8位單片機(jī)與以太網(wǎng)控制器RTL8029接口的VHDL設(shè)計(jì)

時(shí)間：2006-06-21 01:36:00

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[導(dǎo)讀]以CPLD為器件，采用VHDL語(yǔ)言，設(shè)計(jì)了51單片機(jī)與32位PCI總線以太網(wǎng)控制器RTL8029之間的接口邏輯，實(shí)現(xiàn)了8位單片機(jī)與3 2位以太網(wǎng)控制器之間的通信。

51系列單片機(jī)是當(dāng)前使用最為廣泛的8位單片機(jī)系列，其豐富的開(kāi)發(fā)資源和較低的開(kāi)發(fā)成本，使51系列單片機(jī)現(xiàn)在以至將來(lái)都仍會(huì)有強(qiáng)大的生命力。在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，實(shí)際工作中有將51系列單片機(jī)系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)的需求。由于5 1系列單片機(jī)沒(méi)有集成以太網(wǎng)接口，因此，如何將51系列單片機(jī)系統(tǒng)接入網(wǎng)路是一個(gè)值得探討的課題，其關(guān)鍵就是在硬件上如何實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與以太網(wǎng)控制器的接口。本文將討論這一課題。

1 以太網(wǎng)控制器
    臺(tái)灣Realtek公司的以太網(wǎng)控制器是一種符合IEEE802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的控制器，有RTL8019、RTL8029和RTL8139等系列。其中RTL8019是ISA總線的，較易與8位MCU實(shí)現(xiàn)接口。RTL8029和RTL8139是PCI總線的，不能直接與8位的MCU接口，需要一個(gè)PCI接口進(jìn)行轉(zhuǎn)接?？紤]到目前RTL8029在市場(chǎng)上較容易購(gòu)買(mǎi)，故采用RTL8029以太網(wǎng)控制器作為網(wǎng)絡(luò)接口。
    RTL8029內(nèi)部已經(jīng)包含有整個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口層的協(xié)議 (PHY層和MAC層協(xié)議)，因此應(yīng)用起來(lái)較簡(jiǎn)單。用戶不必考慮鏈路控制問(wèn)題，而只需考慮單片機(jī)如何從RTL8029中去讀TCP／IP協(xié)議的數(shù)據(jù)即可。
    PCI總線信號(hào)有3.3V標(biāo)準(zhǔn)和5V標(biāo)準(zhǔn)，信號(hào)線眾多，但是并不是所有的PCI設(shè)備都使用全部的PCI接口信號(hào)，實(shí)際上只使用它們需要的即可。RTL8029AS以太網(wǎng)控制器遵循5V標(biāo)準(zhǔn)，并且只使用了PCI總線信號(hào)中的以下部分：
    AD[31：0]——數(shù)據(jù)信號(hào)復(fù)用總線。
    FRAME——幀周期信號(hào)，由當(dāng)前主設(shè)備驅(qū)動(dòng)，表示一次訪問(wèn)的開(kāi)始和持續(xù)時(shí)間。
    IRDY——主設(shè)備準(zhǔn)備好信號(hào)。
    TRDY——從設(shè)備準(zhǔn)備好信號(hào)。
    C/BE——總線命令和字節(jié)使能復(fù)用信號(hào)。地址期是總線命令，數(shù)據(jù)期是字節(jié)使能。
    IDSEL——初始化設(shè)備選擇信號(hào)。在參數(shù)配置讀寫(xiě)傳輸期間，用作片選。對(duì)于只有一個(gè)PCI設(shè)備的情況，它可以總接高電平。
    RST——復(fù)位信號(hào)。
    CLK——系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)，頻率范圍DC~33MHz。以上信號(hào)都在CLK的上升沿有效。
    INTA——中斷請(qǐng)求信號(hào)，RTL8029數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后可以用來(lái)向主控制器發(fā)出中斷。
    DEVSEL——設(shè)備選擇信號(hào)，表明驅(qū)動(dòng)它的設(shè)備已成當(dāng)前訪問(wèn)的設(shè)備，由于在單片機(jī)系統(tǒng)中，RTL8029是單一的PCI設(shè)備，因此該信號(hào)可以不用。

