【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 和無連接的 UDP。 TCP(Transmission Control Protocol)提供的是面向連接的服務(wù)。在傳送數(shù)據(jù)之前必須先建立連接，數(shù)據(jù)傳送結(jié)束后要釋放連接。由于 TCP 提供的是可靠的、面向連接的運(yùn)輸服務(wù)，因此不可避免的增加了許多的開銷，如確認(rèn)、流量控制、計(jì)時(shí)器以及連接管理等，這些不僅使協(xié)議數(shù)據(jù)單元的首部增大很多，還要占用許多的處理機(jī)資源 。 而嵌入式系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)面臨很多的特殊要求，如處理器速度有限、存儲(chǔ)空間太小、傳輸率等。一般來講，在設(shè)計(jì)嵌入式設(shè)備接口時(shí)，快速、簡(jiǎn)單地與嵌入式設(shè)備進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸是首先要保證的。為了減少與 嵌入式設(shè)備之間的往返信息，使網(wǎng)絡(luò)成為一種更為高效的通信媒介，本設(shè)計(jì)不采用 TCP，而把傳輸實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到 UDP 上來。 UDP(user Datagram Protocol)是一個(gè)簡(jiǎn)單的面向應(yīng)用的傳輸層協(xié)議，不提供可靠信道。 UDP 在傳送數(shù)據(jù)之前不需要先建立連接，傳送數(shù)據(jù)之后不需要等待確認(rèn)，所以傳輸速度很快。 UDP 用戶數(shù)據(jù)報(bào)有兩個(gè)字段 :數(shù)據(jù)字段和首部字段。首部字段很簡(jiǎn)單，只有 8 個(gè)字節(jié)，由 4 個(gè)字段組成，每個(gè)字段都是兩個(gè)字節(jié)。它的首部結(jié)構(gòu)如表 26 所示。 源端口 :占 16bit，用來記錄源端應(yīng)用程序所用的連接端口號(hào)。 目的端口 :占 16bit，用來記錄目的端應(yīng)用程序所用的連接口編號(hào)。 表 26 UDP 用戶數(shù)據(jù)報(bào)首部 源端口 目標(biāo)端口 UDP 頭長(zhǎng)度 校驗(yàn)和 數(shù)據(jù) 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 12 UDP 長(zhǎng)度 :占 16bit， UDP 用戶數(shù)據(jù)報(bào)的長(zhǎng)度 。 校驗(yàn)和 :占 16bit，防止 UDP 用戶數(shù)據(jù)報(bào)在傳輸中出錯(cuò)。 UDP 檢驗(yàn)和覆蓋 UDP 首部和 UDP 數(shù)據(jù)。包括 3 部分 :偽首部、 UDP 首部和應(yīng)用層數(shù)據(jù)。位于 UDP 報(bào)頭前 12 字節(jié)的是偽首部。 UDP 數(shù)報(bào)的長(zhǎng)度可以為奇數(shù)字節(jié)，而檢驗(yàn)和算法是把若干個(gè) 16bit 字相加，解決方法是必要時(shí)在最后增加填充字節(jié) 0，這只 是為了檢驗(yàn)和的計(jì) (也就是說，可能增加的填充字節(jié)不被傳送 )。 UDP 在發(fā)送數(shù)據(jù)之前不需要建立連接，因此減少了開銷和發(fā)送據(jù)之間的時(shí)延 。UDP 用戶數(shù)據(jù)報(bào)的頭部從表 26 可以看出，只有 8 字節(jié)的開始，比 TCP 所需要的 20 個(gè)字節(jié)要短，非常適合存儲(chǔ)容量的八位單片機(jī) 。UDP 不使用擁塞控制，這樣既使需要連入以太網(wǎng)的型嵌入式系統(tǒng)不需要維持具有很多參數(shù)的、復(fù)雜的連接狀態(tài)表，同保證了數(shù)據(jù)的發(fā)送速率，對(duì)某些實(shí)時(shí)性來說也非常重要。 UDP 也正符合某些實(shí)時(shí)應(yīng)用要求以恒定的速率發(fā)送數(shù)據(jù)，并且允許在網(wǎng)絡(luò)發(fā)擁塞時(shí)丟失一些數(shù)據(jù)，但不允許數(shù)據(jù)有太大 的時(shí)延的要求。 杜曉華：基于單片機(jī)的以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì) 12 第 3 章 硬件設(shè)計(jì) 根據(jù)經(jīng)濟(jì)成本低、功能夠用的開發(fā)要求，該網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)分別采用了 AT89S51 和RTL8019AS 以太網(wǎng)控制器芯片來實(shí)現(xiàn)。