單片機(jī)實(shí)現(xiàn)串口協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)化
網(wǎng)卡RAM區(qū)如圖2所示,我們?cè)O(shè)置PSTART和PSTOP,就決定了接收區(qū)域在46和7F之間,剩下6頁作為發(fā)送緩沖區(qū),可以滿足一次發(fā)送容量為1514byte的最大以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的要求。CURR初始值設(shè)為47,BNRY初始值設(shè)為46。當(dāng)收到新的數(shù)據(jù)包時(shí)(例如3頁),網(wǎng)卡將它們依次放到47、48和49頁,CURR自動(dòng)指向4A頁。當(dāng)我們讀完這3頁的數(shù)據(jù)包后,要將BNRY改為49,以通知網(wǎng)卡數(shù)據(jù)包已經(jīng)讀完了。
網(wǎng)卡芯片接收到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包后,存在CURR指向的頁面中。一個(gè)數(shù)據(jù)包可以占據(jù)一頁,也可以占據(jù)多頁。在接收包的包頭里,保存有該包的信息。包頭格式如表1:
讀完這個(gè)包頭,我們就能知道本包的接收狀態(tài),包長度,以及下一個(gè)包的位置。在接收循環(huán)中,檢查中斷狀態(tài)寄存器ISR狀態(tài),發(fā)現(xiàn)有新包來,先讀取包頭信息,接著按照包頭指示讀取全包,然后改寫B(tài)NRY,再接著讀下一個(gè)包,這樣循環(huán),直到達(dá)到CURR位置。注意,一個(gè)包有可能占據(jù)接收緩沖區(qū)的首、尾頁面,此時(shí)須小心讀取。 發(fā)送數(shù)據(jù)包比較簡單,將準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)用DMA傳到發(fā)送緩沖區(qū),然后設(shè)置發(fā)送長度到TBCR1和TBCR0中,再設(shè)置傳輸開始頁面,即令TPSR=0x40,最后,使CR=0x26,就開始傳送了。 傳送完成后要清掉中斷狀態(tài)寄存器ISR的發(fā)送完成標(biāo)志。值得注意的是,發(fā)送包的包長度不能小于以太網(wǎng)規(guī)定的60byte,否則網(wǎng)卡不會(huì)將其發(fā)出。 3 TCP/IP協(xié)議在單片機(jī)上的軟件設(shè)計(jì) 3.1 TCPIP協(xié)議棧和鏈路層格式 Internet上使用的是TCP/IP協(xié)議簇,由下至上包含四層:數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層(IP)、傳輸層(TCP)和應(yīng)用層。我們?cè)趩纹瑱C(jī)上能實(shí)現(xiàn)的是數(shù)據(jù)鏈路層的功能,上層協(xié)議鑒于單片機(jī)有限的資源,只能實(shí)現(xiàn)部分功能。TCP/IP協(xié)議棧如表2:
數(shù)據(jù)鏈路層處于協(xié)議棧的最低層,傳輸以太網(wǎng)的物理傳輸幀,其幀格式如表3:
數(shù)據(jù)鏈路層是所有TCP/IP包的基礎(chǔ),所有它上層的包都被封裝到鏈路層幀的數(shù)據(jù)段中。鏈路層就是MAC對(duì)MAC的通信。 3.2 PING命令在單片機(jī)上的實(shí)現(xiàn) PING是網(wǎng)絡(luò)層(IP層)的命令,網(wǎng)絡(luò)層就是IP對(duì)IP之間的通信。主機(jī)對(duì)一個(gè)目標(biāo)IP地址發(fā)出狀態(tài)請(qǐng)求,后者發(fā)出回應(yīng),這樣,就可以用來檢查兩者之間的線路是否暢通。這里涉及到兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議: ARP和ICMP。首先,網(wǎng)絡(luò)中要知道目標(biāo)IP的MAC地址,才能發(fā)送數(shù)據(jù)。為了獲取該地址,我們向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送一個(gè)ARP廣播包,詢問該IP對(duì)應(yīng)的MAC地址,然后目標(biāo)IP應(yīng)答,我們就從應(yīng)答信息中得到MAC地址。其次,發(fā)送一個(gè)ICMP包,請(qǐng)求目標(biāo)IP狀態(tài),目標(biāo)IP回應(yīng),就完成網(wǎng)絡(luò)連接測試。在我們的實(shí)驗(yàn)中,發(fā)出PING命令的是網(wǎng)絡(luò)中的PC主機(jī),接收信號(hào)并產(chǎn)生響應(yīng)的是我們的單片機(jī)系統(tǒng)。我們假定單片機(jī)系統(tǒng)控制的網(wǎng)卡的IP為192.168.0.176。 第一步,實(shí)現(xiàn)ARP協(xié)議。ARP協(xié)議是"AddressResolutionProtocol"(地址解析協(xié)議)的縮寫,它的作用是將IP地址轉(zhuǎn)換成物理地址(就是常說的MAC地址)。協(xié)議ARP的分組格式如表4:
