摘要：介紹以8051系列單片機(jī)系統(tǒng)為例的嵌入式系統(tǒng)與10Mbps以太網(wǎng)控制器芯片DM9008的硬件接口電路的實(shí)現(xiàn)及編程方法。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 以太網(wǎng) DM9008芯片 單片機(jī) TCP/IP協(xié)議

目前，以太網(wǎng)(Ethernet)協(xié)議已經(jīng)非常廣泛地應(yīng)用于各種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，如辦公局域網(wǎng)、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)、因特網(wǎng)等場(chǎng)合，并且還不斷地發(fā)展?；谝蕴W(wǎng)的新技術(shù)和聯(lián)網(wǎng)設(shè)備不斷出現(xiàn)，以太網(wǎng)已經(jīng)成為事實(shí)上最常用的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)之一。

但是，基于以太網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)目前并是很多。其原因除了嵌入式系統(tǒng)本身運(yùn)行速度較慢、資源較少且不足以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的各種協(xié)議外，更重要是設(shè)計(jì)以太網(wǎng)的接口及協(xié)議相對(duì)比較復(fù)雜，使人望而卻步。

本文將介紹以8051系列單片機(jī)系統(tǒng)為例的嵌入式系統(tǒng)與10Mbps以太網(wǎng)控制器芯片DM9008的接口電路實(shí)現(xiàn)及編程方法。

1 以太網(wǎng)控制器DM9008簡(jiǎn)介

DM9008是臺(tái)灣DAVICOM公司生產(chǎn)的基于ISA總線的10M超級(jí)以太網(wǎng)控制器芯片。這集成了介質(zhì)訪問控制子層(MAC)和物理層的功能，可以方便地設(shè)計(jì)基于ISA總線的系統(tǒng)，也可以比較簡(jiǎn)單地與通用單片機(jī)進(jìn)行接口。

主要特點(diǎn)如下：

·實(shí)現(xiàn)IEEE 802.3協(xié)議、10BASE-T、10BASE2和10BASE5的單片貢解決方案;

·集成ISA總線接口、8K×16 SRAM、介質(zhì)訪問控制(MAC)、編解碼器(ENDEC)和10BASE-T收發(fā)器;

·與NOVELL NE2000軟件兼容;

·可選8根中斷申請(qǐng)線;

·自動(dòng)極性檢測(cè)和糾正;

·可選8、16位模式;

·外部可編程EEPROM;

·單5V電源低功耗CMOS設(shè)計(jì);

·100腳PQFP封裝。

由于該芯片功能較強(qiáng)，配置有較多的引腳，但在與一般單片機(jī)接口時(shí)只需要用到其中的一部分即可完成常用的功能。

2 與8051單片機(jī)系統(tǒng)的接口電路

下面介紹國(guó)內(nèi)最常用的8051系列單片機(jī)與DM9008的接口電路，實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)接口采用無屏蔽雙絞線(UTP)RJ-45接口。

圖1給出了8051單片機(jī)系統(tǒng)與DM9008網(wǎng)絡(luò)控制器的接口電路框圖。 8051單片機(jī)系統(tǒng)所提供的接口信號(hào)線為：P0的8位數(shù)據(jù)總線D0～D7、5根經(jīng)過鎖存的地址線A0～A4、讀信號(hào)線RD、寫信號(hào)線WR、經(jīng)過譯碼產(chǎn)生的片選線CS1和經(jīng)過反相后高電平有效地中斷請(qǐng)求線INT。這些信號(hào)線分別與DM9008的數(shù)據(jù)線低8位SD0～SD7、地址線低5位SA0～SA4、 I/O讀信號(hào)線IOR、I/O寫信號(hào)線IOW、地址使能線AEN和8根中斷請(qǐng)求線中的一根IRQ12相連。