其中， AT89S51 微控制器主要負(fù)責(zé) TCP/IP 協(xié)議中的網(wǎng)絡(luò)層 (IP 數(shù)據(jù)幀的封裝和拆包 )、傳輸層 (UDP 協(xié)議的實(shí)現(xiàn) )的實(shí)現(xiàn)。 其中通信處理部分主要是根據(jù) UDP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)讀卡器與以太網(wǎng)中監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換 。而數(shù)據(jù)處理部分則是進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的封裝和數(shù)據(jù)提取。根據(jù)這些要求，相應(yīng)的硬件電路方案如圖 31所示。 本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)電路主要由 AT89S5 RTL8019AS 兩 個(gè)主要部分 組 成，擴(kuò)展62256RAM，網(wǎng)絡(luò)接口控制器通過 RJ45 接口接入 Inter。 AT89S51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓、高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含4kbytes 的可系統(tǒng)編程的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器和 128 bytes 的 RAM，器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) 8051 指令系統(tǒng)和引腳。它集 Flash 程序存儲(chǔ)器 (既可在線編程 ISP 也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程 )及通用 8 位微處理器于單片芯片中。 AT89S51 提供如下標(biāo)準(zhǔn) :4K 字節(jié)的 Flash， 128 字節(jié)的內(nèi)部 RAM，看門狗 (WDT)，32 個(gè) I/0 線，兩個(gè) 16 位的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 5 向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行口，片內(nèi)晶振和時(shí)鐘電路。 AT89S51 內(nèi)帶看門狗定時(shí)器，無需外加監(jiān)控芯片，通過軟件 62256 刷卡器 AT89S51 RTL8019AS Inter RJ45 圖 31 系統(tǒng)連接框圖 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 14 設(shè)置就可保證系統(tǒng)可靠的工作。由于 AT89S51 單片機(jī)的高性價(jià)比，它已廣泛用于各種控制領(lǐng)域。 RTL8019AS 是由臺(tái)灣 Realtek 公司生產(chǎn)的高集成以太網(wǎng)控制器芯片，片內(nèi)集成了介質(zhì)訪問控制子層 (MAC)和物理層的性能，更重要的是它可以方便地設(shè)計(jì)基于 ISA 總線的系統(tǒng)，簡(jiǎn) 單的與嵌入式 CPU 或單片機(jī)進(jìn)行接口。另外，它還具有與 NE2020 兼容、軟件移植性好以及低廉的價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)，在市場(chǎng)上的 10Mbps 網(wǎng)卡中占有相當(dāng)?shù)谋壤? RTL8019AS 功能分析 RTL8019AS 主要性能 RTL8019AS 是一片高度集成的以太網(wǎng)控制器，具有曼徹斯特編碼、沖突檢測(cè)和重發(fā)的功能，它可以與很少的外圍電路一起完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收功能。 主要性能： （ 1） 符合 Ether Ⅱ 與 (10base 10base 10base T)標(biāo)準(zhǔn)； （ 2） 全雙工，收發(fā)可同時(shí)達(dá)到 10Mbps 的速率，具有休眠模式，以降低功耗； （ 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 基地地址選擇； （ 5） 可連接同軸電纜和雙絞線，并可自動(dòng)檢測(cè)所連接的媒介類型； （ 6） 支持閃存讀寫； （ 7） 允許 4 個(gè)診斷 LED 引腳可編程輸出； （ 8） 100 腳的 PQFP 封裝，縮小了 PCB 尺寸。 