嵌入式系統(tǒng)以太網(wǎng)接口的設(shè)計

摘要：介紹以8051系列單片機系統(tǒng)為例的嵌入式系統(tǒng)與10Mbps以太網(wǎng)控制器芯片DM9008的硬件接口電路的實現(xiàn)及編程方法。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 以太網(wǎng) DM9008芯片 單片機 TCP/IP協(xié)議

目前，以太網(wǎng)(Ethernet)協(xié)議已經(jīng)非常廣泛地應(yīng)用于各種計算機網(wǎng)絡(luò)，如辦公局域網(wǎng)、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)、因特網(wǎng)等場合，并且還不斷地發(fā)展?；谝蕴W(wǎng)的新技術(shù)和聯(lián)網(wǎng)設(shè)備不斷出現(xiàn)，以太網(wǎng)已經(jīng)成為事實上最常用的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)之一。

但是，基于以太網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)目前并是很多。其原因除了嵌入式系統(tǒng)本身運行速度較慢、資源較少且不足以實現(xiàn)以太網(wǎng)的各種協(xié)議外，更重要是設(shè)計以太網(wǎng)的接口及協(xié)議相對比較復(fù)雜，使人望而卻步。

本文將介紹以8051系列單片機系統(tǒng)為例的嵌入式系統(tǒng)與10Mbps以太網(wǎng)控制器芯片DM9008的接口電路實現(xiàn)及編程方法。

1 以太網(wǎng)控制器DM9008簡介

DM9008是臺灣DAVICOM公司生產(chǎn)的基于ISA總線的10M超級以太網(wǎng)控制器芯片。這集成了介質(zhì)訪問控制子層(MAC)和物理層的功能，可以方便地設(shè)計基于ISA總線的系統(tǒng)，也可以比較簡單地與通用單片機進行接口。

主要特點如下：

·實現(xiàn)IEEE 802.3協(xié)議、10BASE-T、10BASE2和10BASE5的單片貢解決方案;

·集成ISA總線接口、8K×16 SRAM、介質(zhì)訪問控制(MAC)、編解碼器(ENDEC)和10BASE-T收發(fā)器;

·與NOVELL NE2000軟件兼容;

·可選8根中斷申請線;

·自動極性檢測和糾正;

·可選8、16位模式;

·外部可編程EEPROM;

·單5V電源低功耗CMOS設(shè)計;

·100腳PQFP封裝。

由于該芯片功能較強，配置有較多的引腳，但在與一般單片機接口時只需要用到其中的一部分即可完成常用的功能。

2 與8051單片機系統(tǒng)的接口電路

下面介紹國內(nèi)最常用的8051系列單片機與DM9008的接口電路，實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)接口采用無屏蔽雙絞線(UTP)RJ-45接口。

圖1給出了8051單片機系統(tǒng)與DM9008網(wǎng)絡(luò)控制器的接口電路框圖。 8051單片機系統(tǒng)所提供的接口信號線為：P0的8位數(shù)據(jù)總線D0～D7、5根經(jīng)過鎖存的地址線A0～A4、讀信號線RD、寫信號線WR、經(jīng)過譯碼產(chǎn)生的片選線CS1和經(jīng)過反相后高電平有效地中斷請求線INT。這些信號線分別與DM9008的數(shù)據(jù)線低8位SD0～SD7、地址線低5位SA0～SA4、 I/O讀信號線IOR、I/O寫信號線IOW、地址使能線AEN和8根中斷請求線中的一根IRQ12相連。

DM9008的復(fù)位線RST與8051單片機的復(fù)位線同為高是電平有效，故在系統(tǒng)上電時同時復(fù)位。時鐘電路只需外接1個20MHz的晶振及2個電容即可。

DM9008有16根數(shù)據(jù)線，與8051單片機接口，只需用到低8位數(shù)據(jù)線，其它高8位數(shù)據(jù)線不骼，IO16接高電平或浮空，MD6/SLOT接地。地址線有SA0～SA19共20根，只用到低5位SA0～SA4與單片機相連，SA5～SA7接地、SA8～SA9 接高電平，其它高地址位全部接地。這樣對于DM9008內(nèi)部來說，I/O的基地址為300H。另外BALE、SYSCLK接地，SMEMR、MEMW、 MEMR浮空。DM9008有8根中斷請求線，可以先1根與8051系統(tǒng)的中斷線相連，其它7根線均浮空，所選線在EEPROM93C46中指定。

EEPROM 93C46是一個采用4線SPI串行接口的電可擦除存儲器，容量為64×16位(即128個字節(jié))，主要保存DM9008的配置信息，如網(wǎng)絡(luò)硬件地址、 I/O基地址、中斷線選擇等配置寄存器內(nèi)容，在DM9008復(fù)位后讀取93C46的內(nèi)容并設(shè)備內(nèi)部配置寄存器的值。如果93C46中內(nèi)容不正確，DM9008就無法正常工作。所以通常先通過編程器把配置數(shù)據(jù)寫入93C46，再把它焊在電路板上。DM9008通過EECS、EEDI、EEDO、 EECK與93C46相連。

