采用8位单片机驱动PCI总线网卡的设计方案.doc

采用8位单片机驱动PCI总线网卡的设计方案目前，以太网（Ethernet）协议已经非常广泛地应用于各种计算机网络，如办公局域网、工业控制网络、因特网等场合，并且还不断地在发展。单片机或微控制器（MCU）（也称为嵌入式系统）已经在各个领域得到了广泛的应用。目前绝大多数系统都是以MCU为核心，与监测、伺服、指示设备配合实现一定的功能。如果嵌入式系统能够连接到Internet，则可以方便、低廉地将信息传送到世界上的任何一个地方。因此单片机如何控制以太网网卡进行传输数据，如何加载TCP/IP协议连接到互联网，这些都是一些具有挑战性的问题1，2。单片机上网研究最多的一个方案就是用单片机驱动ISA总线网卡或者是驱动基于ISA总线的以太网控制芯片。但是，近年来，随着ISA总线在台式电脑上的消失（PC98以后的标准已经取消了ISA总线），ISA总线的设备也不断减少，而且很多生产ISA网卡芯片的厂家已经停止生产ISA网卡芯片。在计算机上，多数设备用的是PCI总线，因此如何制造低成本的PCI总线的以太网接口设备，如何用单片机来驱动PCI总线网卡，已成为目前计算机工业控制系统的燃眉之急。然而用只有16位地址总线、8位数据端口的8位单片机来直接驱动有32位地址数据复用总线及其他各种信号线的PCI总线网卡，几乎是不可能的。为此，本文中采用PCI 9054接口芯片作为沟通单片机与PCI设备间的桥梁，设计实现了单片机与PCI网卡间的可靠通信任务，并提供了主要硬件接口电路和主要程序原代码。1PCI9054芯片介绍31.1PCI9054主要特性PCI9054是由美国PLX公司生产的先进的PCI I/O加速器，他采用了先进的PLX数据管道结构技术。符合PCIV2,2规范的32 位33 MHz总线主控接口控制器可获得高达132 Mb/s的PCI突发传输速度。通用总线主控接口配备先进的数据流水线架构(Data Pipe Architecture(tm)，包含2个DMA引擎，可编程目标、起始器数据传输模式和PCI信息传输等功能。1.2PCI9054本地总线工作模式介绍PCI9054芯片连接的本地端总线有3种工作模式：M模式、C模式和J模式。可利用模式选择引脚加以选择，其中C模式时序较为简单。为此，本方案设计选择PCI 9054工作在C模式。当PCI9054工作在C模式时，其数据传输采用直接数据传输方式，按数据传输的控制方式，他又分为3种传输模式，如表1所示。本方案设计采用PCI初始化器模式，通过本地端的单片机来控制PCI9054芯片，然后通过PCI9054芯片来驱动PCI总线上的网卡，在这里PCI9054芯片就象一个桥梁，连接了2个不同的总线设备。其读写工作原理如图1所示。1.3PCI9054寄存器简介PCI9054内部提供了5种寄存器：PCI配置寄存器，本地端配置寄存器，运行时间RUNTIME寄存器，DMA寄存器和I2O信息寄存器。在本方案设计中，我们主要用到2种配置寄存器：PCI配置寄存器和本地端配置寄存器，下面对这2种寄存器的功能做简要介绍。PCI配置寄存器也就是我们常说的PCI配置空间，他提供了配置PCI的一些信息。其中VenderID，DeviceID，RevisionID，HeaderType，ClassCode用于PCI设备的识别。命令寄存器（Command）包含设备控制位，包括允许存储器读写响应等。状态寄存器（Status）用于记录PCI总线的相关事件。PCI配置寄存器提供了6个基地址寄存器，这些基地址都是在系统中的物理地址范围内，其中BASE0和BASE1都是用来访问其他配置寄存器的基地址，BASE1是其他配置寄存器映射到PCI端内存的基地址，BASE2是其他寄存器映射到PCI端I/O的基地址。