【導讀】為單片機應用系統(tǒng)接入Inter網(wǎng)絡的一大研究熱點。因此，除了傳統(tǒng)的便攜、低功耗等性能，網(wǎng)絡接入能力正逐漸成為嵌入式系統(tǒng)所關注的重點。件設計實現(xiàn)以及結論。本論文要求詳細地闡述單片機以太網(wǎng)的接入設計開發(fā)過程。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)上事實的通信標準。此同時，無論是在家中、辦公室或者其他地方，都能方便地連接到網(wǎng)絡上。可方便、低廉地將信息傳送到幾乎任何一地，實現(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TCP/IP協(xié)議棧嵌入單片機系統(tǒng)。中，通過RTL8019AS實現(xiàn)了UDP數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆桨?。述，并給出了設計實驗結果。統(tǒng)，在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I域有廣泛的應用前景。

　　

【正文】 復位是否成功，可根據(jù) RTL8019AS 中斷狀態(tài)寄存器的第 7 位 RST 來判斷。如下表為中斷寄存器的各個標志位。 在表 41 中， ISR 的第 7 位 RST 跟復位有關。 RTL8019AS 執(zhí)行正確的復位之后該位為 序可在復位之后檢查該標志位以確認 RTL8019AS 是否正確復位。通常UNIX、 Linux 等操作系統(tǒng)都會在 RTL8019AS 的驅動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。但由于本應用設計的是精簡協(xié)議棧，因此默認 RTL8019AS 工作正常，且 IP 地址和 MAC 地址均沒有沖突。 表 41 RTL8019AS 中斷狀態(tài)寄存器各位的含義 位 符 號 簡 述 7 RST 復位標識，復位正常時置位，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 錯誤計數(shù)器溢出時置位 4 OVW 接收緩沖區(qū)溢出時置位， RTL8019AS 死鎖 3 TXE 發(fā)送數(shù)據(jù)報出錯時置位 2 RXE 接收數(shù)據(jù)報出錯時置位 1 PTX 正常發(fā)送數(shù)據(jù)報結束時置位 0 PRX 正常接收數(shù)據(jù)報結束時置位 黑龍江東方學院本科畢業(yè)論文（設計） 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，記為 PAGE0~PAGE3，每頁都有 16 個寄存器地址。其中，所有頁的地址 0 都為命令寄存器 CR， CR 為一個字節(jié)。 利用 CR 的兩個頁選擇位 PS1 和 PS0 可以選擇寄存器頁， PS1 PS0 為 00 時選擇寄存器頁 0，為 01 時選擇寄存器頁 1，依次類推。在初始化時，因為 RTL8019AS 寄存器的 PAGE2 屬性是只讀的，而 PAGE3 用于即插即用的增強功能，所以并不需要關心。如下表 42 為需要初始化的寄存器及寄存器功能的簡單介紹。 表 42 RTL8019AS PAGE0 中需要初始化的寄存器 寄存器符號 寄存器功能簡介 PSTART 接收緩沖區(qū)的起始頁地址寄存器（存放接收到的第一個數(shù)據(jù)報） PSTOP 接收緩沖區(qū) 的結束也地址寄存器（不存放數(shù)據(jù)報） BNRY 指向最后一個已經(jīng)讀取的頁地址（讀指針） CURR 指向當前的接收結束頁地址（寫指針） TPSR 發(fā)送頁的起始頁地址 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）為寫寄存器， CPU 向它寫入接收緩沖區(qū)首頁面的地址。 （ 2） PSTOP 寄存器（地址為 PAGE0 的 0x02）為寫寄存器， CPU 向它寫入接收緩沖區(qū)末頁面的地址。 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，而不是單片機系統(tǒng)外擴ＲＡＭ的地址。這些內(nèi)部數(shù)據(jù)緩沖 RAM 是 RTL8019AS 本身工作時所用的存儲緩沖區(qū)，每 256 字節(jié)為一頁，共 64 頁，頁地址就是地址編碼的高 8 位，范圍為 0x40～ 0x7F。這 16K RAM 用來緩存 RTL8019AS 收發(fā)的數(shù)據(jù)報。 （ 3） BNRY 寄存器（地址為 PAGE0 的 0x03）為讀寫寄存器，用于指向最后一個黑龍江東方學院本科畢業(yè)論文（設計） 23 已經(jīng)被 CPU 讀取過頁地址（讀指針）。在初始狀態(tài)， RTL8019AS 沒讀 取過任何數(shù)據(jù)報，所以 BNRY 初始化時應設置為指向第一個接收緩沖區(qū)的頁 0x4C。 （ 4） CURR 寄存器（地址為 PAGE1 的 0x07）是 RTL8019AS 寫內(nèi)存的指針。