由于本設(shè)計只使用10BASE-T，即采用無屏蔽雙絞線的RJ45接口，而 DM9008已內(nèi)置了10BASE-T的收發(fā)器，故接口部分電路比較簡單，只需要外接1個隔離濾波器LAN7236即可。TPTX+、TPTX-為發(fā)送線，TPRX+、TPRX-為接收線，經(jīng)隔離后的4根線與RJ45接口相連。對于其它型號的單片機，如16位單片機80C196KC等，其接口電路只需稍作修改即可改為16位數(shù)據(jù)總線方式。

3 軟件設(shè)計

DM9008的編程包括初始化、發(fā)送、接收三部分功能。在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)以前要進行必需的檢測和初始化。DM9008的初始化主要是設(shè)置所需的寄存器狀態(tài)，建立網(wǎng)絡(luò)接口收發(fā)的條件。

網(wǎng)絡(luò)接口通過2個DMA操作來完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。本地DMA完成DMA9008與其內(nèi)部FIFO隊列之間的數(shù)據(jù)傳送，遠程DMA完成DM9008與CPU之間的數(shù)據(jù)傳送。

DM9008可尋址的空間有32個，分別為00H～1FH。其中00H～0FH是寄存器區(qū)，00H～1FH。其中00H～0FH是寄存器區(qū)，00H作為命令寄存器，通過設(shè)置可選擇3個頁面，10H～17H為數(shù)據(jù)端口，18H～1FH為復(fù)位端口。

3.1 DM9008的初始化

DM9008的具體初始化過程如下(CPU對DM9008的尋址需要加上基地址，為了描述方便，省略掉基地址直接用DM9008的內(nèi)部地址描述寄存器地址)：

(1)讀入1FH端口數(shù)據(jù)，再寫回該地址以啟動DM9008工作。

(2)向命令寄存器CR(00H)寫入21H，選擇寄存器頁面0，并進行軟件復(fù)位。

(3)設(shè)置數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)寄存器DCR(0EH)為48H。

(4)設(shè)置方式狀態(tài)寄存器TCR(0DH)為02H。

(5)讀出網(wǎng)絡(luò)的物理地址：

a.設(shè)置遠程DMA計數(shù)器RBCR1(0BH)、RBCR0(0AH)的值為000CH;

b.設(shè)置遠程DMA地址RSAR1(09H)、RSAR0(08H)的值為0000H;

c.設(shè)置命令寄存器CR(00H)為遠程DMA讀，即0AH;

d.重復(fù)從數(shù)據(jù)端口(10H)讀6個字節(jié)，這6個字節(jié)即網(wǎng)絡(luò)物理地址;

e.停止遠程DMA，設(shè)置CR為21H，RBCR1、RBCR0為0000H。

(6)設(shè)置接收狀態(tài)寄存器RCR(0CH)為04H。

(7)劃分緩沖區(qū)接收緩沖區(qū)和發(fā)送緩沖區(qū)，并建立接收緩沖環(huán)。將DM9008內(nèi)部RAM地址為4000H～4BFFH設(shè)置為發(fā)送緩沖區(qū)，4C00H～7FFFH設(shè)置為接收緩沖區(qū)，即設(shè)置PSTART(01H)為 4CH，PSTOP(02H)為80H，BNRY(03H)為4CH。

(8)設(shè)置CR為61H，選擇頁面1。

(9)設(shè)置網(wǎng)卡地址寄存器，把PAR0(01H)～PAR5(06H)設(shè)置為前面讀出的物理地址。

(10)設(shè)置當(dāng)前頁面寄存器CURR(07H)為PSTART+1，即4DH。

(11)清除多址寄存器，即MAR0(08H)～MAR7(0FH)為00H。

(12)設(shè)置CR為21H，選擇寄存器頁面0。

(13)清除中斷狀態(tài)寄存器ISR(07H)為0FFH。

(14)設(shè)置中斷屏蔽寄存器IMR(0FH)為3BH，即接收中斷允許、接收錯誤中斷允許、發(fā)送錯誤中斷允許、溢出中斷允許、計數(shù)器溢出中斷允許。

(15)設(shè)置發(fā)送設(shè)置寄存器TCR(0DH)為00H。

(16)設(shè)置CR為22H，芯片進入工作狀態(tài)。

至此，DM9008的初始化過程完成，DM9008處于接收狀態(tài)。只要網(wǎng)絡(luò)上有可以接收的數(shù)據(jù)包，DM9008自動將數(shù)據(jù)存入接收緩沖區(qū)并在收完后向CPU發(fā)中斷申請。