所以可以通过PCI端内存和PCI端I/O来访问LOCAL配置寄存器与其他3种寄存器。BASE25四个空间提供了访问本地端所接的4个芯片（当然可以少于4个），他们将本地端的芯片通过本地端地址（在LOCAL配置寄存器中设）翻译成PCI的地址，也就是将本地的芯片映射到系统的内存或I/O口。这样使得用程序操作这一段内存（或I/O）实际上就是对本地的芯片操作。本地端配置寄存器提供了本地端的一些信息，在本方案设计中，主要是通过配置本地端配置寄存器来将本地端的单片机读写指令、周期转换成PCI端的读写指令及周期。也就相当于将PCI端网卡上的芯片及存储器映射到本地端，与本地端的存储器统一编址，这样单片机只要能访问本地端的内存，那么就能用来访问PCI总线上的网卡。PCI9054工作时需要一个配置芯片E?2PROM，以便在PCI卡上电的时候配置PCI 9054，主要配置PCI卡的VendorID和DeviceID，这是系统用来标识PCI卡的。另外，还需要了其他寄存器，主要起到了对PCI 9054初始化的作用。其中本地端寄存器也可以由本地CPU读写，直接进行配置。2RTL8029网卡简介RTL8029是符合Ne2000标准的32位PCI总线网卡，遵循IEEE802.3协议。按功能可将其划分为：接收功能模块、CRC产生模块、发送功能模块、地址识别模块、FIFO控制模块、协议逻辑阵列模块及DMA和缓冲控制模块。对网卡进行编程可以实现局域网内任一站点间的通信。熟悉网卡接口电路是对网卡编程的首要条件。网卡接口电路功能可以分为2部分：一是与计算机PCI总线相连，包括数据总线读写、地址总线驱动、中断控制信号的产生、存储器读写信号以及I/O端口信号的引入等；二是对网卡内部的操作，包括对缓冲SRAM的读写、对RTL8029AS芯片的控制、读站地址PROM及读自举ROM等。通过网卡工作原理的分析，可以将接口信号线减至最少。以太网相当于一个链路层连接，因此可以把以太网的传输单元称为帧（Frame）。10 Mb以太网的Frame长度为641 518 b。其格式如表2所示。其中前导码是网络适配器发送MAC帧的时候为了使接收适配器辨别出MAC帧开始而加入的码，高层的用户不必考虑。32位CRC，即冗余校检码，是以太网使用的校检机制，现在CRC的生成与检测都可以由网络适配器完成，因此用户也不必考虑这一字段。帧类型，这一字段决定了以太网帧数据使用的是什么协议，如ARP是0x0806，IP是0x0800等。从另一个角度看，这一字段也可以看作以太网帧自己表明身份的字段。因此，在处理MAC帧时，需要根据这一字段的数据来决定将数据传送给哪个上层协议。在IEEE 802?3协议中，这一字段表示以太网数据的长度。由于两个协议在这一字段上的不同定义，所以网络适配卡对这一字段是不做解释的。程序员必须在软件上编程处理这一字段。3方案设计(1）本方案设计的硬件结构如图2所示。系统中用到的主要芯片除了80C51单片机和PCI9054外还有MAX232(串口的电平转换)，24C02(I2C总线的E?2PROM)，74HC373（8位锁存），62256（32K的RAM），EPM7096（CPLD），93C46（E2PROM，用来初始化PCI9054）。其中62256（外部32K的RAM）可以不用，可以用网卡上的RAM来代替，但是网卡上的RAM的存取比较复杂，速度会比加62256慢。使用外部RAM的目的是提高单片机的数据传输速度和处理复杂的TCP/IP协议。由于以太网的数据包最大可以有1500多字节，80C51单片机是无法存储这么大的包的，只有放到外部的RAM里。同时外部的RAM也用作串行口的输入输出缓冲，以使单片机具有高速的吞吐数据的能力。24C02是IC总线的EPROM，用来存储用户的一些设置，比如IP地址、网关等。