網(wǎng)卡RAM區(qū)如圖2所示,，我們設(shè)置PSTART和PSTOP,就決定了接收區(qū)域在46和7F之間,，剩下6頁作為發(fā)送緩沖區(qū),，可以滿足一次發(fā)送容量為1514byte的最大以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的要求,。CURR初始值設(shè)為47,BNRY初始值設(shè)為46。當(dāng)收到新的數(shù)據(jù)包時（例如3頁）,，網(wǎng)卡將它們依次放到47,、48和49頁，CURR自動指向4A頁。當(dāng)我們讀完這3頁的數(shù)據(jù)包后,，要將BNRY改為49,以通知網(wǎng)卡數(shù)據(jù)包已經(jīng)讀完了,。
網(wǎng)卡芯片接收到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包后，存在CURR指向的頁面中,。一個數(shù)據(jù)包可以占據(jù)一頁,，也可以占據(jù)多頁。在接收包的包頭里,，保存有該包的信息,。包頭格式如表1:
讀完這個包頭，我們就能知道本包的接收狀態(tài),，包長度,，以及下一個包的位置。在接收循環(huán)中,，檢查中斷狀態(tài)寄存器ISR狀態(tài),，發(fā)現(xiàn)有新包來，先讀取包頭信息,，接著按照包頭指示讀取全包,，然后改寫B(tài)NRY,再接著讀下一個包，這樣循環(huán),，直到達到CURR位置,。注意，一個包有可能占據(jù)接收緩沖區(qū)的首,、尾頁面,，此時須小心讀取。
發(fā)送數(shù)據(jù)包比較簡單,，將準備好的數(shù)據(jù)用DMA傳到發(fā)送緩沖區(qū),，然后設(shè)置發(fā)送長度到TBCR1和TBCR0中，再設(shè)置傳輸開始頁面,，即令TPSR=0x40,最后,，使CR=0x26,就開始傳送了。
傳送完成后要清掉中斷狀態(tài)寄存器ISR的發(fā)送完成標志,。值得注意的是,，發(fā)送包的包長度不能小于以太網(wǎng)規(guī)定的60byte,否則網(wǎng)卡不會將其發(fā)出。
3 TCP/IP協(xié)議在單片機上的軟件設(shè)計
3.1 TCPIP協(xié)議棧和鏈路層格式
Internet上使用的是TCP/IP協(xié)議簇,，由下至上包含四層：數(shù)據(jù)鏈路層,、網(wǎng)絡(luò)層（IP）、傳輸層（TCP）和應(yīng)用層,。我們在單片機上能實現(xiàn)的是數(shù)據(jù)鏈路層的功能,，上層協(xié)議鑒于單片機有限的資源，只能實現(xiàn)部分功能。TCP/IP協(xié)議棧如表2:
數(shù)據(jù)鏈路層處于協(xié)議棧的最低層,，傳輸以太網(wǎng)的物理傳輸幀,，其幀格式如表3：
數(shù)據(jù)鏈路層是所有TCP/IP包的基礎(chǔ)，所有它上層的包都被封裝到鏈路層幀的數(shù)據(jù)段中,。鏈路層就是MAC對MAC的通信,。
3.2 PING命令在單片機上的實現(xiàn)
PING是網(wǎng)絡(luò)層（IP層）的命令，網(wǎng)絡(luò)層就是IP對IP之間的通信,。主機對一個目標IP地址發(fā)出狀態(tài)請求,，后者發(fā)出回應(yīng)，這樣,，就可以用來檢查兩者之間的線路是否暢通,。這里涉及到兩個網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議：
ARP和ICMP。首先,，網(wǎng)絡(luò)中要知道目標IP的MAC地址,，才能發(fā)送數(shù)據(jù)。為了獲取該地址,，我們向整個網(wǎng)絡(luò)發(fā)送一個ARP廣播包,，詢問該IP對應(yīng)的MAC地址，然后目標IP應(yīng)答,，我們就從應(yīng)答信息中得到MAC地址,。其次，發(fā)送一個ICMP包,，請求目標IP狀態(tài),，目標IP回應(yīng)，就完成網(wǎng)絡(luò)連接測試,。在我們的實驗中,，發(fā)出PING命令的是網(wǎng)絡(luò)中的PC主機，接收信號并產(chǎn)生響應(yīng)的是我們的單片機系統(tǒng),。我們假定單片機系統(tǒng)控制的網(wǎng)卡的IP為192.168.0.176,。
