；RTL8019AS；TCP/IP協(xié)議

中圖分類號：TP393.11文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)03-081-04

Design of Embedded Ethernet Interface Based on AVR

ZHANG Yuxiang，LIU Wei，GUO Min

(School of Physical Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou,450001,China)

Abstract：The application technology in network of embedded system is becoming mature with the development and application of Internet.In view of large-scale use of 8-bit microcontroller embedded systems at present,a low cost embedded Ethernet interface is realized by adopting high performance microcontroller Atmega64 of the ATMEL Corporation and 10M Ethernet-controller RTL8019AS,hardware circuit′s connection and embedded TCP/IP realization are introduced in detail.Remote users can access the web pages stored in embedded system by a browser,which offered network function to embedded system.

Keywords：Ethernet；embedded system；RTL8019AS；TCP/IP protocol

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(dòng)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/O基地址選擇。

(6) 支持UTP,AUI,BNC自動(dòng)檢測以及對10BaseT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的自動(dòng)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(dòng)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)1 μs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?？梢詫?019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；IOCS16B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；IOS0~IOS3為I/O基地址選擇引腳，懸空設(shè)置為300H，所以SA5~SA7,SA10~SA19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~IRQS2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0x4000~0x7FFF，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。

RTL8019AS具有32位I/O地址，地址偏移量為00H~1FH，本系統(tǒng)中對應(yīng)于300H~31FH，其中，00H~0FH為16個(gè)寄存器地址，寄存器分為4頁，與NE2000兼容的只有前3頁，第4頁是RTL8019AS自己定義的，對于其他兼容NE2000的芯片無效，所以為了保證驅(qū)動(dòng)程序?qū)λ蠳E2000兼容的網(wǎng)卡都有效，不要去操作第4頁的寄存器。10H~17H為8個(gè)遠(yuǎn)程DMA地址，都可以用來做遠(yuǎn)程DMA地址，使用其中一個(gè)即可，微控制器通過讀寫數(shù)據(jù)端口10H~17H實(shí)現(xiàn)對緩沖區(qū)的訪問。18H~1FH共8個(gè)地址為復(fù)位端口，它們功能一樣，使用其中一個(gè)即可，用于RTL8019AS的熱復(fù)位。

2.2 嵌入式TCP/IP實(shí)現(xiàn)

TCP/IP協(xié)議族是一組不同層次上的多個(gè)協(xié)議的組合，分為鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。對于8位單片機(jī)來說，由于其處理速度和存儲能力的問題，要實(shí)現(xiàn)完整的TCP/IP協(xié)議棧是比較困難的，因此要根據(jù)其特點(diǎn)及自己的需求，對協(xié)議進(jìn)行裁剪，保留其核心部分。該系統(tǒng)只實(shí)現(xiàn)了ARP,IP,ICMP,UDP,TCP協(xié)議，采用C語言編寫。

在鏈路層上，首先要解決RTL8019AS的驅(qū)動(dòng)問題，驅(qū)動(dòng)程序包括三部分：以太網(wǎng)接口芯片初始化程序、發(fā)送數(shù)據(jù)程序和接收數(shù)據(jù)程序，它們屏蔽了底層硬件處理細(xì)節(jié)，同時(shí)向上層軟件提供與硬件無關(guān)的接口。驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒁逊庋b好的待發(fā)送數(shù)據(jù)按指定格式寫入芯片并啟動(dòng)發(fā)送命令，8019會(huì)自動(dòng)把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成物理幀格式在信道上傳輸;反之，8019收到物理信號后將其還原成數(shù)據(jù)，按指定格式存放在芯片RAM中以便主機(jī)程序取用，下面給出部分初始化程序，主要是對一些寄存器進(jìn)行設(shè)置，其中，reg00~reg0f為宏定義，代表RTL8019AS內(nèi)地址偏移量為00H~0FH的寄存器地址。

void RTL8019Init()