2 PCI接口設(shè)計(jì)
    在以太網(wǎng)控制器的接口信號(hào)中，除地址數(shù)據(jù)總線是雙向的外，TRDY信號(hào)由以太網(wǎng)控制器產(chǎn)生，方向?yàn)閺囊蕴W(wǎng)控制器至PCI接口；其余信號(hào)都由接口部分產(chǎn)生，方向是從PCI接口至以太網(wǎng)控制器。
    接口設(shè)計(jì)的思路是：可將PCI接口當(dāng)作單片機(jī)的外部存儲(chǔ)器看待，單片機(jī)以讀寫(xiě)外部存儲(chǔ)器的時(shí)序?qū)CI接口進(jìn)行讀寫(xiě)，再由PCI接口將這種讀寫(xiě)操作時(shí)序轉(zhuǎn)換成PCI時(shí)序?qū)σ蕴W(wǎng)控制器進(jìn)行操作。
    單片機(jī)在進(jìn)行外部存儲(chǔ)器操作時(shí)用到的信號(hào)有PO口、P2口、ALE以及RD和WR信號(hào)。其中，P0口為地址(低8位)／數(shù)據(jù)復(fù)用，P2口為高8位地址信號(hào)；ALE為地址鎖存信號(hào)，為高電平時(shí)將P0口的值鎖存到低8位數(shù)據(jù)線上；RD和WR為讀寫(xiě)有效信號(hào)，低電平有效。因此，PCI接口實(shí)際上是起到一個(gè)從8位單片機(jī)讀寫(xiě)時(shí)序到32位PCI讀寫(xiě)時(shí)序轉(zhuǎn)換的作用，原理框圖如圖1所示，訪目時(shí)序如圖2所示。

