基于单片机网卡驱动程序

1、基于51单片机网卡驱动程序时间:2006-09-05         我的SNMP网管板使用了RTL8019AS 10M ISA网卡芯片接入以太网。选它的好处是：NE2000兼容，软件移植性好；接口简单不用转换芯片如PCI-ISA桥；价格便宜2.1$/片(我的购入价为22元RMB/片)；带宽充裕(针对51)；较长一段时间内不会停产。8019有3种配置模式：跳线方式、即插即用P&P方式、串行Flash配置方式。为了节省成本，我去掉了9346而使用X5045作为闪盘存储MAC地址和其他可配置信息。P&P模式用在PC机中，这里用不上。

2、只剩下跳线配置模式可用，它的电路设计参考REALTEK提供的DEMO板图纸。一天时间就可以完成，相对来说硬件设计比较简单。    与这部分硬件相对应的软件是网卡驱动。所谓驱动程序是指一组子程序，它们屏蔽了底层硬件处理细节，同时向上层软件提供硬件无关接口。驱动程序可以写成子程序嵌入到应用程序里(如DOS下的I/O端口操作和ISR)，也可以放在动态链接库里，用到的时候再动态调入以便节省内存。在WIN98中，为了使V86、WIN16、WIN32三种模式的应用程序共存，提出了虚拟机的概念，在CPU的配合下，系统工作在保护模式，OS接管了I/O、中断、内存访问，应用程序不能

3、直接访问硬件。这样提高了系统可靠性和兼容性，也带来了软件编程复杂的问题。任何网卡驱动都要按VXD或WDM模式编写，对于硬件一侧要处理虚拟机操作、总线协议(如ISA、PCI)、即插即用、电源管理；上层软件一侧要实现NDIS规范。因此在WIN98下实现网卡驱动是一件相当复杂的事情。    我这里说的驱动程序特指实模式下的一组硬件芯片驱动子程序。从程序员的角度看，8019工作流程非常简单，驱动程序将要发送的数据包按指定格式写入芯片并启动发送命令，8019会自动把数据包转换成物理帧格式在物理信道上传输。反之，8019收到物理信号后将其还原成数据，按指定格式存放在芯片RAM

4、中以便主机程序取用。简言之就是8019完成数据包和电信号之间的相互转换：数据包<=>电信号。以太网协议由芯片硬件自动完成，对程序员透明。驱动程序有3种功能：芯片初始化、收包、发包。    以太网协议不止一种，我用的是802.3。它的帧结构如图1所示。物理信道上的收发操作均使用这个帧格式。其中，前导序列、帧起始位、CRC校验由硬件自动添加/删除，与上层软件无关。值得注意的是，收到的数据包格式并不是802.3帧的真子集，而是如图2所示。明显地，8019自动添加了“接收状态、下一页指针、以太网帧长度(以字节为单位)”三个数据成员(共4字节)。这些数据成员的引

5、入方便了驱动程序的设计，体现了软硬件互相配合协同工作的设计思路。当然，发送数据包的格式是802.3帧的真子集，如图3所示。              有了收发包的格式，如何发送和接收数据包呢？如图4所示，先将待发送的数据包存入芯片RAM，给出发送缓冲区首地址和数据包长度(写入TPSR、TBCR0,1)，启动发送命令(CR=0x3E)即可实现8019发送功能。8019会自动按以太网协议完成发送并将结果写入状态寄存器。如图5所示，接收缓冲区构成一个循环FIFO队列，PS

6、TART、PSTOP两个寄存器限定了循环队列的开始和结束页，CURR为写入指针，受芯片控制，BNRY为读出指针，由主机程序控制。根据CURR=BNRY+1?可以判断是否收到新的数据包，新收到的数据包按图2格式存于以CURR指出的地址为首址的RAM中。当CURR=BNRY时芯片停止接收数据包。如果做过FPGA设计，用过VHDL，可以想象到硬件芯片的工作原理。此处，设计2个8bit寄存器和一个2输入比较器，当收到数据包时，接收状态机根据当前状态和比较器结果决定下一个状态，如果CURR=BNRY，进入停收状态；反之，CURR按模增1。8019数据手册没有给出硬件状态机实现方法，说明也很简略，往往要通

7、过作实验的方法推理出工作过程。比如，ISR寄存器不只和中断有关，当接收缓冲溢出时，如果不清ISR(写入FFH)，芯片将一直停止接收。在流量较大时溢出经常发生，此时不清ISR，就会导致网卡芯片死机。          明白了发送和接收数据包的原理，那么数据包又是怎样被主机写入芯片RAM和从芯片RAM读出的呢？如图6所示，主机设置好远端DMA开始地址(RSAR0,1)和远端DMA数据字节数(RBCR0,1)，并在CR中设置读/写，就可以从远端DMA口寄存器里读出芯片RAM里的数据/把数据写入芯片RAM。 &#