3.2 接收數(shù)據(jù)

DM9008收到一個完整的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包后，向CPU發(fā)出中斷請求，CPU響應(yīng)DM9008的中斷申請后，進入中斷服務(wù)程序并開始接收數(shù)據(jù)，具體過程如下：

(1)讀出中斷狀態(tài)寄存器ISR，并寫回該寄存器。

(2)判斷是否數(shù)據(jù)接收中斷，如果不是，不執(zhí)行以下步驟。

(3)設(shè)置CR為22H，選擇頁面0。

(4)設(shè)置遠程DMA地址寄存器RSAR1、RSAR0為接收地址指針，該指針高位字節(jié)初始值位PSTART+1，低位字節(jié)為0。

(5)設(shè)置遠程DMA計數(shù)器RBCR1、RBCR0為0004H;

(6)設(shè)置CR為遠程讀0AH，讀數(shù)據(jù)端口，讀出4個字節(jié)，這4個字節(jié)第1字節(jié)表示接收狀態(tài)，第2個字節(jié)為下一包開始地址指針，第3～4個字節(jié)為本數(shù)據(jù)包的長度(高位字節(jié)在前)。

(7)設(shè)置CR為22H，遠程DMA完成。

(8)根據(jù)接收狀態(tài)判斷數(shù)據(jù)包是否接收正確，如果接收正確，啟動遠程DMA，收取該數(shù)據(jù)包并進行處理。

(9)結(jié)束遠程DMA，設(shè)置下一次接收數(shù)據(jù)指針和接收邊界指針。

3.3 發(fā)送數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)的發(fā)送過程應(yīng)包含三個步驟：數(shù)據(jù)包的封裝;通過遠程DMA將數(shù)據(jù)包送入DMA9008的數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū);通過DM9008的本地DMA將數(shù)據(jù)送入FIFO進行發(fā)送。具體過程如下：

(1)數(shù)據(jù)包在發(fā)送前應(yīng)該按規(guī)定的格式封裝好，格式如下：

目的地址(6字節(jié))源地址(6字節(jié))協(xié)議(2字節(jié))數(shù)據(jù)(不小于46字節(jié))

(2)把上面的數(shù)據(jù)包通過遠程DMA寫送入DM9008的數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)。

a.設(shè)置CR為22H，選擇寄存器頁面0;

b.設(shè)置中斷狀態(tài)寄存器ISR為40H，清除發(fā)送完成標(biāo)志;

c.設(shè)置遠程DMA地址寄存器RSAR1、RSAR0為4000H，即發(fā)送緩沖區(qū)開始地址;

d.設(shè)置遠程DMA字節(jié)計數(shù)寄存器RBCR1、RBCR0為發(fā)送數(shù)據(jù)包的長度;

e.設(shè)置CR為12H，設(shè)置命令寄存器為遠程DMA寫;

f.往數(shù)據(jù)端口寫入發(fā)送數(shù)據(jù);

g.查詢中斷狀態(tài)寄存器ISR，等待遠程DMA完成;

h.設(shè)置CR為22H，設(shè)置RBCR1、RBCR0為0，遠程DMA停止;

i.設(shè)置ISR為40H，清除發(fā)送完成標(biāo)志。

(3)啟動本地DMA，把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

a.設(shè)置發(fā)送字節(jié)計數(shù)器TBCR1(06H)、TBCR0(05H)為發(fā)送數(shù)據(jù)包的長度;

b.設(shè)置發(fā)送頁面起始地址TPSR(04H)為40H，即發(fā)送緩沖區(qū)開始地址高位字節(jié);

c.設(shè)置命令寄存器CR為26H，啟動發(fā)送。

3.4 高層通信協(xié)議

上述發(fā)送、接收過程所完成的協(xié)議是MAC層和物理層的協(xié)議。要真正實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)與以太網(wǎng)上其它設(shè)備(如PC機)之間的通信，還需要在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)更高層的通信協(xié)議，如TCP/IP協(xié)議，這樣PC機的程序員就可以使用TCP/IP協(xié)議透明地訪問嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

因此上述以8051單片機系統(tǒng)為例的嵌入式系統(tǒng)的軟件設(shè)計中除了實現(xiàn)收發(fā)數(shù)據(jù)的功能外，還需要實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議及更高層的應(yīng)用層協(xié)議才能真正實現(xiàn)整個系統(tǒng)的通信功能。由于TCP/IP協(xié)議的實現(xiàn)通常采用C語言，并且有現(xiàn)成的源程序，所以在用8051系列單片機編程時，可采有C51語言并參考TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)的源程序來具體實現(xiàn)。有關(guān)這方面內(nèi)容，可以查看有關(guān)TCP/IP協(xié)議方面的資料。