當(dāng)單片機(jī)主處理器處理網(wǎng)卡收到的ARP廣播請(qǐng)求時(shí),如果發(fā)現(xiàn)是請(qǐng)求“192.168.0.176”的MAC地址,于是按要求打一個(gè)ARP應(yīng)答包,將自己的MAC地址放到應(yīng)答包中,發(fā)送回網(wǎng)絡(luò)就完成了PING的第一步。注意,要在應(yīng)答包尾加18byte的補(bǔ)丁,否則應(yīng)答包長度不滿足最小60byte的要求。 第二步,實(shí)現(xiàn)ICMP協(xié)議。ICMP是“InternetControlMessageProtocol”(Internet控制消息協(xié)議)的縮寫。用于在IP主機(jī)、路由器之間傳遞控制消息??刂葡⑹侵妇W(wǎng)絡(luò)通不通、主機(jī)是否可達(dá)、路由是否可用等網(wǎng)絡(luò)本身的消息。這些控制消息雖然并不傳輸用戶數(shù)據(jù),但是對(duì)于用戶數(shù)據(jù)的傳遞起著重要的作用。 ICMP是封裝在IP協(xié)議中,所以有IP包頭。 ICMP協(xié)議結(jié)構(gòu)如表5:
網(wǎng)絡(luò)主機(jī)在收到ARP的應(yīng)答包后,取出其中的MAC地址,然后向該MAC發(fā)出ICMP請(qǐng)求。主處理器處理該請(qǐng)求時(shí),將請(qǐng)求包的標(biāo)識(shí)和序列號(hào)對(duì)應(yīng)填入ICMP應(yīng)答包,其它部分按要求填寫。校驗(yàn)和的計(jì)算有成熟的公式,容易計(jì)算,只要先把校驗(yàn)和部分置0,將包頭的計(jì)算結(jié)果再填入校驗(yàn)和就可以了。 最后將該ICMP應(yīng)答包送入網(wǎng)絡(luò),這樣就完成了PING的全過程。此時(shí),發(fā)出PING命令的網(wǎng)絡(luò)主機(jī)就會(huì)得到“Replyfrom192.168.0.176:bytes=32time<10msTTL=128”的信息。 4 串行數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換的討論 網(wǎng)絡(luò)層之上,有兩種傳輸層協(xié)議:TCP(Trans2missionControlProtocol)和UDP(UserDatagramProtocol)。對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸要求高的場合,需要使用TCP協(xié)議作為雙方通信方式,但此種方式較為復(fù)雜。而對(duì)于一些實(shí)時(shí)信號(hào)及其反向控制信號(hào)的傳遞,實(shí)現(xiàn)UDP協(xié)議就可以滿足要求了。表6是UDP協(xié)議結(jié)構(gòu):
當(dāng)原始數(shù)據(jù)從串口送到到主處理器后,主處理器將其打包成UDP報(bào)文,發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中。網(wǎng)絡(luò)端監(jiān)控主機(jī)接收并處理該UDP報(bào)文,然后將控制信息同樣以UDP報(bào)文發(fā)出。主處理器把網(wǎng)絡(luò)控制信號(hào)返回給串口。這樣,我們?cè)贗nternet中就可以方便地完成對(duì)現(xiàn)場串口數(shù)據(jù)源的監(jiān)視和控制過程。 5 結(jié)語 因?yàn)閱纹瑱C(jī)對(duì)于各種電器設(shè)備有良好的接入和控制能力,所以,我們實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接入功能后,就在電器的硬件設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)之間建起了一道橋梁。通過它,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種實(shí)時(shí)信號(hào)、儀器儀表、家用設(shè)施等目標(biāo)的遠(yuǎn)程監(jiān)視,在宏觀上對(duì)各種設(shè)備統(tǒng)一管理,實(shí)現(xiàn)人與系統(tǒng)的和諧的交互。這必將大大提高工作效率,改善工作環(huán)境,提升人們的生產(chǎn)、生活水平。