8、160;  何谓本地/远端DMA呢？如图7所示，“远端”指CPU接口侧；“本地”指8019的硬件收发电路侧。没有更深的意思，与远近无关，仅仅为了区分主机和芯片硬件两个接口端。这里的DMA与平时所说的DMA有点不同。RTL8019AS的local DMA操作是由控制器本身完成的，而其remote DMA并不是在无主处理器的参与下，数据能自动移到主处理器的内存中。remote DMA指主机CPU给出起址和长度就可以读写芯片RAM，每操作一次RAM地址自动加1。而普通RAM操作每次要先发地址再处理数据，速度较慢。    在一些高档通信控制器上自带有MAC控制器

9、，工作原理与8019的差不多，比如：Motorola 68360/MPC860T内部的CPM带有以太网处理器，通过设置BD表，使软件和硬件协同工作，它的缓冲区更大且可灵活配置。这些通信控制器的设计，体现了软硬件互相融合协同工作的趋势：软件硬化(VHDL)，硬件软化(DSP)，希望大家关注！            网卡MAC地址不是随便定义的，它的组成结构如图9所示。以太网的地址为48位，由ieee统一分配给网卡制造商，每个网卡的地址都必须是全球唯一的。共6个字节的长度。FF:FF:FF:FF:FF:FF为

10、广播地址，只能用在目的地址段，不能作为源地址段。目的地址为广播地址的数据包，可以被一个局域网内的所有网卡接收到。合法的以太网地址第32位组播标志必须为0。例如：X0:XX:XX:XX:XX:XXX2:XX:XX:XX:XX:XXX4:XX:XX:XX:XX:XX X6:XX:XX:XX:XX:XXX8:XX:XX:XX:XX:XXXA:XX:XX:XX:XX:XXXC:XX:XX:XX:XX:XX XE:XX:XX:XX:XX:XX为合法以太网地址。上面的X代表0F中的任一个。地址X1:XX:XX:XX:XX:XXX3:XX:XX:XX:XX:XXX5:XX:XX:XX:XX:XX X7:XX

11、:XX:XX:XX:XXX9:XX:XX:XX:XX:XXXB:XX:XX:XX:XX:XXXD:XX:XX:XX:XX:XX XF:XX:XX:XX:XX:XX 为组播地址，只能作为目的地址，不能作为源地址。组播地址可以被支持该组播地址的一组网卡接收到。组播地址主要用在视频广播，远程唤醒（通过发一个特殊的数据包使网卡产生一个中断信号，启动电脑），游戏（多个人在局域网里联机打游戏）里等。以下是一些具体的组播地址：地址范围01:00:5E:00:00:00-01:00:5E:7F:FF:FF 用于ip地址的组播，其他组播地址跟tcp/ip无关，不做介绍。网卡可以接收以下3种地址的数据包：第一种

12、目的地址跟自己的网卡地址是一样的数据包；第二种 目的地址为FF:FF:FF:FF:FF:FF广播地址的数据包；第三种 目的地址为跟自己的组播地址范围相同的数据包。在以太网的应用当中，如果你希望你的数据包只发给一个网卡，目的地址用对方的网卡地址；如果你想把数据包发给所有的网卡，目的地址用广播地址；如果你想把数据包发给一组网卡，目的地址用组播地址。其他用到的寄存器：CR-命令寄存器       TSR-发送状态寄存器        ISR-中断状态寄存器RSR-接收状态

13、寄存器  RCR-接收配置寄存器        TCR-发送配置寄存器DCR-数据配置寄存器  IMR-中断屏蔽寄存器        NCR-包发送期间碰撞次数FIFO-环回检测后，查看FIFO内容CNTR0-帧同步错总计数器CNTR1-CRC错总计数器CNTR2-丢包总计数器PAR0-5-本节点MAC地址MAR0-7-多播地址匹配建议：将图形中寄存器名称标注上页号和地址偏移(如：BNRY 0页0x03)，打印出此图，看图编程，直观且不

14、容易出错。备注：收缓冲区、发缓冲区、数据存储区在16K双口RAM里的安排由用户自行决定，只要不引起冲突即可，以下源程序代码实现的只是其中的一种分配方案。部分源程序清单：struct ethernet    unsigned char status;          /接收状态    unsigned char nextpage;        /下一个页  

15、;  unsigned int  length;          /以太网长度，以字节为单位    unsigned int  destnodeid3;   /目的网卡地址    unsigned int  sourcenodeid3; /源网卡地址    unsigned int  protocal;   

16、0;    /下一层协议    unsigned char packet1500;    /包的内容;void ne2000init()/ne2000网卡初始化    rtl8019as_rst();    reg00=0x21;   /选择页0的寄存器，网卡停止运行，因为还没有初始化。    delay_ms(10); /延时10毫秒,确保芯片进入停止模式/使芯片处于mon和loopback模式

17、,跟外部网络断开    page(0);    reg0a=0x00;    reg0b=0x00;    reg0c=0xE0; /monitor mode (no packet receive)    reg0d=0xE2; /loop back mode/使用0x40-0x4B为网卡的发送缓冲区，共12页，刚好可以存储2个最大的以太网包。/使用0x4c0x7f为网卡的接收缓冲区，共52页。    reg01=0

