基于AM186ed微處理器的嵌入式系統(tǒng)以太網(wǎng)接口設計與實現(xiàn)

解放軍信息工程大學 王欣 詹瞻 岳春生

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是互聯(lián)網(wǎng)的迅速普及，3C（計算機、通訊、消費電子）合一的加速，數(shù)字化時代已經(jīng)來臨，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的應用日益廣泛。嵌入式系統(tǒng)具有系統(tǒng)內(nèi)核小、專用性強、系統(tǒng)精簡、高實時性的操作系統(tǒng)軟件等特點，使得其在工業(yè)過程控制、交通管理、信息家電及機器人系統(tǒng)等研究生產(chǎn)領域中得到廣泛應用。而在這些應用中，為了實現(xiàn)多個嵌入式微處理器之間的信息交流，大多利用CAN、RS-232、RS-485等總線將微處理器組網(wǎng)，這種網(wǎng)絡的通信距離比較有限，有關(guān)的通信協(xié)議也比較少，并且一般是孤立于Internet以外的。嵌入式系統(tǒng)接入Internet以后，不僅實現(xiàn)了設備的遠程控制、維護和升級，而且從另一層意義上講，接入Internet的設備已經(jīng)成為網(wǎng)絡共享資源的一部分。

另外，以太網(wǎng)一般都基于TCP/IP協(xié)議，使得整個網(wǎng)絡只有一種底層通訊協(xié)議，可以滿足控制系統(tǒng)各個層次的要求，不僅使得企業(yè)信息網(wǎng)絡和控制網(wǎng)絡得到統(tǒng)一，而且易于和Internet實現(xiàn)無縫連接。通常，一個嵌入式系統(tǒng)接入Internet，可選擇一個提供TCP/IP協(xié)議的嵌入式操作系統(tǒng)，或是在現(xiàn)有操作系統(tǒng)之上加入TCP/IP協(xié)議棧，實現(xiàn)TCP/IP連接。對于嵌入式系統(tǒng)，TCP/IP軟件協(xié)議棧也構(gòu)成了系統(tǒng)成本的一部分，而這部分投入占有不小的比例。同時，軟件協(xié)議棧的引入無疑要占用更多的系統(tǒng)資源，對于嵌入式系統(tǒng)來說是可觀的。但是對于嵌入式系統(tǒng)在網(wǎng)絡化開發(fā)的過程中，首先要解決的就是與以太網(wǎng)絡的連接問題，亦即如何將通用處理器的網(wǎng)絡連接裝置（以太網(wǎng)絡控制器）應用于嵌入式網(wǎng)絡的開發(fā)。 目前市面上有許多以太網(wǎng)絡控制芯片，可是其中大多耗電量高、功能復雜，不適用于價格低廉的嵌入式系統(tǒng)之中。我們選擇使用的是RTL8019以太網(wǎng)控制器。

系統(tǒng)硬件設計

AM186ed嵌入式微處理器

作為高性能的80C186兼容16位嵌入式微控制器，AM186ed微控制器結(jié)合了80C186/188 系列微控制器體系結(jié)構(gòu)，但具有更高的性能。同時，它還帶有一個含有DRAM控制器的裝置用以提高性能。與80C186/188微控制器相比，Am186ED 微控制器可以減少體積、降低功耗和系統(tǒng)開銷而增強性能和功能性。Am186ED 控制器為那些需要超過64K字節(jié)RAM的系統(tǒng)提供了一個理想的解決方案。 含有DRAM控制器的裝置指的是降低系統(tǒng)開銷而增強功能性的應用組件，包括一個DMA控制器，和可以直接連到DMA通道的串行通信口。另外，Am186ED 微控制器還集成了一些常見的外圍器件，包括3個定時器，片選邏輯，一個中斷控制器，2個DMA控制器，一個看門狗定時器等。

RTL8019AS以太網(wǎng)控制器

由Realtek公司生產(chǎn)的RTL8019AS高集成以太網(wǎng)控制器芯片集成了介質(zhì)訪問控制子層（MAC）和物理層的性能，可以方便地設計基于ISA總線的系統(tǒng)，簡單的與通用單片機進行接口。另外，它還具有與NE2000兼容、軟件移植性好，以及低廉的價格等優(yōu)點，在市場上的10Mbps網(wǎng)卡中占有相當?shù)谋壤?/P>