本文深入研究了使用單片機(jī)控制網(wǎng)卡,接入以太網(wǎng)Ethernet,即IEEE802.3協(xié)議網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)串口儀器的網(wǎng)絡(luò)化。
1 硬件結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計(jì)
1.1 總體設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用ATMEL公司8位通用微控制器AT89C51作為主處理器,驅(qū)動(dòng)REALTEK公司的10M以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS,實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)和外部網(wǎng)絡(luò)互連。
1.2 網(wǎng)卡接線設(shè)計(jì)
RTL8019AS為100管腳PQFP封裝,工作電壓5V。其接線原理圖如圖1所示。地址SA0-4接到單片機(jī)P2的低五位上;SA8和SA9接電源;其余SA5-7,SA10-19這13個(gè)管腳全部接地;IORB和IOWB分別接單片機(jī)的讀寫信號(hào)端;RSTDRV接到P1.2上;8位數(shù)據(jù)SD0-7按順序接到單片機(jī)P0.020.7腳;TPOUT+和PTOUT-是發(fā)送管腳對(duì),連接到RJ45口的發(fā)送腳1和2;而TPIN+和TPIN-則是接收管腳對(duì),連接到RJ45口的接收腳3和6;管腳X1和X2之間接20M的晶振及接地電容;LED0和LED1分別串接發(fā)光二極管和1k8電阻,連到5V電源上;IOCS16B管腳串接27k8電阻接地;管腳BD0-3(IOS0-3)是負(fù)責(zé)定義基地址位置的,全部懸空,作為0輸入。
LED0默認(rèn)表示通信沖突COL,LED1表示接收數(shù)據(jù)包。發(fā)送對(duì)和接收對(duì)不能直接接到RJ45插頭上,要通過隔離電壓模塊(選用20F-01)和RJ45相連。網(wǎng)卡有16bit數(shù)據(jù)線,可以使用16bit或8bit模式傳送數(shù)據(jù),使IOCS16B管腳為低,我們選中的是8bit模式。
1.3 串行接口部分
1串口部分采用MAX232和9針串口。單片機(jī)P3.0/RXD0和P3.0/RXD0通過MAX232芯片分別接到串口的2針和3針上。串口5針接地。
串行口選擇工作方式1,這時(shí)的波特率計(jì)算公式為:
串口在9600波特率時(shí),晶振選用11.0592M,預(yù)設(shè)值算得0xFD,smod=0;晶振選用16MHz,預(yù)設(shè)值為0xF7,smod=1。
2 網(wǎng)卡的初始化和工作過程
2.1 網(wǎng)卡芯片RTL8019AS的控制方法
控制網(wǎng)卡芯片RTL8019AS是通過讀寫芯片上的32個(gè)字節(jié)的控制寄存器組實(shí)現(xiàn)的。另外該芯片含有16kbyte的RAM,地址為0x400020x7fff。這些RAM不能通過單片機(jī)直接尋址,必須通過32個(gè)字節(jié)的控制寄存器組,以DMA方式讀寫它們。
32個(gè)字節(jié)的控制寄存器組可以由單片機(jī)直接尋址,但其基地址是通過管腳BD0-3(IOS0-3)配置的。電路中將四個(gè)管腳全部懸空,全0輸入,產(chǎn)品資料說明其基地址為300H。
這32個(gè)字節(jié)的控制寄存器組分成4頁,00H寄存器稱為CommandRegister(CR),CR的最高兩位代表目前寄存器處于哪一頁。01H到0FH在不同的頁有不同的意義,同時(shí),即使同一頁,讀和寫代表的意義也可能不同,這一點(diǎn)很值得注意。10H217H是遠(yuǎn)程DMA端口,而18H-1FH是網(wǎng)卡復(fù)位端口。
2.2 DMA數(shù)據(jù)通道
RTL8019AS內(nèi)部劃分為遠(yuǎn)程DMA(RemoteDMA)通道和本地DMA(LocalDMA)通道兩個(gè)部分。本地DMA完成控制器與網(wǎng)線的數(shù)據(jù)交換,遠(yuǎn)程DMA完成主處理器與網(wǎng)卡數(shù)據(jù)交換。單片機(jī)主處理器收發(fā)數(shù)據(jù)只需對(duì)遠(yuǎn)程DMA操作。接收數(shù)據(jù)時(shí),RTL8019AS接收到的數(shù)據(jù)通過MAC比較、CRC校驗(yàn)后,由FIFO存到接收緩沖區(qū),收滿一幀后,以中斷或寄存器標(biāo)志的方式通知主處理器,主處理器通過遠(yuǎn)程DMA通道將其讀出。當(dāng)主處理器要向以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),先將一幀數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程DMA通道送到RTL8019AS中的發(fā)送緩存區(qū),然后發(fā)出傳送命令;RTL8019AS在完成了上一幀的發(fā)送后,再完成此幀的發(fā)送。