第一步，實現(xiàn)ARP協(xié)議,。ARP協(xié)議是"AddressResolutionProtocol"（地址解析協(xié)議）的縮寫,，它的作用是將IP地址轉(zhuǎn)換成物理地址（就是常說的MAC地址）。協(xié)議ARP的分組格式如表4:
當(dāng)單片機主處理器處理網(wǎng)卡收到的ARP廣播請求時,，如果發(fā)現(xiàn)是請求“192.168.0.176”的MAC地址,，于是按要求打一個ARP應(yīng)答包，將自己的MAC地址放到應(yīng)答包中,，發(fā)送回網(wǎng)絡(luò)就完成了PING的第一步,。注意，要在應(yīng)答包尾加18byte的補丁,，否則應(yīng)答包長度不滿足最小60byte的要求,。
第二步，實現(xiàn)ICMP協(xié)議,。ICMP是“InternetControlMessageProtocol”（Internet控制消息協(xié)議）的縮寫,。用于在IP主機、路由器之間傳遞控制消息,?？刂葡⑹侵妇W(wǎng)絡(luò)通不通、主機是否可達,、路由是否可用等網(wǎng)絡(luò)本身的消息,。這些控制消息雖然并不傳輸用戶數(shù)據(jù)，但是對于用戶數(shù)據(jù)的傳遞起著重要的作用,。
ICMP是封裝在IP協(xié)議中,，所以有IP包頭。
ICMP協(xié)議結(jié)構(gòu)如表5：
網(wǎng)絡(luò)主機在收到ARP的應(yīng)答包后,，取出其中的MAC地址,，然后向該MAC發(fā)出ICMP請求。主處理器處理該請求時,，將請求包的標識和序列號對應(yīng)填入ICMP應(yīng)答包,，其它部分按要求填寫。校驗和的計算有成熟的公式,，容易計算,，只要先把校驗和部分置0,將包頭的計算結(jié)果再填入校驗和就可以了。
最后將該ICMP應(yīng)答包送入網(wǎng)絡(luò),，這樣就完成了PING的全過程,。此時，發(fā)出PING命令的網(wǎng)絡(luò)主機就會得到“Replyfrom192.168.0.176:bytes=32time<10msTTL=128”的信息,。
4 串行數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換的討論
網(wǎng)絡(luò)層之上,，有兩種傳輸層協(xié)議：TCP（Trans2missionControlProtocol）和UDP（UserDatagramProtocol）。對于數(shù)據(jù)傳輸要求高的場合,，需要使用TCP協(xié)議作為雙方通信方式,，但此種方式較為復(fù)雜。而對于一些實時信號及其反向控制信號的傳遞,，實現(xiàn)UDP協(xié)議就可以滿足要求了,。表6是UDP協(xié)議結(jié)構(gòu)：
當(dāng)原始數(shù)據(jù)從串口送到到主處理器后，主處理器將其打包成UDP報文,，發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中,。網(wǎng)絡(luò)端監(jiān)控主機接收并處理該UDP報文,，然后將控制信息同樣以UDP報文發(fā)出。主處理器把網(wǎng)絡(luò)控制信號返回給串口,。這樣,，我們在Internet中就可以方便地完成對現(xiàn)場串口數(shù)據(jù)源的監(jiān)視和控制過程。
5 結(jié)語
因為單片機對于各種電器設(shè)備有良好的接入和控制能力,，所以,，我們實現(xiàn)了單片機的網(wǎng)絡(luò)接入功能后，就在電器的硬件設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)之間建起了一道橋梁,。通過它,，可以實現(xiàn)對各種實時信號、儀器儀表,、家用設(shè)施等目標的遠程監(jiān)視,，在宏觀上對各種設(shè)備統(tǒng)一管理，實現(xiàn)人與系統(tǒng)的和諧的交互,。這必將大大提高工作效率,，改善工作環(huán)境，提升人們的生產(chǎn),、生活水平,。
本文深入研究了使用單片機控制網(wǎng)卡，接入以太網(wǎng)Ethernet,即IEEE802.3協(xié)議網(wǎng)絡(luò),，實現(xiàn)串口儀器的網(wǎng)絡(luò)化,。
1 硬件結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計
