采用8位單片機(jī)驅(qū)動PCI總線網(wǎng)卡的設(shè)計方案

單片機(jī)上網(wǎng)研究最多的一個方案就是用單片機(jī)驅(qū)動ISA總線網(wǎng)卡或者是驅(qū)動基于ISA總線的以太網(wǎng)控制芯片。但是，近年來，隨著ISA總線在臺式電腦上的消失(PC98以后的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)取消了ISA總線)，ISA總線的設(shè)備也不斷減少，而且很多生產(chǎn)ISA網(wǎng)卡芯片的廠家已經(jīng)停止生產(chǎn)ISA網(wǎng)卡芯片。在計算機(jī)上，多數(shù)設(shè)備用的是PCI總線，因此如何制造低成本的PCI總線的以太網(wǎng)接口設(shè)備，如何用單片機(jī)來驅(qū)動PCI總線網(wǎng)卡，已成為目前計算機(jī)工業(yè)控制系統(tǒng)的燃眉之急。然而用只有16位地址總線、8位數(shù)據(jù)端口的8位單片機(jī)來直接驅(qū)動有32位地址數(shù)據(jù)復(fù)用總線及其他各種信號線的PCI總線網(wǎng)卡，幾乎是不可能的。

為此，本文中采用PCI 9054接口芯片作為溝通單片機(jī)與PCI設(shè)備間的橋梁，設(shè)計實現(xiàn)了單片機(jī)與PCI網(wǎng)卡間的可靠通信任務(wù)，并提供了主要硬件接口電路和主要程序原代碼。

1PCI9054芯片介紹[3]

1.1PCI9054主要特性

PCI9054是由美國PLX公司生產(chǎn)的先進(jìn)的PCI I/O加速器，他采用了先進(jìn)的PLX數(shù)據(jù)管道結(jié)構(gòu)技術(shù)。符合PCIV2,2規(guī)范的32 位33 MHz總線主控接口控制器可獲得高達(dá)132 Mb/s的PCI突發(fā)傳輸速度。通用總線主控接口配備先進(jìn)的數(shù)據(jù)流水線架構(gòu)(Data Pipe Architecture(tm))，包含2個DMA引擎，可編程目標(biāo)、起始器數(shù)據(jù)傳輸模式和PCI信息傳輸?shù)裙δ堋?/p>

1.2PCI9054本地總線工作模式介紹

PCI9054芯片連接的本地端總線有3種工作模式：M模式、C模式和J模式?？衫媚Ｊ竭x擇引腳加以選擇，其中C模式時序較為簡單。為此，本方案設(shè)計選擇PCI 9054工作在C模式。當(dāng)PCI9054工作在C模式時，其數(shù)據(jù)傳輸采用直接數(shù)據(jù)傳輸方式，按數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂品绞?，他又分?種傳輸模式，如表1所示。

本方案設(shè)計采用PCI初始化器模式，通過本地端的單片機(jī)來控制PCI9054芯片，然后通過PCI9054芯片來驅(qū)動PCI總線上的網(wǎng)卡，在這里PCI9054芯片就象一個橋梁，連接了2個不同的總線設(shè)備。其讀寫工作原理如圖1所示。

1.3PCI9054寄存器簡介

PCI9054內(nèi)部提供了5種寄存器：PCI配置寄存器，本地端配置寄存器，運(yùn)行時間RUNTIME寄存器，DMA寄存器和I2O信息寄存器。在本方案設(shè)計中，我們主要用到2種配置寄存器：PCI配置寄存器和本地端配置寄存器，下面對這2種寄存器的功能做簡要介紹。

