《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 嵌入式技術(shù) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 基于AVR高性能單片機(jī)的以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)
基于AVR高性能單片機(jī)的以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)
摘要: 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。
關(guān)鍵詞: avr Mega64 以太網(wǎng) RTL8019AS
Abstract:
Key words :

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?,F(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。

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)動問題,驅(qū)動程序包括三部分: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發(fā)送命令,8019會自動把數(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~regof為宏定義,代表RTL8019AS內(nèi)地址偏移量為00H~0FH的寄存器地址。
 

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O,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~Ox4B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O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,然后啟動芯片開始工作。讀指針BN—RY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)。
 

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。