1.1 總體設(shè)計
整個系統(tǒng)設(shè)計采用ATMEL公司8位通用微控制器AT89C51作為主處理器，驅(qū)動REALTEK公司的10M以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS,實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)和外部網(wǎng)絡(luò)互連,。
1.2 網(wǎng)卡接線設(shè)計
RTL8019AS為100管腳PQFP封裝,，工作電壓5V。其接線原理圖如圖1所示,。地址SA0-4接到單片機P2的低五位上,；SA8和SA9接電源；其余SA5-7,SA10-19這13個管腳全部接地,；IORB和IOWB分別接單片機的讀寫信號端,；RSTDRV接到P1.2上；8位數(shù)據(jù)SD0-7按順序接到單片機P0.020.7腳,；TPOUT+和PTOUT-是發(fā)送管腳對,，連接到RJ45口的發(fā)送腳1和2;而TPIN+和TPIN-則是接收管腳對，連接到RJ45口的接收腳3和6;管腳X1和X2之間接20M的晶振及接地電容,；LED0和LED1分別串接發(fā)光二極管和1k8電阻,，連到5V電源上；IOCS16B管腳串接27k8電阻接地,；管腳BD0-3（IOS0-3）是負責(zé)定義基地址位置的,，全部懸空,，作為0輸入。
LED0默認表示通信沖突COL,LED1表示接收數(shù)據(jù)包,。發(fā)送對和接收對不能直接接到RJ45插頭上,，要通過隔離電壓模塊（選用20F-01）和RJ45相連。網(wǎng)卡有16bit數(shù)據(jù)線,，可以使用16bit或8bit模式傳送數(shù)據(jù),，使IOCS16B管腳為低,，我們選中的是8bit模式,。
1.3 串行接口部分
1串口部分采用MAX232和9針串口。單片機P3.0/RXD0和P3.0/RXD0通過MAX232芯片分別接到串口的2針和3針上,。串口5針接地,。
串行口選擇工作方式1,這時的波特率計算公式為：
串口在9600波特率時，晶振選用11.0592M,預(yù)設(shè)值算得0xFD,smod=0;晶振選用16MHz,預(yù)設(shè)值為0xF7,smod=1,。
2 網(wǎng)卡的初始化和工作過程
2.1 網(wǎng)卡芯片RTL8019AS的控制方法
控制網(wǎng)卡芯片RTL8019AS是通過讀寫芯片上的32個字節(jié)的控制寄存器組實現(xiàn)的,。另外該芯片含有16kbyte的RAM,地址為0x400020x7fff。這些RAM不能通過單片機直接尋址,，必須通過32個字節(jié)的控制寄存器組,，以DMA方式讀寫它們。
32個字節(jié)的控制寄存器組可以由單片機直接尋址,，但其基地址是通過管腳BD0-3（IOS0-3）配置的,。電路中將四個管腳全部懸空，全0輸入,，產(chǎn)品資料說明其基地址為300H,。
這32個字節(jié)的控制寄存器組分成4頁，00H寄存器稱為CommandRegister（CR）,，CR的最高兩位代表目前寄存器處于哪一頁,。01H到0FH在不同的頁有不同的意義，同時,，即使同一頁,，讀和寫代表的意義也可能不同，這一點很值得注意,。10H217H是遠程DMA端口,，而18H-1FH是網(wǎng)卡復(fù)位端口。
2.2 DMA數(shù)據(jù)通道
RTL8019AS內(nèi)部劃分為遠程DMA（RemoteDMA）通道和本地DMA（LocalDMA）通道兩個部分,。本地DMA完成控制器與網(wǎng)線的數(shù)據(jù)交換,，遠程DMA完成主處理器與網(wǎng)卡數(shù)據(jù)交換。單片機主處理器收發(fā)數(shù)據(jù)只需對遠程DMA操作,。接收數(shù)據(jù)時,，RTL8019AS接收到的數(shù)據(jù)通過MAC比較,、CRC校驗后，由FIFO存到接收緩沖區(qū),，收滿一幀后,，以中斷或寄存器標志的方式通知主處理器，主處理器通過遠程DMA通道將其讀出,。當(dāng)主處理器要向以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)時,，先將一幀數(shù)據(jù)通過遠程DMA通道送到RTL8019AS中的發(fā)送緩存區(qū)，然后發(fā)出傳送命令,；RTL8019AS在完成了上一幀的發(fā)送后,，再完成此幀的發(fā)送。