RTL8019AS 內(nèi)部結(jié)構(gòu) RTL8019AS 芯片主要功能模塊包括 :ISA 總線接口、 MAC 引擎，集成的緩沖區(qū)內(nèi)存，串行 EEPROM 接口和具有 10BaseT、 10Base2 和 10Base5 的完整模擬前端。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 32 所示 : 杜曉華：基于單片機(jī)的以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì) 15 RTL8O19AS 的工作模式 RTL8019AS 支持三種工作模式 : 第一種為跳線模式，其 I/0 基址和中斷由跳線設(shè)置決定。 第二種為即插即用方式，由軟件自動(dòng)配置相應(yīng)的參數(shù)。 第三種為免跳線方式， I/0 基址和中斷由外接 93C46 設(shè)定。 網(wǎng)絡(luò)接口芯片的第 65 腳 JP 是輸入引腳，當(dāng)?shù)?65 腳為低電平時(shí)， RTL8019AS 工作在第 2 種或者第 3 種方式，而當(dāng) RTL8019AS 工作 在第 3 種模式時(shí)，需要使用 93C46。如果把第 65 腳接高電平， RTL8019AS 工作在第 1 種跳線方式。 寄存器及 I/0 地址分配 首先，通過一個(gè)表來看一下 RTL8019AS 主要工作的寄存器 : RTL8019AS 具有 32 位輸入輸出地址，地址偏移量為 00H～ 1FH。寄存器分為 4頁 :PAGE0、 PAGE PAGE PAGE3。 CR 寄存器是控制命令寄存器，地址是 00H，這個(gè)寄存器用來選擇寄存器頁，控制ISA 總線接口 即插即用 （ PnP） 8Kx16SRAM Boot ROM 端口 EEPROM 端口 MAC 邏輯 ENA（編碼譯碼）邏輯 AUI 接口 雙絞線接口 圖 32 RTL8019AS 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 16 遠(yuǎn)程 DMA 操作。該寄存器中的 PS PS0 用來指定寄存器的頁。在實(shí)際配置寄存器時(shí)，首先要指定要配置 的寄存器屬于哪一頁 (就是進(jìn)行 PS1 和 PS0 的設(shè)置 )，然后對(duì)那一頁中的寄存器寫入配置信息。 此外還有幾個(gè)用于接收的重要寄存器 : PSTART 接收緩沖區(qū)的起始頁的地址。 PSTOP 接收緩沖區(qū)的結(jié)束頁地址 (該頁不用于接收 )。 BNRY 指向最后一個(gè)己經(jīng)讀取的頁 (讀指針 )。 CURR 當(dāng)前的接收結(jié)束頁地址 (寫指針 )。 網(wǎng)卡含有 16K 字節(jié)的 RAM，地址為 0x4000～ 0x7fff(指的是網(wǎng)卡上的存儲(chǔ)地址 )，每 256 個(gè)字節(jié)稱為一頁，共有 64 頁。頁的地址就是地址的高 8 位，頁地址為 0x40～ 0x7f。這 16K 的 RAM 的一部分用 來存放接收的數(shù)據(jù)包，一部分用來存儲(chǔ)待發(fā)送的數(shù)據(jù)包。第0 頁叫 Prom 頁，只有 32 字節(jié)，地址為 0x0000～ 0x00lf，用于存儲(chǔ)以太網(wǎng)物理地址。 設(shè)計(jì)中使用 0x40～ 0x4b 為網(wǎng)卡的發(fā)送緩沖區(qū)，共 12 頁，剛好可以存儲(chǔ) 2 個(gè)最大的以太網(wǎng)包。使用 0x4c～ 0x7f 為網(wǎng)卡的接收緩沖區(qū)，共 52 頁。因此 PSTART=0x4c，PSTOP=0x80(0x80 為停止頁，就是直到 0x7f，是接收緩沖區(qū)，不包括 0x80)剛開始，網(wǎng)卡沒有接收到任何數(shù)據(jù)包，所以 BNRY 設(shè)置為指向第一個(gè)接收緩沖區(qū)的頁 0x4c。 CURR 是網(wǎng)卡寫內(nèi)存的 指針，它指向當(dāng)前正在寫的頁的下一頁，那么初始化它就應(yīng)該指向 0x4c+1=0x4d。網(wǎng)卡寫完接收緩沖區(qū)一頁，就將這個(gè)頁地址加一， CURR=CURR+1，這是網(wǎng)卡自動(dòng)加的。當(dāng)加到最后的空頁 (本設(shè)計(jì)中是 0x80， PSTOP)時(shí)，將 CURR 置為接收緩沖區(qū)的第一頁 (這里是 0x4c， PSTART)，也是網(wǎng)卡自動(dòng)完成的。當(dāng) CURR=BNRY時(shí)，表示緩沖區(qū)全部被存滿，數(shù)據(jù)沒有被用戶讀走，這時(shí)網(wǎng)卡將停止往內(nèi)存寫數(shù)據(jù)，新收到的數(shù)據(jù)包將被丟棄不要，而不覆蓋舊的數(shù)據(jù)。