摘 要 : 為實(shí)現(xiàn)基于MMC2107的嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接，文章在簡(jiǎn)要介紹網(wǎng)絡(luò)接口控制器RTL8019AS的基礎(chǔ)上，給出了MMC2107微控制器與網(wǎng)絡(luò)接口控制器RTL8019AS的接口電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)流程。
關(guān)鍵詞 : 嵌入式系統(tǒng); MMC2107; 以太網(wǎng); TCP/IP
1. 引言
嵌入式系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)、以應(yīng)用為中心、軟硬件均可剪裁、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。近年來，隨著計(jì)算機(jī)、微電子、通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)滲透到各個(gè)領(lǐng)域，廣泛用于移動(dòng)計(jì)算機(jī)平臺(tái)、信息家電、無線通信設(shè)備、工業(yè)/商業(yè)控制等諸多領(lǐng)域。
在一些實(shí)際應(yīng)用中，為了實(shí)現(xiàn)多個(gè)MCU（微控制器）之間的信息交流，可以利用CAN、RS232、RS485等總線將MCU組網(wǎng)，但這種網(wǎng)絡(luò)的有效半徑比較有限，有關(guān)的通信協(xié)議也比較少，并且一般是孤立于Internet以外的。Internet現(xiàn)在已經(jīng)成為信息流通的重要渠道，如果嵌入式系統(tǒng)能夠連接到Internet上，則可以方便、低廉地將信息傳送到幾乎世界上的任何一個(gè)地方，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、維護(hù)和升級(jí)，而且能夠使接入Internet的設(shè)備成為網(wǎng)絡(luò)資源的一部分。由于在實(shí)際工作中需要實(shí)現(xiàn)基于MMC2107的嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接，本文以RTL8019AS以太網(wǎng)控制器為基礎(chǔ)，給出了一種嵌入式系統(tǒng)與Intranet/Internet互聯(lián)的設(shè)計(jì)方案，有效地解決了嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接需求。
2. 以太網(wǎng)接口控制器RTL8019AS介紹
當(dāng)前市場(chǎng)上存在多種以太網(wǎng)接口控制器，為縮短開發(fā)周期，在考慮實(shí)際產(chǎn)品功能需求的的基礎(chǔ)上，特選用了臺(tái)灣Realtek公司生產(chǎn)的RTL8019AS以太網(wǎng)接口控制器。RTL8019AS具有功耗低、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，因此在嵌入式系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。
2.1 主要性能
（1）符合Ethernet II與IEEE802.3（10Base5、10Base2、10BaseT）標(biāo)準(zhǔn)；
（2）全雙工，收發(fā)可同時(shí)達(dá)到10Mbps的速率；
（3）內(nèi)置16KB的SRAM，用于收發(fā)緩沖，降低對(duì)主處理器的速度要求；
（4）支持8/16位數(shù)據(jù)總線，8個(gè)中斷申請(qǐng)線以及16個(gè)I/O基地址選擇；
（5）支持UTP、AUI、BNC自動(dòng)檢測(cè)，還支持對(duì)10BaseT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的自動(dòng)極性修正；
（6）允許4個(gè)診斷LED引腳可編程輸出；
（7）100腳的PQFP封裝，縮小了PCB尺寸。
2.2 幀格式
RTL8019AS的發(fā)送和接收采用標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.3幀格式，如圖1所示。有效數(shù)據(jù)不足46B時(shí)需填零補(bǔ)足，超過1500B時(shí)，需要拆成多個(gè)幀傳送。前導(dǎo)碼、幀起始定界符和幀校驗(yàn)序列是幀格式所需的字段，NIC（網(wǎng)絡(luò)接口控制器）去掉這3個(gè)字段，加上幀接收狀態(tài)信息（1B）、下一幀頁地址指針（1B）、該幀的幀長(zhǎng)度（2B）和目的地址、源地址、類型/數(shù)據(jù)字段長(zhǎng)度、有效數(shù)據(jù)一起放入緩沖區(qū)供微控制器使用。在圖1中所示的幀中，類型/數(shù)據(jù)長(zhǎng)度字段有兩個(gè)作用，當(dāng)該字段長(zhǎng)度的值小于或等于1500時(shí)，表示后續(xù)有效數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，反之，表示數(shù)據(jù)幀的類型。比如值為0x0800，表示有效數(shù)據(jù)的內(nèi)容為IP包；值為0x0806，表示有效數(shù)據(jù)的內(nèi)容為ARP包。