DM9008的復(fù)位線RST與8051單片機(jī)的復(fù)位線同為高是電平有效，故在系統(tǒng)上電時(shí)同時(shí)復(fù)位。時(shí)鐘電路只需外接1個(gè)20MHz的晶振及2個(gè)電容即可。

DM9008有16根數(shù)據(jù)線，與8051單片機(jī)接口，只需用到低8位數(shù)據(jù)線，其它高8位數(shù)據(jù)線不骼，IO16接高電平或浮空，MD6/SLOT接地。地址線有SA0～SA19共20根，只用到低5位SA0～SA4與單片機(jī)相連，SA5～SA7接地、SA8～SA9 接高電平，其它高地址位全部接地。這樣對(duì)于DM9008內(nèi)部來說，I/O的基地址為300H。另外BALE、SYSCLK接地，SMEMR、MEMW、 MEMR浮空。DM9008有8根中斷請(qǐng)求線，可以先1根與8051系統(tǒng)的中斷線相連，其它7根線均浮空，所選線在EEPROM93C46中指定。

EEPROM 93C46是一個(gè)采用4線SPI串行接口的電可擦除存儲(chǔ)器，容量為64×16位(即128個(gè)字節(jié))，主要保存DM9008的配置信息，如網(wǎng)絡(luò)硬件地址、 I/O基地址、中斷線選擇等配置寄存器內(nèi)容，在DM9008復(fù)位后讀取93C46的內(nèi)容并設(shè)備內(nèi)部配置寄存器的值。如果93C46中內(nèi)容不正確，DM9008就無法正常工作。所以通常先通過編程器把配置數(shù)據(jù)寫入93C46，再把它焊在電路板上。DM9008通過EECS、EEDI、EEDO、 EECK與93C46相連。

由于本設(shè)計(jì)只使用10BASE-T，即采用無屏蔽雙絞線的RJ45接口，而 DM9008已內(nèi)置了10BASE-T的收發(fā)器，故接口部分電路比較簡(jiǎn)單，只需要外接1個(gè)隔離濾波器LAN7236即可。TPTX+、TPTX-為發(fā)送線，TPRX+、TPRX-為接收線，經(jīng)隔離后的4根線與RJ45接口相連。對(duì)于其它型號(hào)的單片機(jī)，如16位單片機(jī)80C196KC等，其接口電路只需稍作修改即可改為16位數(shù)據(jù)總線方式。

3 軟件設(shè)計(jì)

DM9008的編程包括初始化、發(fā)送、接收三部分功能。在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)以前要進(jìn)行必需的檢測(cè)和初始化。DM9008的初始化主要是設(shè)置所需的寄存器狀態(tài)，建立網(wǎng)絡(luò)接口收發(fā)的條件。

網(wǎng)絡(luò)接口通過2個(gè)DMA操作來完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。本地DMA完成DMA9008與其內(nèi)部FIFO隊(duì)列之間的數(shù)據(jù)傳送，遠(yuǎn)程DMA完成DM9008與CPU之間的數(shù)據(jù)傳送。

DM9008可尋址的空間有32個(gè)，分別為00H～1FH。其中00H～0FH是寄存器區(qū)，00H～1FH。其中00H～0FH是寄存器區(qū)，00H作為命令寄存器，通過設(shè)置可選擇3個(gè)頁(yè)面，10H～17H為數(shù)據(jù)端口，18H～1FH為復(fù)位端口。

3.1 DM9008的初始化

DM9008的具體初始化過程如下(CPU對(duì)DM9008的尋址需要加上基地址，為了描述方便，省略掉基地址直接用DM9008的內(nèi)部地址描述寄存器地址)：

(1)讀入1FH端口數(shù)據(jù)，再寫回該地址以啟動(dòng)DM9008工作。

(2)向命令寄存器CR(00H)寫入21H，選擇寄存器頁(yè)面0，并進(jìn)行軟件復(fù)位。

(3)設(shè)置數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)寄存器DCR(0EH)為48H。

