由C8051F310和CS8900A構件的PC網絡實驗平臺的設計
[導讀]本文給出了基于C8051F310單片機和CS8900A以太網控制器的計算機網絡實驗平臺的設計方法。通過本實驗平臺，學生可以完成協(xié)議分析的相關實驗內容，從而加強學生對TCP／IP協(xié)議族的理解。
局域網技術發(fā)展十分迅速，Ethernet (以太網)是目前使用最廣泛的局域網技術。因此，學習以太網技術對深入掌握局域網知識是非常重要的?！队嬎銠C網絡》課程是大學計算機及相關專業(yè)開設的一門計算機與通信的專業(yè)課程。本課程具有很強的實踐性，很多教學內容都需要高成本的實驗環(huán)境才能實現，加上網絡設備更新快、成本高，一般高校難以承擔。而通過軟件技術．建立一個軟件模擬的實驗室環(huán)境，不僅可節(jié)約實驗成本，還可提高實驗教學的水平和質量。
本設計的目的就是利用嵌入式網絡模塊來實現網絡數據的發(fā)送和接收，使學生熟悉網絡的數據發(fā)送流程。
1 實驗平臺的硬件設計
計算機網絡實驗平臺的硬件框圖如圖1所示，它主要由C805lF310、CS8900A和MAX232以及外圍電路組成。
1．1 單片機C8051F310
C805lF310是美國Cygnal公司的產品。該器件是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU芯片，采用32腳LQFP封裝，體積較小。C8051F310的模擬外設包括10位ADC以及速率可達200 KSpS的兩個模擬比較器。器件的供電電壓為2．7～3．6 V，典型工作電流為5mA@25MHz，典型停機電流為0．1μA。同時，C8051F310還帶有1280字節(jié)的內部數據RAM(1 K+256)和16 KB的閃速存儲器，可以在系統(tǒng)編程，其扇區(qū)大小為512字節(jié)。該MCU芯片的數字外設包括29個端口I／O，所有口線的耐壓均為5 V，并具有4個通用16位計數器／定時器。C8051F310的時鐘源既可用內部可編程振蕩器(24．5 MHz，±2％精度)，也可用外部振蕩器(晶體、RC、C)或外部時鐘。
1．2 以太網控制芯片CS8900A
CS8900A是Cirrus Logic公司生產的低功耗16位以太網控制器。它功能強大，其高度集成設計使其不再需要其它以太網控制器所必需的昂貴外部器件。CS8900A的內部結構如圖2所示。
CS8900A包括片上RAM、10BASE-T發(fā)送和接收濾波器以及帶24 mA驅動能力的直接ISA總線接口。除了高度集成外，CS8900A還提供其他性能和配置選擇。它獨特的PacketPage結構可自動適應網絡通信量模式的改變和現有系統(tǒng)資源，因而系統(tǒng)效率很高。
CS8900A的內部功能主要是802．3介質訪問控制塊(MAC)。802．3介質訪問控制塊可支持全雙工操作，并可完全依照IEEE802．3以太網標準來處理有關以太網數據幀的發(fā)送和接收，包括沖突檢測、幀頭的產生和檢測、CRC校驗碼的生成和驗證等。通過對發(fā)送控制器(TXCMD)的初始化配置，MAC能自動完成幀的沖突后重傳。如果幀的數據部分少于64字節(jié)，它還能生成填充字段，以使數據幀達到802．3所要求的最短長度。
CS8900A的主要特點是符合IEEE802．3以太網標準，并帶有ISA接口。片內有4K字節(jié)RAM，可適用I／0操作模式、存儲器操作和DMA操作模式。芯片帶有傳送、接收低通率的10BASE-T連接端口，并支持10BASE2、10BASE5和10BASE-F的AUI接口，也可自動生成報頭，自動進行CRC檢驗，而且沖突后可自動重發(fā)。CS8900A的最大電流消耗為55 mA(5 V電源)，可全雙工操作，同時支持外部EEPROM。
CS8900A收到由主機發(fā)來的數據包(從目的地址域到數據域，如圖3所示)后，即可偵聽網絡線路，如果線路忙，就等待，否則就立即發(fā)送該數據幀，圖3所示是其802．3幀格式。
發(fā)送時．首先應添加以太網幀頭(包括先導字段和幀開始標志)，然后生成CRC校驗碼，最后將此數據幀發(fā)送到以太網上。接收時，則把從以太網接收的數據幀經過解碼、去幀頭和地址等步驟后所得到的數據放在緩存內，這樣，在CRC校驗通過后，根據初始化配置情況，CS8900A通知主機收到了數據幀，并將數據用某種傳輸模式傳到主機的存儲區(qū)。
1. 3 硬件電路分析和設計
本實驗平臺采用C805lF310作為控制器，而以太網控制芯片CS8900A也是主要的一個工作部件，用于完成對網絡數據的發(fā)送和接收。網絡隔離變壓器E2023是和芯片CS8900A配套使用的，用于將外部線路與CS8900A隔開，防止干擾，并可實現帶電插拔功能。此外，CS8900A還有兩個接口，一個是用來和用戶模塊連接的RS232串行接口(用MAX232芯片進行電平轉換)，另一個是用來連接網絡的RJ45接口。
