【導(dǎo)讀】為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)接入Inter網(wǎng)絡(luò)的一大研究熱點(diǎn)。因此，除了傳統(tǒng)的便攜、低功耗等性能，網(wǎng)絡(luò)接入能力正逐漸成為嵌入式系統(tǒng)所關(guān)注的重點(diǎn)。件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)以及結(jié)論。本論文要求詳細(xì)地闡述單片機(jī)以太網(wǎng)的接入設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程。資隨著互聯(lián)網(wǎng)的日益普及，TCP/IP協(xié)議族已經(jīng)成為因特網(wǎng)上事實(shí)的通信標(biāo)準(zhǔn)。此同時(shí)，無(wú)論是在家中、辦公室或者其他地方，都能方便地連接到網(wǎng)絡(luò)上。可方便、低廉地將信息傳送到幾乎任何一地，實(shí)現(xiàn)全球化信息。網(wǎng)控制器RTL8019AS的工作原理。主要提出了將精簡(jiǎn)TCP/IP協(xié)議棧嵌入單片機(jī)系統(tǒng)。中，通過(guò)RTL8019AS實(shí)現(xiàn)了UDP數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆桨?。述，并給出了設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。統(tǒng)，在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

　　

【正文】 復(fù)位是否成功，可根據(jù) RTL8019AS 中斷狀態(tài)寄存器的第 7 位 RST 來(lái)判斷。如下表為中斷寄存器的各個(gè)標(biāo)志位。 在表 41 中， ISR 的第 7 位 RST 跟復(fù)位有關(guān)。 RTL8019AS 執(zhí)行正確的復(fù)位之后該位為 序可在復(fù)位之后檢查該標(biāo)志位以確認(rèn) RTL8019AS 是否正確復(fù)位。通常UNIX、 Linux 等操作系統(tǒng)都會(huì)在 RTL8019AS 的驅(qū)動(dòng)程序中做一些其他判斷和檢查，例如檢查 RTL8019AS 是否正常工作，是否存在地址沖突等。但由于本應(yīng)用設(shè)計(jì)的是精簡(jiǎn)協(xié)議棧，因此默認(rèn) RTL8019AS 工作正常，且 IP 地址和 MAC 地址均沒(méi)有沖突。 表 41 RTL8019AS 中斷狀態(tài)寄存器各位的含義 位 符 號(hào) 簡(jiǎn) 述 7 RST 復(fù)位標(biāo)識(shí)，復(fù)位正常時(shí)置位，起始命令后清 0 6 RDC 處理器和 RTL8019AS 之間的 DMA 操作 后完成后置位 5 CNT RTL8019AS 錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器溢出時(shí)置位 4 OVW 接收緩沖區(qū)溢出時(shí)置位， RTL8019AS 死鎖 3 TXE 發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)出錯(cuò)時(shí)置位 2 RXE 接收數(shù)據(jù)報(bào)出錯(cuò)時(shí)置位 1 PTX 正常發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)結(jié)束時(shí)置位 0 PRX 正常接收數(shù)據(jù)報(bào)結(jié)束時(shí)置位 黑龍江東方學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 22 （ 2） RTL8019AS 的寄存器初始化操作 RTL8019AS 的寄存器占用其內(nèi)部地址 0x00~0x1F 共 16 字節(jié)的區(qū)域，寄存器共分4 頁(yè)，記為 PAGE0~PAGE3，每頁(yè)都有 16 個(gè)寄存器地址。其中，所有頁(yè)的地址 0 都為命令寄存器 CR， CR 為一個(gè)字節(jié)。 利用 CR 的兩個(gè)頁(yè)選擇位 PS1 和 PS0 可以選擇寄存器頁(yè)， PS1 PS0 為 00 時(shí)選擇寄存器頁(yè) 0，為 01 時(shí)選擇寄存器頁(yè) 1，依次類推。