PCI配置寄存器也就是我們常說的PCI配置空間，他提供了配置PCI的一些信息。其中VenderID，DeviceID，RevisionID，HeaderType，ClassCode用于PCI設(shè)備的識別。命令寄存器(Command)包含設(shè)備控制位，包括允許存儲器讀寫響應(yīng)等。狀態(tài)寄存器(Status)用于記錄PCI總線的相關(guān)事件。PCI配置寄存器提供了6個基地址寄存器，這些基地址都是在系統(tǒng)中的物理地址范圍內(nèi)，其中BASE0和BASE1都是用來訪問其他配置寄存器的基地址，BASE1是其他配置寄存器映射到PCI端內(nèi)存的基地址，BASE2是其他寄存器映射到PCI端I/O的基地址。所以可以通過PCI端內(nèi)存和PCI端I/O來訪問LOCAL配置寄存器與其他3種寄存器。BASE2～5四個空間提供了訪問本地端所接的4個芯片(當(dāng)然可以少于4個)，他們將本地端的芯片通過本地端地址(在LOCAL配置寄存器中設(shè))翻譯成PCI的地址，也就是將本地的芯片映射到系統(tǒng)的內(nèi)存或I/O口。這樣使得用程序操作這一段內(nèi)存(或I/O)實際上就是對本地的芯片操作。

本地端配置寄存器提供了本地端的一些信息，在本方案設(shè)計中，主要是通過配置本地端配置寄存器來將本地端的單片機(jī)讀寫指令、周期轉(zhuǎn)換成PCI端的讀寫指令及周期。也就相當(dāng)于將PCI端網(wǎng)卡上的芯片及存儲器映射到本地端，與本地端的存儲器統(tǒng)一編址，這樣單片機(jī)只要能訪問本地端的內(nèi)存，那么就能用來訪問PCI總線上的網(wǎng)卡。

PCI9054工作時需要一個配置芯片E?2PROM，以便在PCI卡上電的時候配置PCI 9054，主要配置PCI卡的VendorID和DeviceID，這是系統(tǒng)用來標(biāo)識PCI卡的。另外，還需要了其他寄存器，主要起到了對PCI 9054初始化的作用。其中本地端寄存器也可以由本地CPU讀寫，直接進(jìn)行配置。

2RTL8029網(wǎng)卡簡介

?RTL8029是符合Ne2000標(biāo)準(zhǔn)的32位PCI總線網(wǎng)卡，遵循IEEE802.3協(xié)議。按功能可將其劃分為：接收功能模塊、CRC產(chǎn)生模塊、發(fā)送功能模塊、地址識別模塊、FIFO控制模塊、協(xié)議邏輯陣列模塊及DMA和緩沖控制模塊。對網(wǎng)卡進(jìn)行編程可以實現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)任一站點(diǎn)間的通信。熟悉網(wǎng)卡接口電路是對網(wǎng)卡編程的首要條件。網(wǎng)卡接口電路功能可以分為2部分：一是與計算機(jī)PCI總線相連，包括數(shù)據(jù)總線讀寫、地址總線驅(qū)動、中斷控制信號的產(chǎn)生、存儲器讀寫信號以及I/O端口信號的引入等;二是對網(wǎng)卡內(nèi)部的操作，包括對緩沖SRAM的讀寫、對RTL8029AS芯片的控制、讀站地址PROM及讀自舉ROM等。通過網(wǎng)卡工作原理的分析，可以將接口信號線減至最少。

以太網(wǎng)相當(dāng)于一個鏈路層連接，因此可以把以太網(wǎng)的傳輸單元稱為幀(Frame)。10 Mb以太網(wǎng)的Frame長度為64～1 518 b。其格式如表2所示。

其中前導(dǎo)碼是網(wǎng)絡(luò)適配器發(fā)送MAC幀的時候為了使接收適配器辨別出MAC幀開始而加入的碼，高層的用戶不必考慮。32位CRC，即冗余校檢碼，是以太網(wǎng)使用的校檢機(jī)制，現(xiàn)在CRC的生成與檢測都可以由網(wǎng)絡(luò)適配器完成，因此用戶也不必考慮這一字段。幀類型，這一字段決定了以太網(wǎng)幀數(shù)據(jù)使用的是什么協(xié)議，如ARP是0x0806，IP是0x0800等。從另一個角度看，這一字段也可以看作以太網(wǎng)幀自己表明身份的字段。因此，在處理MAC幀時，需要根據(jù)這一字段的數(shù)據(jù)來決定將數(shù)據(jù)傳送給哪個上層協(xié)議。在IEEE 802?3協(xié)議中，這一字段表示以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的長度。由于兩個協(xié)議在這一字段上的不同定義，所以網(wǎng)絡(luò)適配卡對這一字段是不做解釋的。程序員必須在軟件上編程處理這一字段。