C805lF310通過數據線、地址線和控制線與CS8900A相連。它可通過等實現對CS8900A的工作方式的控制和讀寫操作。當CS8900A有硬件復位或軟件復位時，它將默認成8位工作模式。本設計采用8位模式，這樣，C805lF310的P1口與CS8900A的低8位數據線相連。CS8900A與C8051F310之間的數據傳輸采用默認的I／O模式，因此，讀寫管腳被置高，以關閉Memory方式。在此模式下，用3根地址線就可以實現對所有寄存器的訪問，只要將管腳SAl、SA2和SA3對應接到C8051F310的地址線上即可。實際上，除了為保證缺省偏移地址(0X300H)須將SA8和SA9置高外。其余不用的地址線都接入低電平。
2 實驗平臺的軟件設計
本系統(tǒng)的軟件部分主要包括計算機程序、單片機程序及以太網芯片CS8900A的驅動程序。
2．1 計算機程序
計算機程序主要指的是實驗界面。這是人機交互的窗口。通過該界面，學生可以控制并查看發(fā)送和接收流程。這樣，可在發(fā)送數據時，輸入要發(fā)送的內容，選擇使用的協(xié)議，并控制發(fā)送流程，然后查看并分析各層數據；而在接收數據時，則可通過分析收到的數據包來分析使用的協(xié)議。
2．2 CS8900A的驅動程序設計
在8位I／0模式下，CS8900A不支持中斷方式。因此，C805lF310采用查詢方式與CS8900A通信。在CS8900A開始工作之前，系統(tǒng)必須進行一定的初始化，以確定它的工作模式。在主機與網絡交換數據的過程中。還需要不斷地對CS8900A的內部寄存器進行讀寫操作。通常在I／0模式下，MCU可以通過操作CS8900A的幾個主要的寄存器來實現對CS8900A中所有內部寄存器進行讀寫，這幾個主要的工作寄存器有：
LINECTL(0112H)：可決定CS8900A的基本配置和物理接口。其初始值為00d3H，可選擇物理接口為10BASE-T，并使能設備的發(fā)送和接收控制位：
RXCTL (0104H)：控制CS8900A接收特定的數據報。初始值為0d05H，可接收網絡上的廣播或者目標地址同本地物理地址相同的正確數據報：
RXCFG(0102H)：可控制CS8900A接收特定的數據報并引發(fā)中斷?？稍O置為0103H：
BUSCT(0116H)：控制芯片的I／0接口的一些操作。設置初始值為8017H，可打開CS8900A的中斷總控制位：
ISQ (0120H)：ISQ是CS8900A的中斷狀態(tài)寄存器，可在內部映射接收中斷狀態(tài)寄存器和發(fā)送中斷狀態(tài)寄存器的內容：
PORTO(0000H)：發(fā)送和接收數據時，MCU通過PORT0傳遞數據；
TXCMD(0004H)：為發(fā)送控制寄存器，如果寫入數據00COH，那么CS8900A將在全部數據寫入后開始發(fā)送數據；
TXLENG(0006H)：發(fā)送數據長度寄存器，發(fā)送數據時，首先寫入發(fā)送數據長度，然后將數據通過PORT0寫入芯片。
寄存器后括號內的數字是寄存器地址相對基址0300H的偏移量。需要注意的是，在初始化CS8900A之前需強迫其進入16位模式。主機在一次中斷處理中，必須連續(xù)地讀并且處理中斷狀態(tài)隊列(ISQ)。當有中斷產生時，中斷管腳信號變高，并依次將5個寄存器的內容映射到ISQ中，直到從ISQ中讀出OX000為止。其驅動程序的軟件流程圖如圖4所示。
2．3 MCU(C8051F310)主控程序
通常C8051F310首先初始化芯片CS8900A。初始化部分主要完成軟件復位并檢查復位完成標志是否置位；接著設定8／16位工作模式，默認為8位模式；再設定臨時使用的以太網物理地址(真實地址需要向權威機構申請)，之后，設定接收幀的類型時，一般要能接收廣播，然后確定數據的傳送方向(可設為全雙工或半雙工)，接著中斷允許，使能接收中斷，確定CS8900A的中斷管腳號(根據硬件線路使用情況來確定)，最后接收發(fā)送使能。
C8051F310完成數據的解包打包時。將從網絡接收數據報，并對數據報進行分析，如果是IP數據包，則解析IP分組并送TCP層，并在解析TCP段后送應用層，然后將數據解包后通過串口輸出。反之，如果C8051F310從串口收到數據，則將數據按照TCP協(xié)議格式打包，并在生成IP分組后送入CS8900A，然后由CS8900A把數據輸出到局域網中。
可以看出，鏈路層是由CS8900A完成的，而TCP／IP的網絡層和傳輸層由C8051F310來處理，應用層則由用戶根據需要進行數據處理。
本文給出了基于C8051F310單片機和CS8900A以太網控制器的計算機網絡實驗平臺的設計方法。通過本實驗平臺，學生可以完成協(xié)議分析的相關實驗內容，從而加強學生對TCP／IP協(xié)議族的理解。
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