它指向當前正寫入頁的下一頁，那么初始化它就應該指向 0x4C+1=0x4D。 RTL8019AS寫完接收緩沖區(qū)一頁，就將這個頁地址加一， CURR=CURR+1。這是 RTL8019AS 自動修改的值。當增加到最后的空頁（這里是 0x80，即 PSTOP）時，將 CURR 復位，重新置為接收緩沖區(qū)的第一頁（這里是 0x4C， PSTART）。這樣就在芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩沖 RAM 中形成了一個環(huán)形緩沖區(qū)。此過程也由 RTL8019AS 自動完成。當CURR=BNRY 時，表示緩沖區(qū)全部被存儲，數(shù)據(jù)沒有被用戶讀走，此時 RTL8019AS將自動停止向接收緩沖區(qū)寫數(shù)據(jù)報，新收到的數(shù)據(jù)報將被丟棄。 （ 5） TPSR 寄存器（地址為 PAGE0 的 0x04）為寫寄存器，存儲發(fā)送頁的起始頁地址。初始化為指向第一個發(fā)送緩沖區(qū)的頁，設為 0x40。 （ 6） RCR 寄存器（寫地址為 PAGE0 的 0x0C，讀地址為 PAGE2 的 0x0C）是接收配置寄存器，可設置 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)報以及廣播地址數(shù)據(jù)報，是否丟棄小于 64 字節(jié)的數(shù)據(jù)報（以太網(wǎng)協(xié)議的規(guī)定），是否接受校驗錯的數(shù)據(jù)報等。 （ 7） TCR 寄存器（寫地址為 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 自動生成、自動校驗模式。 （ 8） DCR 寄存器（寫地址為 PAGE0 的 0x0E，讀地址為 PAGE2 的 0x0E）為數(shù)據(jù)配置寄存器，設置 RTL8019AS 的 FIFO 緩存門限、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)序為大端模式還是小端模式等。 （ 9） IMR 寄存器（寫地址為 PAGE0 的 0x0F，讀地址為 PAGE2 的 0x0F）為中斷屏蔽寄存器，設置為 0x00 將屏蔽所有的中斷。用戶可根據(jù)要求，設置在收 /發(fā)包成功、收 /發(fā)包出錯及緩沖區(qū)溢出幾種情況下，允許出發(fā)中斷 [23]。 對于 RTL8019AS 的寄存器頁 1，所包含的寄存器除了 CR 和 CURR 外其余 14 個地址分為 8 個 MAR 寄存器和 6 個 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，即通常所說的 MAC 地址，用于在網(wǎng)絡中唯一標志該芯片。對于網(wǎng)卡的生 產(chǎn)廠家，各自都有分配好的 MAC 地址段。對于本章實例中，可自定在 6 個寄存器黑龍江東方學院本科畢業(yè)論文（設計） 24 的值，但要注意 PAR0 的值不能為奇數(shù)，因為第一個字節(jié)最低位置 1 是留給組播地址用的，而本應用不用支持組播。 MAR0～ MAR7 是多組播地址寄存器，用來支持組播業(yè)務。由于本應用不支持組播，可都設為 0，禁用該功能；也可設置成 windows 系統(tǒng)初始化網(wǎng)卡的默認值。 精簡 TCP/IP 協(xié)議棧的現(xiàn)實意義及其工作流程 近年來，隨著因特網(wǎng)技術的不斷普及，把嵌入式設備（如小型傳感器、信息家電等）接入 Inter 的需求正日益增長。為了使嵌入式設備能夠在 Inter 上進行通信，目前已在各種應用環(huán)境中廣泛使用的 TCP/IP 協(xié)議棧無疑是最好的選擇。國際上很多知名的嵌入式操作系統(tǒng)供應商，都在自己的產(chǎn)品中集成了 TCP/IP 網(wǎng)絡組件。由于是面向嵌入式應用，相對于標準的協(xié)議棧，這些產(chǎn)品在實時性、占用存儲空間、可移植性方面都做了各具特色的改進。但這些網(wǎng)絡組件都是在以各自公司開發(fā)的實時操作系統(tǒng)為平臺的，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在廉價的、無操作系統(tǒng)支持的嵌入式領域的應用 [24]。因此，在本次設計中，僅介紹 UDP 協(xié)議的實現(xiàn)， TCP 協(xié)議的實現(xiàn)過程省略。協(xié)議?？傮w結構如圖 41 所示 。 應 用 接 口T C PI C M PA R P以 太 網(wǎng) 接 口應 用 層傳 輸 層網(wǎng) 絡 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 TCP/IP 協(xié)議?？傮w結構 另外一個方面，隨著網(wǎng)絡應用的不斷普及，越來越多早期設計的嵌入式系統(tǒng)現(xiàn)在也逐漸提出了接入 Inter 的需求，但是由于當時條件限制，這些系統(tǒng)通常只設計了串行通信接口，并沒有網(wǎng)絡接口。完全將其更換，并設計新的系統(tǒng)將導致成本的大幅黑龍江東方學院本科畢業(yè)論文（設計） 25 度增加。