18、x4C; /Pstart  接收缓冲区范围    reg02=0x80; /Pstop    reg03=0x4C; /BNRY    reg04=0x40; /TPSR    发送缓冲区范围    reg07=0xFF;/*清除所有中断标志位*/    reg0f=0x00;/IMR disable all interrupt    reg0e=0xC8; /DCR byte

19、 dma 8位dma方式    page(1); /选择页1的寄存器    reg07=0x4D; /CURR      reg08=0x00; /MAR0    reg09=0x41; /MAR1    reg0a=0x00; /MAR2    reg0b=0x80; /MAR3    reg0c=0x00; /MAR4    reg0d=0x0

20、0; /MAR5    reg0e=0x00; /MAR6    reg0f=0x00; /MAR7     initNIC(); /初始化MAC地址和网络相关参数/将网卡设置成正常的模式,跟外部网络连接    page(0);    reg0c=0xCC; /RCR    reg0d=0xE0; /TCR    reg00=0x22; /这时让芯片开始工作?

21、0;   reg07=0xFF; /清除所有中断标志位void send_packet(union netcard *txdnet,unsigned int length)/ne2000发包子程序/发送一个数据包的命令,长度最小为60字节,最大1514字节需要发送的数据包要先存放在txdnet缓冲区    unsigned char i;    unsigned int ii;    page(0);    if(length<60) length=

22、"60"    for(i=0;i<3;i+)        txdnet->etherframe.sourcenodeidi=my_ethernet_address.wordsi;    txd_buffer_select=!txd_buffer_select;    if(txd_buffer_select)        reg0

23、9=0x40 ;          /txdwrite highaddress    else        reg09=0x46 ;          /txdwrite highaddress           reg08=

24、0x00;    /read page address low    reg0b=length>>8;          /read count high    reg0a=length&0xFF;        /read count low;    reg00=0x12;  

25、  /write dma, page0       for(ii=4;ii<length+4;ii+)        reg10=txdnet->bytes.bytebufii;     for(i=0;i<6;i+)                &

26、#160;  /最多重发6次        for(ii=0;ii<1000;ii+)          /检查txp为是否为低            if(reg00&0x04)=0) break;         

27、0;       if(reg04&0x01)!=0) break;      /表示发送成功                 reg00=0x3E;         if(txd_buffer_select) reg04=0x40;   /

28、txd packet start;     else reg04=0x46;          /txd packet start;             reg06=length>>8;          /high byte counter  

29、;  reg05=length&0xFF;        /low byte counter    reg00=0x3E;               /to sendpacket;  bit recv_packet(union netcard *rxdnet)/ne2000收包子程序    unsi

30、gned char i;    unsigned int ii;    unsigned char bnry,curr;       page(0);    reg07=0xFF;    bnry="reg03"               /bnry page hav

31、e read 读页指针    page(1);    curr="reg07"               /curr writepoint 8019写页指针    page(0);    if(curr=0)        return 0;

32、60;            /读的过程出错     bnry="bnry"+;    if(bnry>0x7F) bnry="0x4C"    if(bnry!=curr)           /此时表示有新的数据包在缓冲区里 /读

33、取一包的前18个字节:4字节的8019头部,6字节目的地址,6字节原地址,2字节协议 /在任何操作都最好返回page0        page(0);         reg09=bnry;           /read page address high        reg

34、08=0x00;           /read page address low        reg0b=0x00;           /read count high        reg0a=18;    &#

35、160;        /read count low;        reg00=0x0A;           /read dma        for(i=0;i<18;i+)        

36、60;   rxdnet->bytes.bytebufi=reg10;        i="rxdnet-">bytes.bytebuf3;     /将长度字段的高低字节掉转        rxdnet->bytes.bytebuf3=rxdnet->bytes.bytebuf2;      

37、  rxdnet->bytes.bytebuf2=i;            rxdnet->etherframe.length=rxdnet->etherframe.length-4; /去掉4个字节的CRC        /表示读入的数据包有效        if(rxdnet->bytes.bytebuf0&0

38、x01)=0)|(rxdnet->bytes.bytebuf1>0x7F)|(rxdnet->bytes.bytebuf1<0x4C)|(rxdnet->bytes.bytebuf2>0x06)            /接收状态错误,或者next_page_start错误或者长度错误,将丢弃所有数据包            page(1);&

39、#160;           curr="reg07"       /page1            page(0);          /切换回page0     

40、       bnry="curr-1"            if(bnry<0x4C) bnry="0x7F"            reg03=bnry;       /write to bnry 

41、                return 0;                else/表示数据包是完好的.读取剩下的数据            if(rxdnet->to

42、cal=0x0800)|(rxdnet->tocal=0x0806)            /协议为IP或ARP才接收                        reg09=bnry;   /read page address high                reg08=4;      /read page address low     &