    在圖2中，可以完成對(duì)PCI設(shè)備的配置訪問(wèn)與I／O讀寫(xiě)訪問(wèn)，只要有這兩種訪問(wèn)就完全可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)RTL8029的操作。IDSEL信號(hào)只是在配置訪問(wèn)中才起作月，在I／O訪問(wèn)中不使用該信號(hào)。
    FRAME有效后的第一個(gè)時(shí)鐘前沿是地址期的開(kāi)始。此時(shí)在AD總線上傳送地址，在C／BE總線上傳送命令。IRDY有效后即為數(shù)據(jù)期，此時(shí)在AD總線上傳送數(shù)據(jù)，在C／BE總線上傳送字節(jié)使能。但數(shù)據(jù)的傳輸是在IRDY和TRDY同時(shí)有效的時(shí)鐘前沿進(jìn)行。字節(jié)使能指明此時(shí)32位數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)中哪一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)是有效的。
    讀配置的過(guò)程：首先送地址，送命令(命令值為1010B)和字節(jié)使能，再讀配置空間中的內(nèi)容。
    寫(xiě)配置的過(guò)程：首先送地址，送命令(命令值為101lB)和字節(jié)使能，再送配置數(shù)據(jù)。
    讀I／O的過(guò)程：首先送地址，送命令(命令值為0010B)和字節(jié)使能，再讀I／O空間中的內(nèi)容。
    寫(xiě)I／O的過(guò)程：首先送地址，送命令(命令值為001lB)和字節(jié)使能，再送數(shù)據(jù)。
    在I／O訪問(wèn)中，AD[1:O]兩位有特殊要求，需要與C／BE[3：0]相配合。當(dāng)C／BEO有效時(shí)，AD[1：O]必須為00，當(dāng)C／BE3有效時(shí)，AD[1：0]必須為11。在具體訪問(wèn)中，每當(dāng)一個(gè)設(shè)備地址譯碼選中后，便要檢查字節(jié)使能信號(hào)是否與AD[1：0]相符。如果二者矛盾，則整個(gè)訪問(wèn)將無(wú)法完成。因此，寫(xiě)單片機(jī)軟件需要參考PCI總線協(xié)議中關(guān)于這一部分的內(nèi)容，才能正確操作以太網(wǎng)控制器。
    總線命令／字節(jié)使能(C／BE)寄存器的地址有效后的一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，F(xiàn)RAME信號(hào)應(yīng)該有效，表示地址期開(kāi)始，C／BE[3：0]總線上為總線命令，地址期可以只持續(xù)一個(gè)周期，然后立即進(jìn)入數(shù)據(jù)期。在單片機(jī)系統(tǒng)中可以不考慮去支持復(fù)雜的PCI數(shù)據(jù)連發(fā)，進(jìn)入數(shù)據(jù)期后，F(xiàn)RAME信號(hào)應(yīng)立即拉回高電平，此時(shí)C／BE[3：0]總線上為字節(jié)使能。因此FRAME信號(hào)可以用總線命令／字節(jié)使能寄存器的地址信號(hào)來(lái)產(chǎn)生。
    IRDY信號(hào)在數(shù)據(jù)期才有效，因此IRDY也可以由總線命令／字節(jié)使能寄存器的地址信號(hào)來(lái)產(chǎn)生或由FRAME信號(hào)來(lái)產(chǎn)生。
    IDSEL信號(hào)只與配置訪問(wèn)有關(guān)，因此可以通過(guò)總線命令的命令字來(lái)產(chǎn)生。在I／O訪問(wèn)時(shí)。命令字的最高位bit3為O；在配置訪問(wèn)時(shí)。命令字的最高位bit3為l。因此，可以用該位來(lái)產(chǎn)生IDSEL信號(hào)。
    另外前面已說(shuō)明，可將PCI接口當(dāng)作外部存儲(chǔ)器來(lái)訪問(wèn)，因此，要從8位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成32位的數(shù)據(jù)。PCI接口中需要設(shè)計(jì)以下寄存器：
    寄存器0，對(duì)應(yīng)于32位數(shù)據(jù)／地址總線的AD[7：0]，用于寫(xiě)；
    寄存器1，對(duì)應(yīng)于32位數(shù)據(jù)／地址總線的AD[15：8]，用于寫(xiě)；
    寄存器2，對(duì)應(yīng)于32位數(shù)據(jù)／地址總線的AD[23：16]，用于寫(xiě)；
    寄存器3，對(duì)應(yīng)于32位數(shù)據(jù)／地址總線的AD[31：24]，用于寫(xiě)：
    寄存器4，對(duì)應(yīng)于32位數(shù)據(jù)／地址總線的AD[7：O]，用于讀；
    寄存器5，對(duì)應(yīng)于32位數(shù)據(jù)／地址總線的．AD[1 5：8]，用于讀；
    寄存器6，對(duì)應(yīng)于32位數(shù)據(jù)／地址總線的AD[23：16]，用于讀；
    寄存器7，對(duì)應(yīng)于32位數(shù)據(jù)／地址總線的AD[31：24]，用于讀；
    總線命令／字節(jié)使能寄存器，對(duì)應(yīng)于C／BE[3：0]；
    復(fù)位寄存器，用于對(duì)RTL8029AS的硬件復(fù)位操作。
    根據(jù)以上分析，得PCI接口原理框圖，如圖3所示。

3 接口的VHDL實(shí)現(xiàn)

PCI接口的VHDL代碼見(jiàn)本刊網(wǎng)站：www.dpj.com.cn。

以上代碼在Qaartus II下編譯并綜合，占用149個(gè)宏單元的資源，可選用CPLD器件MAx7l60來(lái)完成。

4 結(jié)語(yǔ)
本文所闡述的設(shè)計(jì)方法，已成功應(yīng)用在無(wú)線電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制中，通過(guò)5l單片機(jī)系統(tǒng)接入以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了在網(wǎng)絡(luò)上對(duì)遠(yuǎn)程機(jī)房設(shè)備的無(wú)人監(jiān)控。