因此，設計一個包含 TCP/IP 協(xié)議棧，實現(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)的開發(fā)門檻，提高開發(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]。 本設將設計一個串行口和以太網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)交換模塊，網(wǎng)絡通信的功能由模塊內(nèi)部的精簡 TCP/IP 協(xié)議棧實現(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)上的遠端主機之間建立起一個透明的數(shù)據(jù)鏈路。將模塊的串行口和設備的串行口相連，就可以立刻將該設備接入 Inter。該模塊的典型應用環(huán)境如圖 42 所示 。 由于對 TCP/IP 協(xié)議棧中的各協(xié)議做了較大的精簡，且不支持 TCP 協(xié)議 ，本章設計的協(xié)議棧并不復雜，一共只有 9 個 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） 負責處理 ARP 協(xié)議相關數(shù)據(jù)報的收發(fā)和 MACIP 地址轉換表的維護。 （ 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)的驅動功能。 （ 4） 提供了對 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） 負責 IP 數(shù)據(jù)報的收發(fā)，主要工作是根據(jù) IP 協(xié)議的要求完成各協(xié)議字段格式的轉換、計算及填充等。 串 行通 信接 口單 片機以 太網(wǎng) 通信 接口I n t e r n e t串 行 設 備 串 行 口 以 太 網(wǎng) 數(shù) 據(jù) 交 換 模 塊 因 特 網(wǎng)遠 端 主 機 圖 42 以太網(wǎng)串行口數(shù)據(jù)轉換模塊的典型運用 （ 6） 提供了對 PING 協(xié)議的支持，可用于檢測協(xié)議棧是否正常工作。 （ 7） 負責完成 UDP 協(xié)議數(shù)據(jù)的收發(fā)，并支持對 UDP ECHO 端口數(shù)據(jù)的回送。 黑龍江東方學院本科畢業(yè)論文（設計） 26 （ 8） 提供校驗和計算函數(shù)，供各協(xié)議功能函數(shù)調(diào)用。 （ 9） 提供定時器初始化函數(shù)和定時器中斷服 務程序，并在定時器中斷服務程序中調(diào)度 ARP 地址轉換表的更新及串行口接收超時判斷程序。 各 C 文件中函數(shù)之間會有相互調(diào)用關系，并通過一些全局變量實現(xiàn)狀態(tài)標志的判斷及數(shù)據(jù)的傳輸。精簡 TCP/IP 協(xié)議棧系統(tǒng)的工作流程如圖 43 所示。 已 接 收 一 個 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) 報以 太 網(wǎng) 數(shù) 據(jù)報 的 數(shù) 據(jù) 類 型I P 數(shù) 據(jù) 報的 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 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 發(fā)送 數(shù) 據(jù) 的 條 件 ？申 請 發(fā) 送 存 儲 區(qū) 從 串 行 口 接 收 緩 沖 區(qū) 復 制 l e n 字 節(jié) 待 發(fā)數(shù) 據(jù) 到 發(fā) 送 存 儲 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) 報申 請 發(fā) 送 存 儲 區(qū) 從 串 行 口 接 收 緩 沖 區(qū) 復 制 l e n 字 節(jié) 待 發(fā)數(shù) 據(jù) 到 發(fā) 送 存 儲 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) 報申 請 l e n + 4 2 字 節(jié) 的 U D P 發(fā) 送 存 儲 區(qū)填 入 I P 地 址 / 端 口 號 / 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) 報申 請 l e n + 4 2 字 節(jié) 的 U D P 發(fā) 送 存 儲 區(qū)填 入 I P 地 址 / 端 口 號 / 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) 報填 入 I P 地 址 、 校 驗 和 I P 頭 各 標 志查 詢 接 收 方 式 M A C 地 址調(diào) 用 E t h S e n d 函 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