3方案設(shè)計

(1)本方案設(shè)計的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)中用到的主要芯片除了80C51單片機(jī)和PCI9054外還有MAX232(串口的電平轉(zhuǎn)換)，24C02(I2C總線的E?2PROM)，74HC373(8位鎖存)，62256(32K的RAM)，EPM7096(CPLD)，93C46(E2PROM，用來初始化PCI9054)。其中62256(外部32K的RAM)可以不用，可以用網(wǎng)卡上的RAM來代替，但是網(wǎng)卡上的RAM的存取比較復(fù)雜，速度會比加62256慢。使用外部RAM的目的是提高單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸速度和處理復(fù)雜的TCP/IP協(xié)議。由于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)包最大可以有1500多字節(jié)，80C51單片機(jī)是無法存儲這么大的包的，只有放到外部的RAM里。同時外部的RAM也用作串行口的輸入輸出緩沖，以使單片機(jī)具有高速的吞吐數(shù)據(jù)的能力。24C02是I2C總線的E2PROM，用來存儲用戶的一些設(shè)置，比如IP地址、網(wǎng)關(guān)等。本方案使用CPLD的目的是，將80C51單片機(jī)的8位數(shù)據(jù)與16位地址轉(zhuǎn)換成32位的數(shù)據(jù)和地址，因為PCI9054工作在初始化器模式時，他要求本地端的總線是32位的。在這里，用CPLD實現(xiàn)這樣一個外部邏輯非常簡單。MAX232為串口電平轉(zhuǎn)換電路。數(shù)據(jù)可以從串口輸入到單片機(jī)，單片機(jī)再把數(shù)據(jù)通過網(wǎng)卡傳出去。

(2) 軟件設(shè)計

對網(wǎng)卡編程就是對網(wǎng)絡(luò)接口控制芯片RTL8029AS中各種寄存器進(jìn)行編程控制，從而完成數(shù)據(jù)分組的正確發(fā)送和接收。所有單片機(jī)程序采用C51語言編制，具有可讀性強(qiáng)、移植性好、開發(fā)周期短的特點(diǎn)。代碼的使用效率也比較高。

主程序可以分為PCI9054芯片初始化、網(wǎng)絡(luò)通訊和串行通訊2部分：PCI9054芯片初始化過程就是對PCI9054芯片的PCI端配置寄存器和本地端配置寄存器進(jìn)行正確的編程配置，以實現(xiàn)本地端單片機(jī)與PCI端網(wǎng)卡的無縫連接，對這2個寄存器既可以通過對93C46燒寫編程的方式，也可以通過本地CPU直接編程的方式來完成初始化。網(wǎng)絡(luò)通訊過程又可分為網(wǎng)卡初始化、發(fā)送控制和接受控制3部分。主程序框圖如圖3所示。PCI9054芯片初始化過程就是對PCI9054芯片的相關(guān)寄存器進(jìn)行初始化，這些寄存器包括DMRR、DMLBAM、PCICR、CNTRL等。