所謂的DMA就是直接內(nèi)存訪問(DirectMem2oryAccess)。普通的尋址方式是給出一個(gè)地址,然后取出對(duì)應(yīng)的值。而在DMA方式下,我們指定一個(gè)寄存器地址,主機(jī)只要反復(fù)地讀取或?qū)懭脒@個(gè)地址,就可以取出或?qū)懭氪罅康臄?shù)據(jù)。網(wǎng)卡指定的遠(yuǎn)程DMA端口就是這個(gè)用途。設(shè)置好起始地址和讀出的byte數(shù)后,我們反復(fù)讀遠(yuǎn)程DMA端口,就可以將網(wǎng)卡里從網(wǎng)線收到的數(shù)據(jù)包,從0x400020x7fff的RAM區(qū)讀出;反之,同樣設(shè)置好起始地址和寫入的byte數(shù)后,我們反復(fù)寫遠(yuǎn)程DMA端口,就可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)卡的發(fā)送緩沖RAM中,然后發(fā)出發(fā)送的命令,就可以把數(shù)據(jù)包發(fā)送到網(wǎng)線中。
2.3 網(wǎng)卡的初始化過程
復(fù)位,使RSTDRV先高后低,注意每一步都要有100ms的延時(shí),以確保復(fù)位成功。然后進(jìn)行熱復(fù)位,就是先后讀、寫網(wǎng)卡復(fù)位端口。
使CR=0x21,停止芯片運(yùn)行,選擇頁面0。
使RBCR1=0;RBCR0=0,將遠(yuǎn)程DMA操作的傳輸字節(jié)數(shù)清零。
使PSTART=0x46;PSTOP=0x80;BNRY=0x46,設(shè)置接收開始頁面、結(jié)束頁面和邊界頁面。
使IMR=0x0,清除中斷屏蔽寄存器。
使RCR=0x08+0x04,設(shè)置接收配置寄存器,允許接收多址和廣播報(bào)文。
使TCR=0,設(shè)置發(fā)送配置寄存器,使用默認(rèn)配置。
使DCR=0x80+0x40+0x00,設(shè)置數(shù)據(jù)配置寄存器,選擇字節(jié)DMA。
使ISR=-1,設(shè)置中斷狀態(tài)寄存器,清除所有已有中斷。
使用DMA方式,從0000H2000BH中取得本網(wǎng)卡MAC地址。注意,MAC地址每個(gè)byte都是重復(fù)一遍存放的,所以只要取單數(shù)1、3、5等byte就可以了。
使CR=0x61,選擇頁面1。
將剛才取得的MAC地址放入PAR0-5中。網(wǎng)卡檢查接收到的包是否和PAR里MAC值匹配,然后決定收下或丟棄。所以,也可以任意設(shè)置這個(gè)PAR值,來偽造自己的MAC值。
將MAR02MAR7全部設(shè)為0xFF,允許接收所有的多址數(shù)據(jù)包。
使CURR=0x47,設(shè)置當(dāng)前接收頁面為0x47。
使CR=0x22,啟動(dòng)網(wǎng)卡芯片,開始接收和發(fā)送過程。
2.4 網(wǎng)卡工作接收和發(fā)送過程
網(wǎng)卡RAM是以256byte為一頁,是按頁存儲(chǔ)的結(jié)構(gòu),16bit的RAM地址高8bit又叫頁碼。網(wǎng)卡的16k的RAM地址從0x400020x7fff,從頁0x40到頁0x7f,一共有64頁。64頁被接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包用。接收和發(fā)送都是以頁為最小的單位進(jìn)行的。接收緩沖區(qū)需要定義,剩下的就可以作為發(fā)送緩沖區(qū)。
接收緩沖區(qū)由兩個(gè)寄存器決定:PSTART(PageStartRegister)和PSTOP(PageStopRegister)。設(shè)置了接收緩沖區(qū)之后,這個(gè)緩沖區(qū)就形成了一個(gè)循環(huán)隊(duì)列??刂平邮站彌_區(qū)的有兩個(gè)寄存器CURR、BNRY。CURR是網(wǎng)卡寫緩沖區(qū)的指針,指向當(dāng)前要寫的頁;BNRY是讀指針,指向用戶已經(jīng)讀走的頁。
BNRY不可以超過CURR,否則沒被用戶讀取的數(shù)據(jù)就被覆蓋了。用戶設(shè)置完了CURR以后,就不用管它,網(wǎng)卡接收到新的數(shù)據(jù)后,會(huì)自動(dòng)修改它。用戶讀出數(shù)據(jù)后,要修改BNRY的值,以通知網(wǎng)卡該數(shù)據(jù)已經(jīng)讀出了。