2.3 遠(yuǎn)程DMA和本地DMA
RTL8019AS內(nèi)部可以劃分為遠(yuǎn)程DMA（remote DMA）通道和本地DMA（local DMA）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：接收數(shù)據(jù)時(shí)，NIC將接收到的數(shù)據(jù)存到NIC中的接收緩沖區(qū)，收滿一幀后，以中斷或寄存器標(biāo)志的方式通知微控制器；發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，由微控制器發(fā)出傳送命令，控制器將NIC中的發(fā)送緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)按幀格式送到網(wǎng)線上。NIC中還包括一個(gè)FIFO緩沖區(qū)，可對(duì)收發(fā)的數(shù)據(jù)作16個(gè)字節(jié)的緩沖，以減少對(duì)本地DMA請(qǐng)求的頻率。
遠(yuǎn)程DMA負(fù)責(zé)微控制器和RAM間的數(shù)據(jù)傳輸，即由微控制器設(shè)置讀/寫RAM的地址后，通過讀/寫數(shù)據(jù)端口從接收緩沖區(qū)中取出數(shù)據(jù)或者將數(shù)據(jù)送入發(fā)送緩沖區(qū)。
2.4 內(nèi)部RAM地址空間分配
RTL8019AS內(nèi)部有兩塊RAM區(qū)：一塊只有32B，地址為0x0000~0x001f，稱為Prom頁，存儲(chǔ)有本網(wǎng)絡(luò)接口芯片的以太網(wǎng)物理地址。另一塊容量為16KB，地址為0x4000~0x7fff，用于收發(fā)緩沖。
收發(fā)緩沖以頁為單位，每頁256個(gè)字節(jié)，共64頁，頁號(hào)記為0x40~0x80。一般將前12頁（即頁0x40~0x4b）作為發(fā)送緩沖區(qū)，分為兩個(gè)6頁的緩存區(qū)（因一個(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（即頁0x4c~0x7f）作為接收緩沖區(qū)。為了有效利用接收緩沖區(qū)，NIC將接收緩沖區(qū)RAM構(gòu)成FIFO循環(huán)隊(duì)列結(jié)構(gòu)。
2.5 RTL8019AS的內(nèi)部I/O寄存器
RTL8019AS有32個(gè)I/O地址，地址偏移量為00H~1FH。RTL8019AS的所有內(nèi)部寄存器都是8位的，映像到4個(gè)頁面：PAGE0、PAGE1、PAGE2、PAGE3，每個(gè)頁面有16個(gè)可供讀寫的寄存器地址（00H~0fH），由RTL8019AS的CR（Command Register命令寄存器）中的PS1、PS0位決定要訪問的頁。微控制器通過讀寫數(shù)據(jù)端口（10H~17H）實(shí)現(xiàn)對(duì)緩沖區(qū)的訪問，8個(gè)數(shù)據(jù)端口功能相同，只要使用其中一個(gè)即可。復(fù)位端口（18H~1FH）功能相同，用于RTL8019AS的熱復(fù)位。
3. 接口電路設(shè)計(jì)
RTL8019AS與主機(jī)有3種接口模式，即跳線模式、PnP模式和RT模式。本開發(fā)平臺(tái)采用跳線模式，JP管腳接高，此時(shí)，RTL8019AS的I/O口基地址、中斷輸出口、介質(zhì)類型的設(shè)置均由跳線器設(shè)定。使用該模式不使用93c46，可簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)接口的軟、硬件設(shè)計(jì)。
網(wǎng)絡(luò)模塊連接原理如圖2所示。RTL8019AS的工作電壓為5V，MCC2107的工作電壓為3.3V，由于5V TTL和3.3V的電平轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)是一樣的，因此兩模塊可以直接相連。以I/O方式訪問RTL8019AS且IOS3~0懸空時(shí)，RTL8019AS對(duì)應(yīng)的I/O地址空間為00300H~0031FH，此時(shí)僅需要將地址線A[4:0]與MMC2107的外地址總線相連，A[19:10]、A[6:5]接地，A[8:7]接高即可。