在初始化時(shí)，因?yàn)?RTL8019AS 寄存器的 PAGE2 屬性是只讀的，而 PAGE3 用于即插即用的增強(qiáng)功能，所以并不需要關(guān)心。如下表 42 為需要初始化的寄存器及寄存器功能的簡(jiǎn)單介紹。 表 42 RTL8019AS PAGE0 中需要初始化的寄存器 寄存器符號(hào) 寄存器功能簡(jiǎn)介 PSTART 接收緩沖區(qū)的起始頁(yè)地址寄存器（存放接收到的第一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)） PSTOP 接收緩沖區(qū) 的結(jié)束也地址寄存器（不存放數(shù)據(jù)報(bào)） BNRY 指向最后一個(gè)已經(jīng)讀取的頁(yè)地址（讀指針） CURR 指向當(dāng)前的接收結(jié)束頁(yè)地址（寫(xiě)指針） TPSR 發(fā)送頁(yè)的起始頁(yè)地址 RCR 接收配置寄存器 TCR 發(fā)送配置寄存器 DCR 數(shù)據(jù)配置寄存器 IMR 中斷屏蔽寄存器 （ 1） PSTART 寄存器（地址為 PAGE0 的 0x01）為寫(xiě)寄存器， CPU 向它寫(xiě)入接收緩沖區(qū)首頁(yè)面的地址。 （ 2） PSTOP 寄存器（地址為 PAGE0 的 0x02）為寫(xiě)寄存器， CPU 向它寫(xiě)入接收緩沖區(qū)末頁(yè)面的地址。 RTL8019AS 內(nèi)部有 16KB 字節(jié)的 RAM，地址為 0x4000～ 0x7FFF，注意此處的地址指的是 RTL8019AS 內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩沖 RAM 地址，而不是單片機(jī)系統(tǒng)外擴(kuò)ＲＡＭ的地址。這些內(nèi)部數(shù)據(jù)緩沖 RAM 是 RTL8019AS 本身工作時(shí)所用的存儲(chǔ)緩沖區(qū)，每 256 字節(jié)為一頁(yè)，共 64 頁(yè)，頁(yè)地址就是地址編碼的高 8 位，范圍為 0x40～ 0x7F。這 16K RAM 用來(lái)緩存 RTL8019AS 收發(fā)的數(shù)據(jù)報(bào)。 （ 3） BNRY 寄存器（地址為 PAGE0 的 0x03）為讀寫(xiě)寄存器，用于指向最后一個(gè)黑龍江東方學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 23 已經(jīng)被 CPU 讀取過(guò)頁(yè)地址（讀指針）。在初始狀態(tài)， RTL8019AS 沒(méi)讀 取過(guò)任何數(shù)據(jù)報(bào)，所以 BNRY 初始化時(shí)應(yīng)設(shè)置為指向第一個(gè)接收緩沖區(qū)的頁(yè) 0x4C。 （ 4） CURR 寄存器（地址為 PAGE1 的 0x07）是 RTL8019AS 寫(xiě)內(nèi)存的指針。它指向當(dāng)前正寫(xiě)入頁(yè)的下一頁(yè)，那么初始化它就應(yīng)該指向 0x4C+1=0x4D。 RTL8019AS寫(xiě)完接收緩沖區(qū)一頁(yè)，就將這個(gè)頁(yè)地址加一， CURR=CURR+1。這是 RTL8019AS 自動(dòng)修改的值。當(dāng)增加到最后的空頁(yè)（這里是 0x80，即 PSTOP）時(shí)，將 CURR 復(fù)位，重新置為接收緩沖區(qū)的第一頁(yè)（這里是 0x4C， PSTART）。這樣就在芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩沖 RAM 中形成了一個(gè)環(huán)形緩沖區(qū)。此過(guò)程也由 RTL8019AS 自動(dòng)完成。當(dāng)CURR=BNRY 時(shí)，表示緩沖區(qū)全部被存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)沒(méi)有被用戶讀走，此時(shí) RTL8019AS將自動(dòng)停止向接收緩沖區(qū)寫(xiě)數(shù)據(jù)報(bào)，新收到的數(shù)據(jù)報(bào)將被丟棄。 （ 5） TPSR 寄存器（地址為 PAGE0 的 0x04）為寫(xiě)寄存器，存儲(chǔ)發(fā)送頁(yè)的起始頁(yè)地址。初始化為指向第一個(gè)發(fā)送緩沖區(qū)的頁(yè)，設(shè)為 0x40。 （ 6） RCR 寄存器（寫(xiě)地址為 PAGE0 的 0x0C，讀地址為 PAGE2 的 0x0C）是接收配置寄存器，可設(shè)置 RL8019AS 是否使用接收緩沖區(qū)、是否僅接收目的地址為自 己的物理地址的數(shù)據(jù)報(bào)以及廣播地址數(shù)據(jù)報(bào)，是否丟棄小于 64 字節(jié)的數(shù)據(jù)報(bào)（以太網(wǎng)協(xié)議的規(guī)定），是否接受校驗(yàn)錯(cuò)的數(shù)據(jù)報(bào)等。 （ 7） TCR 寄存器（寫(xiě)地址為 PAGE0 的 0x0D，讀地址為 PAGE2 的 0x0D）為發(fā)送配置寄存器，用于配置 RTL8019AS 的操作模式及 CRC 自動(dòng)生成、自動(dòng)校驗(yàn)?zāi)Ｊ健? （ 8） DCR 寄存器（寫(xiě)地址為 PAGE0 的 0x0E，讀地址為 PAGE2 的 0x0E）為數(shù)據(jù)配置寄存器，設(shè)置 RTL8019AS 的 FIFO 緩存門(mén)限、是否使用自環(huán)模式、數(shù)據(jù)傳輸模式（字節(jié)或字）、字節(jié)序?yàn)榇蠖四Ｊ竭€是小端模式等。 （ 9） IMR 寄存器（寫(xiě)地址為 PAGE0 的 0x0F，讀地址為 PAGE2 的 0x0F）為中斷屏蔽寄存器，設(shè)置為 0x00 將屏蔽所有的中斷。用戶可根據(jù)要求，設(shè)置在收 /發(fā)包成功、收 /發(fā)包出錯(cuò)及緩沖區(qū)溢出幾種情況下，允許出發(fā)中斷 [23]。 對(duì)于 RTL8019AS 的寄存器頁(yè) 1，所包含的寄存器除了 CR 和 CURR 外其余 14 個(gè)地址分為 8 個(gè) MAR 寄存器和 6 個(gè) PAR 寄存器。 寄存器 PAR0～ PAR5 在 PAGE1 中的地址為 0x01～ 0x06，是 RTL8019AS 的物理地址寄存器，即通常所說(shuō)的 MAC 地址，用于在網(wǎng)絡(luò)中唯一標(biāo)志該芯片。對(duì)于網(wǎng)卡的生 產(chǎn)廠家，各自都有分配好的 MAC 地址段。對(duì)于本章實(shí)例中，可自定在 6 個(gè)寄存器黑龍江東方學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 24 的值，但要注意 PAR0 的值不能為奇數(shù)，因?yàn)榈谝粋€(gè)字節(jié)最低位置 1 是留給組播地址用的，而本應(yīng)用不用支持組播。 MAR0～ MAR7 是多組播地址寄存器，用來(lái)支持組播業(yè)務(wù)。由于本應(yīng)用不支持組播，可都設(shè)為 0，禁用該功能；也可設(shè)置成 windows 系統(tǒng)初始化網(wǎng)卡的默認(rèn)值。 精簡(jiǎn) TCP/IP 協(xié)議棧的現(xiàn)實(shí)意義及其工作流程 近年來(lái)，隨著因特網(wǎng)技術(shù)的不斷普及，把嵌入式設(shè)備（如小型傳感器、信息家電等）接入 Inter 的需求正日益增長(zhǎng)。為了使嵌入式設(shè)備能夠在 Inter 上進(jìn)行通信，目前已在各種應(yīng)用環(huán)境中廣泛使用的 TCP/IP 協(xié)議棧無(wú)疑是最好的選擇。國(guó)際上很多知名的嵌入式操作系統(tǒng)供應(yīng)商，都在自己的產(chǎn)品中集成了 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)組件。由于是面向嵌入式應(yīng)用，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議棧，這些產(chǎn)品在實(shí)時(shí)性、占用存儲(chǔ)空間、可移植性方面都做了各具特色的改進(jìn)。但這些網(wǎng)絡(luò)組件都是在以各自公司開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為平臺(tái)的，很難在其他嵌入式環(huán)境使用。而且他們多數(shù)都需要嵌入式操作系統(tǒng)的支持，這在一定程度上限制了他們?cè)诹畠r(jià)的、無(wú)操作系統(tǒng)支持的嵌入式領(lǐng)域的應(yīng)用 [24]。因此，在本次設(shè)計(jì)中，僅介紹 UDP 協(xié)議的實(shí)現(xiàn)， TCP 協(xié)議的實(shí)現(xiàn)過(guò)程省略。協(xié)議?？