此時(shí)實(shí)際上出現(xiàn)了內(nèi)存溢出。 而 BNRR 要由用戶來操作。用戶從網(wǎng)卡讀走一頁數(shù)據(jù)，要將 BNRY 加一，然后再寫到 BNRY 寄存器。當(dāng) BNRY 加到最后的空頁 (0x80， PSTOP)時(shí)，同樣要將 BNRY 變成第一個(gè)接收頁 (PSTART， 0x4c)BNRY=0x4c。 CURR 和 BNRY 主要用來控制緩沖區(qū)的存取過程，保證能順次寫入和讀出 )。當(dāng) CURR=BNRY+1(或當(dāng) BNRY=0x7f， CURR=0x4c)時(shí)，網(wǎng)卡的接收緩沖區(qū)里沒有數(shù)據(jù)，表示沒有收到數(shù)據(jù)包。用戶通過這個(gè)判斷網(wǎng)卡的接杜曉華：基于單片機(jī)的以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì) 17 收緩沖區(qū)沒有包可以讀。當(dāng)上述條件不成立時(shí)，表示接收到新的數(shù)據(jù)包。然后用戶應(yīng)該讀取 數(shù)據(jù)包，直到上述條件成立時(shí)，所有數(shù)據(jù)包已經(jīng)讀完，此時(shí)停止讀取數(shù)據(jù)包。 TPSR 為發(fā)送頁的起始頁地址。初始化為指向第一個(gè)發(fā)送緩沖區(qū)的頁 0x40。 RCR 接收配置寄存器，設(shè)置為使用接收緩沖區(qū)，僅接收自己的地址的數(shù)據(jù)包 (以及廣播地址數(shù)據(jù)包 )和多點(diǎn)播送地址包，小于 64 字節(jié)的包丟棄 (這是協(xié)議的規(guī)定，設(shè)置成接收是用于網(wǎng)絡(luò)分析 )，校驗(yàn)錯(cuò)的數(shù)據(jù)包不接收。 TCR 發(fā)送配置寄存器，啟用 CRC 自動(dòng)生成和自動(dòng)校驗(yàn)，工作在正常模式。 DCR 數(shù)據(jù)配置寄存器，設(shè)置為使用 FIFO 緩存，普通模式， 8 位數(shù)據(jù)傳輸模式，字節(jié)順序可以設(shè)為高位字節(jié)在 前，低位字節(jié)在后，或是相反。 IMR 中斷屏蔽寄存器，設(shè)置成 0x00，屏蔽所有的中斷 。設(shè)置成 0xff 將允許中斷。 MAR0～ MAR8 是設(shè)置多點(diǎn)播送的參數(shù)。 PAR0～ PAR5 是用于設(shè)置網(wǎng)卡的 MAC 地址。 PAGE2 的寄存器是只讀的，所以不用設(shè)置 。 PAGE3 的寄存器不是 NE2020 兼容的，所以除了電源管理外，也可以不用設(shè)置。 遠(yuǎn)程 DMA 地址包括 10H～ 17H，都可以用來做遠(yuǎn)程 DMA 端口，選用 10H 作為遠(yuǎn)程 DMA 端口。復(fù)位端口包括 18H～ 1FH 共 8 個(gè)地址，功能一樣，用于 RTL8019AS 復(fù)位，同樣在這里選用 18H 作為復(fù)位端口。 RTL8019AS 的工作原理 按數(shù)據(jù)鏈路的不同，可以將 RTL8019AS 內(nèi)部劃分為遠(yuǎn)程 DMA(Remote DMA)通道和本地 (Local DMA)通道兩個(gè)部分。 遠(yuǎn)程 DMA 完成主處理器和網(wǎng)卡內(nèi)部緩沖區(qū)數(shù)據(jù)交換，本地 DMA 完成緩沖區(qū)數(shù)據(jù)發(fā)送。處理器發(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 的發(fā)送緩沖區(qū)，然后發(fā)出傳送命令。 RTL8019AS 在完成了上一幀的發(fā)送后，再進(jìn)行此幀的發(fā)送。 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)志的方式通知處理器。 接收邏輯在接收時(shí)鐘的控制下，將串行數(shù)據(jù)拼成字節(jié)送到 FIFO 和 CRC。發(fā)送邏輯四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 18 將 FIFO 送來的字節(jié)在發(fā)送時(shí)鐘的控制下逐步按位移出，并送到 CRC， CRC 邏輯在接收時(shí)對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行 CRC 校驗(yàn)，將結(jié)果與幀尾的 CRC 比較，如不同，該幀數(shù)據(jù)將被拒收。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí) CRC 對(duì)幀數(shù)據(jù)產(chǎn)生 CRC，并附加在數(shù)據(jù)尾傳送。地址識(shí)別邏輯對(duì)接收