(1) PCICR[2∶0]=111B。允許PCI初始化器(本地端)訪問PCI總線。PCI9054能夠響應(yīng)I/O訪問。

(2) DMPBAM[1∶0]=11。允許PCI初始化器訪問PCI9054存儲器和I/O端口。

(3) DMRR = FFF00000H。設(shè)定PCI初始化器端

(4) 可訪問的存儲器范圍是1MB。

(5) DMLBAI = 40000000H。為PCI InitiatortoPCI I/O Configuration寄存器設(shè)定本地端基地址

(6) DMPBAM[1]=1。允許本地端I/O端口訪問PCI InitiatortoPCI I/O Configuration寄存器

DMCFGA[23∶0]=005010，DMCFGA[31]=1。

網(wǎng)卡初始化過程對網(wǎng)卡的初始化就是對網(wǎng)卡相關(guān)寄存器進(jìn)行初始化。這些寄存器包括CR，DCR，RBCR PSTART，PSTOP，ISR，IMR，PAR0~PAR5，MAR0~MAR5D等。PSTART接收緩沖區(qū)的起始頁的地址。PSTOP接收緩沖區(qū)的結(jié)束頁地址(該頁不用于接收)。BNRY指向最后一個已經(jīng)讀取的頁(讀指針)CURR當(dāng)前的接收結(jié)束頁地址(寫指針)。

(1) CR=0x21：選擇頁0寄存器，將RTL8029芯片處于離線狀態(tài);

(2) DCR=0x8：32位內(nèi)存訪問;

(3) RBCR0=0,RBCR1=0:遠(yuǎn)程DMA操作時傳遞字節(jié)數(shù)清零;

(4) RCR=0xc0,接受到的幀存入緩沖區(qū);

(5) TCR=oxe2：環(huán)路測試狀態(tài);

(6) PSTART=0x4C,PSTOP=0x80;構(gòu)造緩沖區(qū);

(7) ISR=0xff;中斷寄存器清零;

(8) CR=0x61：選擇頁1;

(9) 設(shè)置網(wǎng)卡地址PAR0～PAR5

(10) 設(shè)置多址寄存器MAR0～ MAR5;

(11) CURR=0x4d：初始化當(dāng)前頁寄存器;

(12) TCR=0xE0：發(fā)送器正常工作狀態(tài)。

發(fā)送控制過程在網(wǎng)絡(luò)中，幀傳輸?shù)倪^程就是發(fā)送方將待發(fā)送數(shù)據(jù)按幀格式要求封裝成幀，然后通過網(wǎng)卡發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)的傳輸線上的工程。發(fā)送程序框圖如圖4所示。

接收控制過程幀的接收過程分為2步[3]：

第1步有本地DMA將幀存入接收緩沖區(qū)中;

第2步由遠(yuǎn)程DMA將接收緩沖區(qū)中的幀讀入內(nèi)存。即將網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)幀接收并存在網(wǎng)卡的接收緩沖區(qū)中，然后由主機(jī)程序?qū)⒕彺鎱^(qū)中的幀讀走并存入內(nèi)存中。幀的接收工作由網(wǎng)卡自動完成，只需對相關(guān)的寄存器和PSTART，PSTOP，CURR和BNRY進(jìn)行適當(dāng)?shù)某跏蓟纯?。幀讀入之前，必須初始化相應(yīng)的寄存器RSAR，RBCR，然后再啟動遠(yuǎn)程DMA讀操作和主機(jī)程序的讀端口操作。為了獲得數(shù)據(jù)長度，先讀入18 B的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)有效數(shù)據(jù)的長度將幀完整的讀入。啟動遠(yuǎn)程DMA讀操作，應(yīng)該令CR=0AH，遠(yuǎn)程DMA將從接收緩沖區(qū)的DMA地址處讀入1 B并送往I/O數(shù)據(jù)端口，由主機(jī)程序讀入內(nèi)存。

這一過程將一直持續(xù)到RBCR寄存器為0。

4結(jié)語

本文提出了一種用8位單片機(jī)80C51和PCI總線主控I/O加速器芯片9054來驅(qū)動PCI總線網(wǎng)卡，實現(xiàn)RS232串行設(shè)備與以太網(wǎng)的連接以傳送控制信令和數(shù)據(jù)文件，實現(xiàn)單片機(jī)上網(wǎng)的設(shè)計方案，設(shè)計了相關(guān)硬件，編制了相應(yīng)的驅(qū)動程序。整個方案結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)方便，縮短了開發(fā)周期，降低了系統(tǒng)開發(fā)成本。