所謂的DMA就是直接內(nèi)存訪問（DirectMem2oryAccess）,。普通的尋址方式是給出一個地址,，然后取出對應(yīng)的值。而在DMA方式下,，我們指定一個寄存器地址,，主機只要反復(fù)地讀取或?qū)懭脒@個地址，就可以取出或?qū)懭氪罅康臄?shù)據(jù),。網(wǎng)卡指定的遠程DMA端口就是這個用途,。設(shè)置好起始地址和讀出的byte數(shù)后，我們反復(fù)讀遠程DMA端口,，就可以將網(wǎng)卡里從網(wǎng)線收到的數(shù)據(jù)包,，從0x400020x7fff的RAM區(qū)讀出；反之,，同樣設(shè)置好起始地址和寫入的byte數(shù)后,，我們反復(fù)寫遠程DMA端口，就可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)卡的發(fā)送緩沖RAM中,，然后發(fā)出發(fā)送的命令,，就可以把數(shù)據(jù)包發(fā)送到網(wǎng)線中。
2.3 網(wǎng)卡的初始化過程
復(fù)位,，使RSTDRV先高后低,，注意每一步都要有100ms的延時，以確保復(fù)位成功,。然后進行熱復(fù)位,，就是先后讀、寫網(wǎng)卡復(fù)位端口,。
使CR=0x21,停止芯片運行,，選擇頁面0。
使RBCR1=0;RBCR0=0,將遠程DMA操作的傳輸字節(jié)數(shù)清零,。
使PSTART=0x46;PSTOP=0x80;BNRY=0x46,設(shè)置接收開始頁面,、結(jié)束頁面和邊界頁面,。
使IMR=0x0,清除中斷屏蔽寄存器。
使RCR=0x08+0x04,設(shè)置接收配置寄存器,，允許接收多址和廣播報文,。
使TCR=0,設(shè)置發(fā)送配置寄存器，使用默認配置,。
使DCR=0x80+0x40+0x00,設(shè)置數(shù)據(jù)配置寄存器,，選擇字節(jié)DMA。
使ISR=-1,設(shè)置中斷狀態(tài)寄存器,，清除所有已有中斷,。
使用DMA方式，從0000H2000BH中取得本網(wǎng)卡MAC地址,。注意,，MAC地址每個byte都是重復(fù)一遍存放的,，所以只要取單數(shù)1,、3、5等byte就可以了,。
使CR=0x61,選擇頁面1,。
將剛才取得的MAC地址放入PAR0-5中。網(wǎng)卡檢查接收到的包是否和PAR里MAC值匹配,，然后決定收下或丟棄,。所以，也可以任意設(shè)置這個PAR值,，來偽造自己的MAC值,。
將MAR02MAR7全部設(shè)為0xFF,允許接收所有的多址數(shù)據(jù)包。
使CURR=0x47,設(shè)置當(dāng)前接收頁面為0x47,。
使CR=0x22,啟動網(wǎng)卡芯片,，開始接收和發(fā)送過程。
2.4 網(wǎng)卡工作接收和發(fā)送過程
網(wǎng)卡RAM是以256byte為一頁,，是按頁存儲的結(jié)構(gòu),，16bit的RAM地址高8bit又叫頁碼。網(wǎng)卡的16k的RAM地址從0x400020x7fff,從頁0x40到頁0x7f,一共有64頁,。64頁被接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包用,。接收和發(fā)送都是以頁為最小的單位進行的。接收緩沖區(qū)需要定義,，剩下的就可以作為發(fā)送緩沖區(qū),。
接收緩沖區(qū)由兩個寄存器決定：PSTART（PageStartRegister）和PSTOP（PageStopRegister）。設(shè)置了接收緩沖區(qū)之后,，這個緩沖區(qū)就形成了一個循環(huán)隊列,?？刂平邮站彌_區(qū)的有兩個寄存器CURR、BNRY,。CURR是網(wǎng)卡寫緩沖區(qū)的指針,，指向當(dāng)前要寫的頁；BNRY是讀指針,，指向用戶已經(jīng)讀走的頁,。
BNRY不可以超過CURR,否則沒被用戶讀取的數(shù)據(jù)就被覆蓋了。用戶設(shè)置完了CURR以后,，就不用管它,，網(wǎng)卡接收到新的數(shù)據(jù)后，會自動修改它,。用戶讀出數(shù)據(jù)后,，要修改BNRY的值，以通知網(wǎng)卡該數(shù)據(jù)已經(jīng)讀出了,。