基于51單片機(jī)RTL8019AS的網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序

SNMP網(wǎng)管板使用了RTL8019AS 10M ISA網(wǎng)卡芯片接入以太網(wǎng)。選它的好處是：NE2000兼容，軟件移植性好;接口簡單不用轉(zhuǎn)換芯片如PCI-ISA橋;價(jià)格便宜2.1$/片(我的購入價(jià)為22元RMB/片);帶寬充裕(針對51);較長一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)停產(chǎn)。8019有3種配置模式：跳線方式、即插即用PP方式、串行Flash配置方式。為了節(jié)省成本，我去掉了9346而使用X5045作為閃盤存儲MAC地址和其他可配置信息。PP模式用在PC機(jī)中，這里用不上。只剩下跳線配置模式可用，它的電路設(shè)計(jì)參考REALTEK提供的DEMO板圖紙。一天時(shí)間就可以完成，相對來說硬件設(shè)計(jì)比較簡單。

　　與這部分硬件相對應(yīng)的軟件是網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)。所謂驅(qū)動(dòng)程序是指一組子程序，它們屏蔽了底層硬件處理細(xì)節(jié)，同時(shí)向上層軟件提供硬件無關(guān)接口。驅(qū)動(dòng)程序可以寫成子程序嵌入到應(yīng)用程序里(如DOS下的I/O端口操作和ISR)，也可以放在動(dòng)態(tài)鏈接庫里，用到的時(shí)候再動(dòng)態(tài)調(diào)入以便節(jié)省內(nèi)存。在WIN98中，為了使V86、WIN16、WIN32三種模式的應(yīng)用程序共存，提出了虛擬機(jī)的概念，在CPU的配合下，系統(tǒng)工作在保護(hù)模式，OS接管了I/O、中斷、內(nèi)存訪問，應(yīng)用程序不能直接訪問硬件。這樣提高了系統(tǒng)可靠性和兼容性，也帶來了軟件編程復(fù)雜的問題。任何網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)都要按VXD或WDM模式編寫，對于硬件一側(cè)要處理虛擬機(jī)操作、總線協(xié)議(如ISA、PCI)、即插即用、電源管理;上層軟件一側(cè)要實(shí)現(xiàn)NDIS規(guī)范。因此在WIN98下實(shí)現(xiàn)網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)是一件相當(dāng)復(fù)雜的事情。

　　我這里說的驅(qū)動(dòng)程序特指實(shí)模式下的一組硬件芯片驅(qū)動(dòng)子程序。從程序員的角度看，8019工作流程非常簡單，驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒁l(fā)送的數(shù)據(jù)包按指定格式寫入芯片并啟動(dòng)發(fā)送命令，8019會(huì)自動(dòng)把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成物理幀格式在物理信道上傳輸。反之，8019收到物理信號后將其還原成數(shù)據(jù)，按指定格式存放在芯片RAM中以便主機(jī)程序取用。簡言之就是8019完成數(shù)據(jù)包和電信號之間的相互轉(zhuǎn)換：數(shù)據(jù)包===>電信號。以太網(wǎng)協(xié)議由芯片硬件自動(dòng)完成，對程序員透明。驅(qū)動(dòng)程序有3種功能：芯片初始化、收包、發(fā)包。

　　以太網(wǎng)協(xié)議不止一種，我用的是802.3。它的幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。物理信道上的收發(fā)操作均使用這個(gè)幀格式。其中，前導(dǎo)序列、幀起始位、CRC校驗(yàn)由硬件自動(dòng)添加/刪除，與上層軟件無關(guān)。值得注意的是，收到的數(shù)據(jù)包格式并不是802.3幀的真子集，而是如圖2所示。明顯地，8019自動(dòng)添加了“接收狀態(tài)、下一頁指針、以太網(wǎng)幀長度(以字節(jié)為單位)”三個(gè)數(shù)據(jù)成員(共4字節(jié))。這些數(shù)據(jù)成員的引入方便了驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)，體現(xiàn)了軟硬件互相配合協(xié)同工作的設(shè)計(jì)思路。當(dāng)然，發(fā)送數(shù)據(jù)包的格式是802.3幀的真子集，如圖3所示。

