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ATMEL单片机的以太网接口设计

微控制器选用高性能的AVR单片机Mega64,AVR是ATMEL公司结合了成熟的51系列和PIC系列单片机的优点而推出的高性能8位单片机,具有性价比高、资源丰富、速度快、功耗低、开发方便等特点。Mega64采用RISC结构,工作频率可达16 MHz,完全满足运行多种网络协议的要求,片内具有4 KB的SRAM,64 KB的FLASH,以太网最大数据包为1 514 B,4 KB的RAM足够以太网帧的存储,64 KB的FLASH对于适当的程序以及简单的Web Page来说也是可以的,所以无需再外扩资源,大大简化了外围电路,提高了可靠性。
    以太网控制芯片选用的是台湾REALTEK公司生产的RTL8019AS,该芯片集成了介质访问控制子层(MAC)和物理层的性能,可以方便地设计基于ISA总线的系统。另外,它还具有与NE2000兼容、软件移植性好、与单片机接口简单、价格低货源好等优点,其主要
    功能特性如下:
    (1)符合EthernetⅡ与IEEE802.3(10Base5,10Base2,10BaseT)标准。
    (2)软件和8位及16位插槽的NE2000兼容。
    (3)全双工,收发可同时达到10 Mb/s的速率。
    (4)内置16 KB的SRAM,用于收发缓存,降低对主处理器的速度要求。
    (5)支持8/16位数据总线,8条中断申请线以及16个I/0基地址选择。
    (6)支持UTP,AUI,BNC自动检测以及对10BaseT拓扑结构的自动极性修正。
    (7)允许4个诊断LED引脚可编程输出。
    1.2 RTL8019AS与单片机的连接
    RTL8019AS支持三种工作方式:第一种为跳线方式,网络控制器的I/O地址和中断都由跳线决定;第二种为免跳线方式,I/O地址和中断由外接的E2PROM 93C46里的内容所决定;第三种为即插即用方式(PNP),I/O地址和中断都由软件或操作系统自动进行管理和配置,用户不必过多干预,当然这种方式要耗费系统资源。网络控制器采用哪种方式由RTL8019AS的65脚(JP)决定,本系统采用第一种即跳线方式,这时JP要接高电平;第三种方式一般用于PC机中,对于8位单片机来说无法实现,未用第二种方式又可以省掉一片93C46芯片,不但简化了硬件电路设计,而且降低了成本。
    RTL8019AS有两种复位方式:冷复位和热复位。给8019的复位引脚施加一个1μs以上的高电平就可以实现冷复位;先读再写8019的任意一个复位端口都可以实现热复位,这在PC机中用的较多。可以将8019的复位引脚和单片机的复位引脚相连,单片机复位的时候8019也复位,这种情况可以减少单片机的一个引脚的使用,但为了保证能够完全复位,可以在程序中进行热复位。然而Mega64为低电平复位,而8019为高电平复位,如果这样连接的话还需要加一个非门进行反相,pcb抄板鉴于Mega64的引脚较多,所以将8019的复位引脚连接到Mega64的一个I/O口上,由该引脚对8019进行冷复位。
    图1所示为RTL8019AS的部分电路图,其工作时钟为20 MHz。RTL8019AS的引脚悬空时,输入状态为低电平,因为芯片引脚内部已经接了一个100 kΩ的下拉电阻。AEN引脚为I/O端口操作允许使能脚,接地使地址一直处于有效;IOCSl6B引脚用一个27 kΩ的电阻下拉到地,复位时刻为低电平,选择8位总线模式;读写引脚IORB、IOWB分别与单片机的RD,WR引脚相连;8位数据总线SD0~sD7接到单片机的PA口;IOSO~IOS3为I/O基地址选择引脚,悬空设置为300H,所以SA5~SA7,SAl0~SAl9接地,SA8和SA9接高电平,真正用到的地址线只有SA0~SA4,接到单片机的地址线上;IRQS0~IRQS2为中断选择引脚,悬空选择中断INT0,实际上并没有使用中断,而是使用了查询方式;AUI引脚用于AUI接口外部MAU检测,决定使用AUI还是BNC接口,BNC接口方式支持8线双绞或同轴电缆,所以将该引脚悬空选择使用RJ45接口;SMEMRB和SMEMWB为存储器读写引脚,由于我们使用的是I/O模式读写网络芯片,所以将它们接高电平;TPIN和TPOUT为差分输入输出引脚,分别用来接收来自双绞线和向双绞线发送10 Mb/s的差分曼彻斯特编码信号,RTL8019AS需要经过隔离处理才能和RJ45接口相连,然后接入以太网,隔离低通滤波器选用的是20F001N,内部有两个传输变压器,用来传输信号以及抑制噪声干扰。
    2 系统软件实现
    2.1 RTL8019AS地址空间与寄存器
    RTL8019AS内部的16 KB的RAM用于收发缓冲,地址为Ox4000~0x7FFF,收发缓冲以页为单位,每页256 B,共64页,如果某页没有完全填满数据,则下包数据也不能继续使用该页,只能使用新的页。一般将前12页作为发送缓冲区,分为两个6页的缓冲区(因为一个最大数据包占6页),两个发送缓冲区交替使用,可提高发送效率,后52页作为接收缓冲区。该RAM是双端口的,具有两套总线,一套是RTL8019AS读写该RAM,即本地DMA;另一套是单片机读写该RAM,即远程DMA,要接收和发送数据包就必须对这块RAM进行DMA读写。
    RTL8019AS具有32位I/O地址,地址偏移量为00H~1FH,本系统中对应于300H~31FH,其中,00H~0FH为16个寄存器地址,寄存器分为4页,与NE2000兼容的只有前3页,第4页是RTL8019AS自己定义的,对于其他兼容NE2000的芯片无效,所以为了保证驱动程序对所有NE2000兼容的网卡都有效,不要去操作第4页的寄存器。10H~17H为8个远程DMA地址,都可以用来做远程DMA地址,使用其中一个即可,微控制器通过读写数据端口10H~17H实现对缓冲区的访问。18H~1FH共8个地址为复位端口,它们功能一样,使用其中一个即可,用于RTL8019AS的热复位。
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