(4)設(shè)置方式狀態(tài)寄存器TCR(0DH)為02H。

(5)讀出網(wǎng)絡(luò)的物理地址：

a.設(shè)置遠(yuǎn)程DMA計(jì)數(shù)器RBCR1(0BH)、RBCR0(0AH)的值為000CH;

b.設(shè)置遠(yuǎn)程DMA地址RSAR1(09H)、RSAR0(08H)的值為0000H;

c.設(shè)置命令寄存器CR(00H)為遠(yuǎn)程DMA讀，即0AH;

d.重復(fù)從數(shù)據(jù)端口(10H)讀6個(gè)字節(jié)，這6個(gè)字節(jié)即網(wǎng)絡(luò)物理地址;

e.停止遠(yuǎn)程DMA，設(shè)置CR為21H，RBCR1、RBCR0為0000H。

(6)設(shè)置接收狀態(tài)寄存器RCR(0CH)為04H。

(7)劃分緩沖區(qū)接收緩沖區(qū)和發(fā)送緩沖區(qū)，并建立接收緩沖環(huán)。將DM9008內(nèi)部RAM地址為4000H～4BFFH設(shè)置為發(fā)送緩沖區(qū)，4C00H～7FFFH設(shè)置為接收緩沖區(qū)，即設(shè)置PSTART(01H)為 4CH，PSTOP(02H)為80H，BNRY(03H)為4CH。

(8)設(shè)置CR為61H，選擇頁(yè)面1。

(9)設(shè)置網(wǎng)卡地址寄存器，把PAR0(01H)～PAR5(06H)設(shè)置為前面讀出的物理地址。

(10)設(shè)置當(dāng)前頁(yè)面寄存器CURR(07H)為PSTART+1，即4DH。

(11)清除多址寄存器，即MAR0(08H)～MAR7(0FH)為00H。

(12)設(shè)置CR為21H，選擇寄存器頁(yè)面0。

(13)清除中斷狀態(tài)寄存器ISR(07H)為0FFH。

(14)設(shè)置中斷屏蔽寄存器IMR(0FH)為3BH，即接收中斷允許、接收錯(cuò)誤中斷允許、發(fā)送錯(cuò)誤中斷允許、溢出中斷允許、計(jì)數(shù)器溢出中斷允許。

(15)設(shè)置發(fā)送設(shè)置寄存器TCR(0DH)為00H。

(16)設(shè)置CR為22H，芯片進(jìn)入工作狀態(tài)。

至此，DM9008的初始化過程完成，DM9008處于接收狀態(tài)。只要網(wǎng)絡(luò)上有可以接收的數(shù)據(jù)包，DM9008自動(dòng)將數(shù)據(jù)存入接收緩沖區(qū)并在收完后向CPU發(fā)中斷申請(qǐng)。

3.2 接收數(shù)據(jù)

DM9008收到一個(gè)完整的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包后，向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求，CPU響應(yīng)DM9008的中斷申請(qǐng)后，進(jìn)入中斷服務(wù)程序并開始接收數(shù)據(jù)，具體過程如下：

(1)讀出中斷狀態(tài)寄存器ISR，并寫回該寄存器。

(2)判斷是否數(shù)據(jù)接收中斷，如果不是，不執(zhí)行以下步驟。

(3)設(shè)置CR為22H，選擇頁(yè)面0。

(4)設(shè)置遠(yuǎn)程DMA地址寄存器RSAR1、RSAR0為接收地址指針，該指針高位字節(jié)初始值位PSTART+1，低位字節(jié)為0。

(5)設(shè)置遠(yuǎn)程DMA計(jì)數(shù)器RBCR1、RBCR0為0004H;

(6)設(shè)置CR為遠(yuǎn)程讀0AH，讀數(shù)據(jù)端口，讀出4個(gè)字節(jié)，這4個(gè)字節(jié)第1字節(jié)表示接收狀態(tài)，第2個(gè)字節(jié)為下一包開始地址指針，第3～4個(gè)字節(jié)為本數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度(高位字節(jié)在前)。