{ reg00=0x21;/*CR，命令寄存器，選擇頁0，芯片停止運(yùn)行*/

reg01=0x4c;/*PSTART，頁起始寄存器*/

reg02=0x80;/*PSTOP，頁結(jié)束寄存器*/

reg03=0x4c;/*BNRY，邊界寄存器，用作讀指針*/

reg04=0x40;/*TPSR，發(fā)送頁起始寄存器*/

reg0c=0xcc;/*RCR，接收配置寄存器*/

reg0d=0xe0;/*TCR，發(fā)送配置寄存器*/

reg0e=0xc8;/*DCR，數(shù)據(jù)配置寄存器*/

reg0f=0x00;/*IMR，中斷寄存器，屏蔽所有中斷*/

Page(1);/*切換為頁1*/

reg07=0x4d;/*CURR，當(dāng)前頁寄存器，用作寫指針*/

reg08=0x00;/*MAR0，多址地址寄存器均設(shè)置為0*/

reg09=0x00;/*MAR1*/

reg0a=0x00;/*MAR2*/

reg0b=0x00;/*MAR3*/

reg0c=0x00;/*MAR4*/

reg0d=0x00;/*MAR5*/

reg0e=0x00;/*MAR6*/

reg0f=0x00;/*MAR7*/

SetMacID();/*設(shè)置芯片物理地址*/

reg00=0x22;/*選擇頁0，啟動(dòng)芯片開始工作*/}

頁2的寄存器是只讀的，頁3的寄存器不是NE2000兼容的，所以均不用設(shè)置。首先選擇為頁0，網(wǎng)卡芯片為停止模式，因?yàn)檫€沒有進(jìn)行初始化，設(shè)置0x40~0x4B為網(wǎng)卡的發(fā)送緩沖區(qū)，共12頁，剛好存儲2個(gè)最大的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包；0x4C~0x7F為網(wǎng)卡的接收緩沖區(qū)，共52頁；剛開始時(shí)網(wǎng)卡沒有接收到任何數(shù)據(jù)包，因此BNRY指向第一個(gè)接收緩沖區(qū)的頁0x4C。設(shè)置完頁0的寄存器后切換為頁1，由于設(shè)計(jì)中沒有使用93C46，因此需要在程序中指定芯片的物理地址，寫入到PAR寄存器，然后啟動(dòng)芯片開始工作。讀指針BNRY和寫指針CURR主要用來控制緩沖區(qū)的存取過程，保證能正確讀出和寫入數(shù)據(jù)。

單片機(jī)負(fù)責(zé)RTL8019AS的初始化及通過控制RTL8019AS實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務(wù)，主程序按照以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀分用的思路進(jìn)行編寫，即將單片機(jī)作為服務(wù)器端，初始化完成后使其處于監(jiān)聽狀態(tài)。當(dāng)有數(shù)據(jù)從RJ45過來時(shí)，RTL8019AS在接收和處理完以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀后傳送給單片機(jī)，單片機(jī)對數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析，如果是ARP數(shù)據(jù)包，則程序轉(zhuǎn)入ARP處理程序;如果是IP數(shù)據(jù)包且IP地址正確，則繼續(xù)分析若是ICMP包，則調(diào)用ICMP處理程序，若是UDP或TCP數(shù)據(jù)包，則解包后將數(shù)據(jù)存儲或從串口輸出。反之，當(dāng)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，單片機(jī)按照各層協(xié)議格式將數(shù)據(jù)打包，送入RTL8019AS的緩存區(qū)，由RTL8019AS將數(shù)據(jù)輸出到局域網(wǎng)中，主程序的框架如下：

if(有新數(shù)據(jù)包)

{if(RxdNetBuff.EtherFrame.NextProtocal==0x0806) /*表示接收到ARP數(shù)據(jù)包*/

{if(RxdNetBuff.ArpFrame.Operation==0x0001) /*ARP請求*/

{處理ARP請求數(shù)據(jù)包}

else if(RxdNetBuff.ArpFrame.Operation==0x0002) /*ARP回答*/

{處理ARP應(yīng)答數(shù)據(jù)包} }

else if((RxdNetBuff.EtherFrame.NextProtocal==0x0800)&&(IP首部校驗(yàn)正確)) /*表示正確接收到一個(gè)IP數(shù)據(jù)包*/

{ switch(RxdNetBuff.IpFrame.NextProtocal)

{ case 1: /*表示接收到的是ICMP查詢報(bào)文，僅對PING操作進(jìn)行處理*/

if(RxdNetBuff.IcmpFrame.type==8) /*PING請求包*/

{對ping請求的應(yīng)答處理}

else if(RxdNetBuff.IcmpFrame.type==0) /*PING應(yīng)答包*/

{對ping應(yīng)答的處理}

break;

case 6: /*表示接收到的是TCP報(bào)文*/

TCP數(shù)據(jù)包處理;

break;

case 17: /*表示接收到的是UDP報(bào)文*/

UDP數(shù)據(jù)包處理;

break; } } }

在嵌入TCP/IP協(xié)議后，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)的接入，但要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，還需要實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層協(xié)議，這需要網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層的支持，嵌入式TCP/IP協(xié)議在應(yīng)用層上要求簡單，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)HTTP協(xié)議。由于單片機(jī)的資源有限，采用靜態(tài)網(wǎng)頁訪問的形式，使用HTML語言來編寫，網(wǎng)頁代碼存儲在Mega64的片內(nèi)FLASH中。嵌入式系統(tǒng)把要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)、參數(shù)等存入網(wǎng)頁的相關(guān)位置，當(dāng)有客戶端請求連接時(shí)，這些數(shù)據(jù)信息通過HTTP協(xié)議沿TCP連接發(fā)送至瀏覽器，這樣就可以在遠(yuǎn)端PC機(jī)的瀏覽器中訪問存儲在系統(tǒng)中的網(wǎng)頁，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問及控制。

3 結(jié) 語

介紹了一種利用AVR單片機(jī)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接口電路的方法，硬件電路少，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。考慮到單片機(jī)的資源有限，只實(shí)現(xiàn)了與需要有關(guān)的部分協(xié)議，根據(jù)實(shí)際需求做適當(dāng)?shù)男薷暮屯晟凭涂蓱?yīng)用于諸如遠(yuǎn)程抄表、信息家電的遠(yuǎn)程控制、智能小區(qū)等實(shí)時(shí)性要求不高的場合，為了提高數(shù)據(jù)傳輸速度和進(jìn)行復(fù)雜的TCP/IP處理，可以擴(kuò)展32 KB的外部RAM來提高單片機(jī)的數(shù)據(jù)吞吐量，同時(shí)外部RAM也可用作串行口的輸入輸出緩沖。

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作者簡介 張宇翔 男，1962年出生，河南人，副教授，博士。主要從事太陽能電力電子等方面的研究。

劉 偉 男，1983年出生，陜西人，碩士研究生。研究方向?yàn)榍度胧郊夹g(shù)及應(yīng)用。

郭 敏 女，1961年出生，河南人，副教授，碩士。主要從事電子技術(shù)及應(yīng)用等方面的研究。