本方案使用CPLD的目的是，将80C51单片机的8位数据与16位地址转换成32位的数据和地址，因为PCI9054工作在初始化器模式时，他要求本地端的总线是32位的。在这里，用CPLD实现这样一个外部逻辑非常简单。MAX232为串口电平转换电路。数据可以从串口输入到单片机，单片机再把数据通过网卡传出去。(2) 软件设计对网卡编程就是对网络接口控制芯片RTL8029AS中各种寄存器进行编程控制，从而完成数据分组的正确发送和接收。所有单片机程序采用C51语言编制，具有可读性强、移植性好、开发周期短的特点。代码的使用效率也比较高。主程序可以分为PCI9054芯片初始化、网络通讯和串行通讯2部分：PCI9054芯片初始化过程就是对PCI9054芯片的PCI端配置寄存器和本地端配置寄存器进行正确的编程配置，以实现本地端单片机与PCI端网卡的无缝连接，对这2个寄存器既可以通过对93C46烧写编程的方式，也可以通过本地CPU直接编程的方式来完成初始化。网络通讯过程又可分为网卡初始化、发送控制和接受控制3部分。主程序框图如图3所示。PCI9054芯片初始化过程就是对PCI9054芯片的相关寄存器进行初始化，这些寄存器包括DMRR、DMLBAM、PCICR、CNTRL等。(1) PCICR20=111B。允许PCI初始化器（本地端）访问PCI总线。PCI9054能够响应I/O访问。(2) DMPBAM10=11。允许PCI初始化器访问PCI9054存储器和I/O端口。(3) DMRR = FFF00000H。设定PCI初始化器端(4) 可访问的存储器范围是1MB。(5) DMLBAI = 40000000H。为PCI InitiatortoPCI I/O Configuration寄存器设定本地端基地址(6) DMPBAM1=1。允许本地端I/O端口访问PCI InitiatortoPCI I/O Configuration寄存器DMCFGA230=005010，DMCFGA31=1。网卡初始化过程对网卡的初始化就是对网卡相关寄存器进行初始化。这些寄存器包括CR，DCR，RBCR PSTART，PSTOP，ISR，IMR，PAR0PAR5，MAR0MAR5D等。PSTART接收缓冲区的起始页的地址。PSTOP接收缓冲区的结束页地址（该页不用于接收）。BNRY指向最后一个已经读取的页（读指针）CURR当前的接收结束页地址（写指针）。(1) CR=0x21：选择页0寄存器，将RTL8029芯片处于离线状态；(2) DCR=0x8：32位内存访问；(3) RBCR0=0,RBCR1=0:远程DMA操作时传递字节数清零；(4) RCR=0xc0,接受到的帧存入缓冲区；(5) TCR=oxe2：环路测试状态；(6) PSTART=0x4C,PSTOP0x80；构造缓冲区；(7) ISR=0xff；中断寄存器清零；(8) CR=0x61：选择页1；(9) 设置网卡地址PAR0PAR5(10) 设置多址寄存器MAR0 MAR5;(11) CURR=0x4d：初始化当前页寄存器；(12) TCR=0xE0：发送器正常工作状态。发送控制过程在网络中，帧传输的过程就是发送方将待发送数据按帧格式要求封装成帧，然后通过网卡发送到网络的传输线上的工程。发送程序框图如图4所示。接收控制过程帧的接收过程分为2步3：第1步有本地DMA将帧存入接收缓冲区中；第2步由远程DMA将接收缓冲区中的帧读入内存。即将网络上的数据帧接收并存在网卡的接收缓冲区中，然后由主机程序将缓存区中的帧读走并存入内存中。帧的接收工作由网卡自动完成，只需对相关的寄存器和PSTART，PSTOP，CURR和BNRY进行适当的初始化即可。帧读入之前，必须初始化相应的寄存器RSAR，RBCR，然后再启动远程DMA读操作和主机程序的读端口操作。为了获得数据长度，先读入18 B的数据，