注：RTL8019AS的管腳懸空時(shí)為低電平。
因?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸采用16位數(shù)據(jù)總線，所以IOCS16管腳加10K電阻上拉，使之為有效電平信號(hào)。RTL8019AS的命令寄存器均為8位，且數(shù)據(jù)均從低8位數(shù)據(jù)線送出，因此MMC2107訪問命令寄存器時(shí)使用數(shù)據(jù)總線DATA[23:16]，訪問數(shù)據(jù)寄存器時(shí)使用數(shù)據(jù)總線DATA[31:16]。根據(jù)EBI的傳送情況，在設(shè)計(jì)中MMC2107的外地址總線ADDR[5:1]和RTL8019AS的地址線A[4:0]相連。
同時(shí)，根據(jù)RTL8019AS占用的外部存儲(chǔ)器地址空間情況，各寄存器端口地址定義如下：
#define NE_BASE 0x81800001
#define NE_CR (*(INT8U*)(NE_BASE+0))
…
#define NE_DMA (*(INT16U*)(0x81800000+0x20))
4. 接口程序設(shè)計(jì)
網(wǎng)絡(luò)模塊通信過程主要分為模塊復(fù)位、初始化、接收控制和發(fā)送控制四部分，下面分別予以討論。
1. 復(fù)位
RTL8019AS的復(fù)位方式有冷、熱兩種。RESDRV為RTL8019AS的復(fù)位管腳，給該引腳施加一個(gè)1μs以上的高電平就可以實(shí)現(xiàn)冷復(fù)位。先讀再寫復(fù)位端口，可實(shí)現(xiàn)熱復(fù)位。因?yàn)閺?fù)位過程將執(zhí)行一些操作，因此應(yīng)等待100ms之后再對(duì)RTL8019AS操作，以確保復(fù)位完全。
2. 初始化過程
復(fù)位后初始化所需寄存器(初始化頁0與頁1的相關(guān)寄存器，頁2的寄存器是只讀的，不能設(shè)置，頁3的寄存器不是NE2000兼容的，不用設(shè)置)。初始化主要完成：設(shè)置發(fā)送和接收條件；對(duì)網(wǎng)卡緩沖區(qū)RAM進(jìn)行劃分，建立接收和發(fā)送緩沖環(huán)；設(shè)置網(wǎng)卡地址寄存器，賦予本網(wǎng)卡一個(gè)物理地址。
3. 接收過程
微控制器完成對(duì)RTL8019AS的初始化后，NIC就處于接收狀態(tài)，一旦收到幀數(shù)據(jù)，就自動(dòng)執(zhí)行本地DMA，將NIC FIFO中的數(shù)據(jù)送入接收緩沖環(huán)，然后向主機(jī)發(fā)送“接收到數(shù)據(jù)幀”中斷請(qǐng)求。
接收數(shù)據(jù)幀也可采用查詢方式。在查詢方式下，主程序讀取CURR和BNRY兩個(gè)寄存器的值，當(dāng)BNRY與CURR不等時(shí)，說明接收緩沖區(qū)接收到了新的幀，主程序讀取數(shù)據(jù)后，以所讀取幀的第二個(gè)字節(jié)（下一幀的頁地址）更新BNRY，主程序循環(huán)跟蹤判斷CURR和BNRY的值是否相等，達(dá)到數(shù)據(jù)接收的目的。
在實(shí)時(shí)多任務(wù)的環(huán)境中，一般采用中斷方式來處理RTL8019AS的數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束、出錯(cuò)事件等中斷。文章采用中斷方式，設(shè)置邊沿端口模塊(EPORT)的外中斷引腳INT2#為下降沿檢測(cè)的中斷。
4. 發(fā)送過程
微控制器先執(zhí)行遠(yuǎn)程DMA寫操作，將RAM中的數(shù)據(jù)分組傳至RTL8019AS發(fā)送緩沖區(qū)，再啟動(dòng)本地DMA，將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)上。主程序在發(fā)送一幀數(shù)據(jù)時(shí)，先要查TSR寄存器判斷上一幀是否發(fā)送完畢，再發(fā)送本幀。
5. 結(jié)束語
本文提出了MMC2107微控制器與網(wǎng)絡(luò)接口控制器RTL8019AS的互聯(lián)方案，并給出了詳細(xì)的軟硬件設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)流程。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于MMC2107微控制器的嵌入式系統(tǒng)與Internet的互聯(lián)，增強(qiáng)了嵌入式系統(tǒng)的功能�，F(xiàn)該產(chǎn)品已經(jīng)投入實(shí)際應(yīng)用，使用效果良好。該系統(tǒng)還可以廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制領(lǐng)域，有很高的實(shí)用價(jià)值。