傮w結(jié)構(gòu)如圖 41 所示 。 應(yīng) 用 接 口T C PI C M PA R P以 太 網(wǎng) 接 口應(yīng) 用 層傳 輸 層網(wǎng) 絡(luò) 層數(shù) 據(jù) 鏈 路 層物 理 層U D PI P硬 件 ： R T L 8 0 1 9 A S 圖 41 精簡(jiǎn) TCP/IP 協(xié)議?？傮w結(jié)構(gòu) 另外一個(gè)方面，隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的不斷普及，越來(lái)越多早期設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)現(xiàn)在也逐漸提出了接入 Inter 的需求，但是由于當(dāng)時(shí)條件限制，這些系統(tǒng)通常只設(shè)計(jì)了串行通信接口，并沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)接口。完全將其更換，并設(shè)計(jì)新的系統(tǒng)將導(dǎo)致成本的大幅黑龍江東方學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 25 度增加。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)包含 TCP/IP 協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)餓 Inter 數(shù)據(jù)互相交換的通用模塊就顯得十分 必要。使用這樣的模塊，既可以降低新系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)門(mén)檻，提高開(kāi)發(fā)速度，又可以改造舊系統(tǒng)，以非常低低廉的成本將其接入 Inter[25]。 本設(shè)將設(shè)計(jì)一個(gè)串行口和以太網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)交換模塊，網(wǎng)絡(luò)通信的功能由模塊內(nèi)部的精簡(jiǎn) TCP/IP 協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)。最終用戶只需要和模塊提供的串行口通信，就可以和因特網(wǎng)上的遠(yuǎn)端主機(jī)之間建立起一個(gè)透明的數(shù)據(jù)鏈路。將模塊的串行口和設(shè)備的串行口相連，就可以立刻將該設(shè)備接入 Inter。該模塊的典型應(yīng)用環(huán)境如圖 42 所示 。 由于對(duì) TCP/IP 協(xié)議棧中的各協(xié)議做了較大的精簡(jiǎn)，且不支持 TCP 協(xié)議 ，本章設(shè)計(jì)的協(xié)議棧并不復(fù)雜，一共只有 9 個(gè) C 文件，分別為 、 、 、 、 、 、 、 ，各文件所完成的功能大致如下。 （ 1） 完成全局變量的定義及初始化、 main 函數(shù)以及主循環(huán)的處理。 （ 2） 負(fù)責(zé)處理 ARP 協(xié)議相關(guān)數(shù)據(jù)報(bào)的收發(fā)和 MACIP 地址轉(zhuǎn)換表的維護(hù)。 （ 3） 提供了串行口初始化函數(shù)及串行數(shù)據(jù)全中斷方式收發(fā)的驅(qū)動(dòng)功能。 （ 4） 提供了對(duì) RTL8019AS 的初始化函數(shù)、查詢函數(shù)以及數(shù) 據(jù)收發(fā)函數(shù)。 （ 5） 負(fù)責(zé) IP 數(shù)據(jù)報(bào)的收發(fā)，主要工作是根據(jù) IP 協(xié)議的要求完成各協(xié)議字段格式的轉(zhuǎn)換、計(jì)算及填充等。 串 行通 信接 口單 片機(jī)以 太網(wǎng) 通信 接口I n t e r n e t串 行 設(shè) 備 串 行 口 以 太 網(wǎng) 數(shù) 據(jù) 交 換 模 塊 因 特 網(wǎng)遠(yuǎn) 端 主 機(jī) 圖 42 以太網(wǎng)串行口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊的典型運(yùn)用 （ 6） 提供了對(duì) PING 協(xié)議的支持，可用于檢測(cè)協(xié)議棧是否正常工作。 （ 7） 負(fù)責(zé)完成 UDP 協(xié)議數(shù)據(jù)的收發(fā)，并支持對(duì) UDP ECHO 端口數(shù)據(jù)的回送。 黑龍江東方學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 26 （ 8） 提供校驗(yàn)和計(jì)算函數(shù)，供各協(xié)議功能函數(shù)調(diào)用。 （ 9） 提供定時(shí)器初始化函數(shù)和定時(shí)器中斷服 務(wù)程序，并在定時(shí)器中斷服務(wù)程序中調(diào)度 ARP 地址轉(zhuǎn)換表的更新及串行口接收超時(shí)判斷程序。 各 C 文件中函數(shù)之間會(huì)有相互調(diào)用關(guān)系，并通過(guò)一些全局變量實(shí)現(xiàn)狀態(tài)標(biāo)志的判斷及數(shù)據(jù)的傳輸。精簡(jiǎn) TCP/IP 協(xié)議棧系統(tǒng)的工作流程如圖 43 所示。 已 接 收 一 個(gè) 完整 的 以 太 網(wǎng) 數(shù) 據(jù)掃 描 R T L 8 0 1 9 A S 接 收 狀 態(tài)掃 描 R T L 8 0 1 9 A S 接 收 狀 態(tài)調(diào) 用 函 數(shù) E t h R e c v 函 數(shù) ， 接 收 以 太 網(wǎng) 數(shù) 據(jù) 報(bào)以 太 網(wǎng) 數(shù) 據(jù)報(bào) 的 數(shù) 據(jù) 類 型I P 數(shù) 據(jù) 報(bào)的 數(shù) 據(jù) 類 型調(diào) 用 A r p R e c v處 理 A R P 協(xié) 議 數(shù) 據(jù)調(diào) 用 I p R e c v處 理 I P 協(xié) 議 數(shù) 據(jù)根 據(jù) 需 要 更 新M A C I P 對(duì) 照 表調(diào) 用 I C M P R e c v處 理 I M P 數(shù) 據(jù)調(diào) 用 U D P R e c v處 理 U D P 協(xié) 議 數(shù) 據(jù)僅 支 持 I C M P 協(xié) 議的 P i n g 數(shù) 據(jù) 回 送剝 離 U D P 數(shù) 據(jù)送 串 行 口 發(fā) 送 緩 沖掃 描 串 行 口 接 收 緩 存 區(qū)掃 描 串 行 口 接 收 緩 存 區(qū)滿 足 向 網(wǎng) 絡(luò) 發(fā)送 數(shù) 據(jù) 的 條 件 ？申 請(qǐng) 發(fā) 送 存 儲(chǔ) 區(qū) 從 串 行 口 接 收 緩 沖 區(qū) 復(fù) 制 l e n 字 節(jié) 待 發(fā)數(shù) 據(jù) 到 發(fā) 送 存 儲(chǔ) 區(qū) 調(diào) 用 U D P S e n d 函 數(shù) 發(fā) 送 U D P 數(shù) 據(jù) 報(bào)申 請(qǐng) 發(fā) 送 存 儲(chǔ) 區(qū) 從 串 行 口 接 收 緩 沖 區(qū) 復(fù) 制 l e n 字 節(jié) 待 發(fā)數(shù) 據(jù) 到 發(fā) 送 存 儲(chǔ) 區(qū) 調(diào) 用 U D P S e n d 函 數(shù) 發(fā) 送 U D P 數(shù) 據(jù) 報(bào)申 請(qǐng) l e n + 4 2 字 節(jié) 的 U D P 發(fā) 送 存 儲(chǔ) 區(qū)填 入 I P 地 址 / 端 口 號(hào) / 待 發(fā) 數(shù) 據(jù) 等 信 息調(diào) 用 I P S e n d 函 數(shù) 發(fā) 送 I P 數(shù) 據(jù) 報(bào)申 請(qǐng) l e n + 4 2 字 節(jié) 的 U D P 發(fā) 送 存 儲(chǔ) 區(qū)填 入 I P 地 址 / 端 口 號(hào) / 待 發(fā) 數(shù) 據(jù) 等 信 息調(diào) 用 I P S e n d 函 數(shù) 發(fā) 送 I P 數(shù) 據(jù) 報(bào)填 入 I P 地 址 、 校 驗(yàn) 和 I P 頭 各 標(biāo) 志查 詢 接 收 方 式 M A C 地 址調(diào) 用 E t h S e n d 函 數(shù) 發(fā) 送 以 太 網(wǎng) 數(shù) 據(jù) 報(bào)填 入 I P 地 址 、 校 驗(yàn) 和 I P 頭 各 標(biāo) 志查