　　有了收發(fā)包的格式，如何發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包呢?如圖4所示，先將待發(fā)送的數(shù)據(jù)包存入芯片RAM，給出發(fā)送緩沖區(qū)首地址和數(shù)據(jù)包長度(寫入TPSR、TBCR0,1)，啟動(dòng)發(fā)送命令(CR=0x3E)即可實(shí)現(xiàn)8019發(fā)送功能。8019會(huì)自動(dòng)按以太網(wǎng)協(xié)議完成發(fā)送并將結(jié)果寫入狀態(tài)寄存器。如圖5所示，接收緩沖區(qū)構(gòu)成一個(gè)循環(huán)FIFO隊(duì)列，PSTART、PSTOP兩個(gè)寄存器限定了循環(huán)隊(duì)列的開始和結(jié)束頁，CURR為寫入指針，受芯片控制，BNRY為讀出指針，由主機(jī)程序控制。根據(jù)CURR==BNRY+1?可以判斷是否收到新的數(shù)據(jù)包，新收到的數(shù)據(jù)包按圖2格式存于以CURR指出的地址為首址的RAM中。當(dāng)CURR==BNRY時(shí)芯片停止接收數(shù)據(jù)包。如果做過FPGA設(shè)計(jì)，用過VHDL，可以想象到硬件芯片的工作原理。此處，設(shè)計(jì)2個(gè)8bit寄存器和一個(gè)2輸入比較器，當(dāng)收到數(shù)據(jù)包時(shí)，接收狀態(tài)機(jī)根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和比較器結(jié)果決定下一個(gè)狀態(tài)，如果CURR=BNRY，進(jìn)入停收狀態(tài);反之，CURR按模增1。8019數(shù)據(jù)手冊沒有給出硬件狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，說明也很簡略，往往要通過作實(shí)驗(yàn)的方法推理出工作過程。比如，ISR寄存器不只和中斷有關(guān)，當(dāng)接收緩沖溢出時(shí)，如果不清ISR(寫入FFH)，芯片將一直停止接收。在流量較大時(shí)溢出經(jīng)常發(fā)生，此時(shí)不清ISR，就會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)卡芯片死機(jī)。

　　明白了發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包的原理，那么數(shù)據(jù)包又是怎樣被主機(jī)寫入芯片RAM和從芯片RAM讀出的呢?如圖6所示，主機(jī)設(shè)置好遠(yuǎn)端DMA開始地址(RSAR0,1)和遠(yuǎn)端DMA數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)(RBCR0,1)，并在CR中設(shè)置讀/寫，就可以從遠(yuǎn)端DMA口寄存器里讀出芯片RAM里的數(shù)據(jù)/把數(shù)據(jù)寫入芯片RAM。

　　何謂本地/遠(yuǎn)端DMA呢?如圖7所示，“遠(yuǎn)端”指CPU接口側(cè);“本地”指8019的硬件收發(fā)電路側(cè)。沒有更深的意思，與遠(yuǎn)近無關(guān)，僅僅為了區(qū)分主機(jī)和芯片硬件兩個(gè)接口端。這里的DMA與平時(shí)所說的DMA有點(diǎn)不同。RTL8019AS的local DMA操作是由控制器本身完成的，而其remote DMA并不是在無主處理器的參與下，數(shù)據(jù)能自動(dòng)移到主處理器的內(nèi)存中。remote DMA指主機(jī)CPU給出起址和長度就可以讀寫芯片RAM，每操作一次RAM地址自動(dòng)加1。而普通RAM操作每次要先發(fā)地址再處理數(shù)據(jù)，速度較慢。

　　在一些高檔通信控制器上自帶有MAC控制器，工作原理與8019的差不多，比如：Motorola 68360/MPC860T內(nèi)部的CPM帶有以太網(wǎng)處理器，通過設(shè)置BD表，使軟件和硬件協(xié)同工作，它的緩沖區(qū)更大且可靈活配置。這些通信控制器的設(shè)計(jì)，體現(xiàn)了軟硬件互相融合協(xié)同工作的趨勢：軟件硬化(VHDL)，硬件軟化(DSP)，希望大家關(guān)注!

　　如圖7所示，8019以太網(wǎng)控制器以存儲器(16K雙口RAM)為核心，本地和遠(yuǎn)端控制器并發(fā)操作。這種體系結(jié)構(gòu)滿足了數(shù)據(jù)帶寬的需要。8019擁有控制、狀態(tài)、數(shù)據(jù)寄存器，通過它們，51單片機(jī)可以與8019通信。由于51資源緊張，在實(shí)現(xiàn)TCPIP協(xié)議棧時(shí)不要進(jìn)行內(nèi)存塊拷貝，建議(1)使用全局結(jié)構(gòu)體變量，在內(nèi)存中只保存一個(gè)數(shù)據(jù)包拷貝，其他沒有來得及處理的包保存在8019的16K RAM里;(2)使用查詢方式而不用中斷;(3)客戶服務(wù)器模型中服務(wù)器工作于串行方式，并發(fā)模式不適合51單片機(jī)。

　　芯片內(nèi)部地址空間的分配如圖8所示，其中0x00-0x0B(工作于8位DMA模式)用于存放本節(jié)點(diǎn)MAC地址，奇偶地址內(nèi)容是重復(fù)放置的。如：MAC地址0000 1234 5678存放在0x00-0x0B中為000000001212343456567878，單地址和雙地址的內(nèi)容是重復(fù)的.一般使用偶數(shù)地址的內(nèi)容，這主要是為了同時(shí)適應(yīng)8位和16位的dma。Prom內(nèi)容是網(wǎng)卡在上電復(fù)位的時(shí)候從93C46里讀出來的。如果你沒有使用93C46,就不要使用Prom，那么使用了93C46后如何獲得網(wǎng)卡的地址呢?有兩種方法,一是直接讀93C46,二是讀Prom。網(wǎng)卡MAC地址既不由93C46也不由Prom決定，而是由PAR0-PAR5寄存器決定。Prom只保存上電時(shí)從9346中讀出的MAC地址(如果有93C46的話)，僅此而矣。

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