(7)設(shè)置CR為22H，遠(yuǎn)程DMA完成。

(8)根據(jù)接收狀態(tài)判斷數(shù)據(jù)包是否接收正確，如果接收正確，啟動(dòng)遠(yuǎn)程DMA，收取該數(shù)據(jù)包并進(jìn)行處理。

(9)結(jié)束遠(yuǎn)程DMA，設(shè)置下一次接收數(shù)據(jù)指針和接收邊界指針。

3.3 發(fā)送數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)的發(fā)送過程應(yīng)包含三個(gè)步驟：數(shù)據(jù)包的封裝;通過遠(yuǎn)程DMA將數(shù)據(jù)包送入DMA9008的數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū);通過DM9008的本地DMA將數(shù)據(jù)送入FIFO進(jìn)行發(fā)送。具體過程如下：

(1)數(shù)據(jù)包在發(fā)送前應(yīng)該按規(guī)定的格式封裝好，格式如下：

目的地址(6字節(jié))源地址(6字節(jié))協(xié)議(2字節(jié))數(shù)據(jù)(不小于46字節(jié))

(2)把上面的數(shù)據(jù)包通過遠(yuǎn)程DMA寫送入DM9008的數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)。

a.設(shè)置CR為22H，選擇寄存器頁(yè)面0;

b.設(shè)置中斷狀態(tài)寄存器ISR為40H，清除發(fā)送完成標(biāo)志;

c.設(shè)置遠(yuǎn)程DMA地址寄存器RSAR1、RSAR0為4000H，即發(fā)送緩沖區(qū)開始地址;

d.設(shè)置遠(yuǎn)程DMA字節(jié)計(jì)數(shù)寄存器RBCR1、RBCR0為發(fā)送數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度;

e.設(shè)置CR為12H，設(shè)置命令寄存器為遠(yuǎn)程DMA寫;

f.往數(shù)據(jù)端口寫入發(fā)送數(shù)據(jù);

g.查詢中斷狀態(tài)寄存器ISR，等待遠(yuǎn)程DMA完成;

h.設(shè)置CR為22H，設(shè)置RBCR1、RBCR0為0，遠(yuǎn)程DMA停止;

i.設(shè)置ISR為40H，清除發(fā)送完成標(biāo)志。

(3)啟動(dòng)本地DMA，把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

a.設(shè)置發(fā)送字節(jié)計(jì)數(shù)器TBCR1(06H)、TBCR0(05H)為發(fā)送數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度;

b.設(shè)置發(fā)送頁(yè)面起始地址TPSR(04H)為40H，即發(fā)送緩沖區(qū)開始地址高位字節(jié);

c.設(shè)置命令寄存器CR為26H，啟動(dòng)發(fā)送。

3.4 高層通信協(xié)議

上述發(fā)送、接收過程所完成的協(xié)議是MAC層和物理層的協(xié)議。要真正實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)與以太網(wǎng)上其它設(shè)備(如PC機(jī))之間的通信，還需要在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)更高層的通信協(xié)議，如TCP/IP協(xié)議，這樣PC機(jī)的程序員就可以使用TCP/IP協(xié)議透明地訪問嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

因此上述以8051單片機(jī)系統(tǒng)為例的嵌入式系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中除了實(shí)現(xiàn)收發(fā)數(shù)據(jù)的功能外，還需要實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議及更高層的應(yīng)用層協(xié)議才能真正實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的通信功能。由于TCP/IP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)通常采用C語言，并且有現(xiàn)成的源程序，所以在用8051系列單片機(jī)編程時(shí)，可采有C51語言并參考TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)的源程序來具體實(shí)現(xiàn)。有關(guān)這方面內(nèi)容，可以查看有關(guān)TCP/IP協(xié)議方面的資料。