主要性能

（1）適應于Ethernet II 、IEEE802.3協(xié)議、10Base5、10Base2、10BaseT；

（2）支持8位、16位數(shù)據(jù)總線，8個中斷申請線以及16個I/O基地址選擇；

（3）全雙工，收發(fā)可同時達到10Mbps的速率，具有休眠模式，以降低功耗；

（4）內(nèi)置16KB的SRAM，用于收發(fā)緩沖，降低對主處理器的速度要求；

（5）可連接同軸電纜和雙絞線，并可自動檢測所連接的媒介類型；

（6）支持閃存讀寫；

（7）允許四個診斷LED引腳可編程輸出；

（8）100 腳的TQFP封裝，縮小主機板尺寸。

硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

主要使用了XILINX公司生產(chǎn)的CPLD芯片XC9536，實現(xiàn)了RTL8019的各個邏輯控制信號。這里，RTL8019使用了跳線模式、IO方式讀寫。詳細說明如下：

（1）、給RTL8019的NE2000兼容的各個寄存器分配了PCS0引腳，IO地址為00H～FFH，這樣，只需要將CPU的A0～A4連接到RTL8019上就可以了。RTL8019默認的IO地址是300H～3FFH，因此將RTL8019上的SA19～SA10和SA7～SA5接為地，SA9、SA8接為VCC。

（2）、使用16位方式讀寫RTL8019AS芯片，將RTL8019上的IOCS16B引腳通過10K的上拉電阻接為VCC。使用IO模式讀寫網(wǎng)絡芯片，SMEMRB和SMEMWB接上拉電阻為VCC。

系統(tǒng)軟件設計

嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)

在該系統(tǒng)設計中，引入了實時操作系統(tǒng)（RTOS）。作為一個完整的操作系統(tǒng)，RTOS有一個可靠性很高的實時內(nèi)核，將CPU時間、中斷、I／O、定時器等資源都包裝起來，留給用戶一個標準的應用程序接口(API)；根據(jù)各個任務的優(yōu)先級，合理地在不同任務之間分配CPU的時間，保證程序執(zhí)行的實時性、可靠性。內(nèi)核一般都能提供任務調(diào)度與管理、時間管理、任務間同步與通信、內(nèi)存管理和中斷服務等功能。

本系統(tǒng)采用的是ATI 公司（Accelerated Technology Incorporated ）的Nucleus 操作系統(tǒng)。我們已經(jīng)成功的將該操作系統(tǒng)移植到AM186ed上。

軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計主要是針對網(wǎng)絡芯片進行的。下面就詳細介紹一下對于RTL8109AS的軟件設計
其軟件設計包括芯片初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收三部分。

芯片初始化

對RTL8019的初始化主要是對其控制寄存器進行初始化設置。8019的寄存器按照其地址及功能可大致分為NE2000兼容寄存器組和即插即用寄存器組兩大類。我們在該系統(tǒng)設計中用到NE2000兼容寄存器組，共有64個寄存器，所有寄存器均為8位，映射到四個頁面。

網(wǎng)卡初始化過程：首先要對網(wǎng)卡進行復位：18H－1FH共8個地址，為復位端口。對該端口地址的讀或者寫入任何數(shù)，都會引起網(wǎng)卡的復位。
temp=inportb(IO_ADDR+0x1f); //讀網(wǎng)卡的復位端口
outportbb(IO_ADDR+0x1f,temp); //寫網(wǎng)卡的復位端口

說明：IO_ADDR是RTL8019的基準地址，其全部的寄存器地址都是由它得出來的，在初始化時必須賦予它正確的基準地址值。我們在此所使用的值為0x0000。

網(wǎng)卡復位完成之后，要對網(wǎng)卡的工作參數(shù)進行設置，以使網(wǎng)卡開始工作。對網(wǎng)卡的參數(shù)設置主要是對命令寄存器CR進行設置，CR主要是用于選擇寄存器頁、啟動或停止遠程DMA操作以及執(zhí)行命令。

①PS1和PS0兩位用來選擇寄存器頁：

②RD2、RD1、RD0三位代表要執(zhí)行的功能。

③TXP為寫入1時發(fā)送數(shù)據(jù)包，發(fā)完自動清零；

④STA，STP兩位用來啟動命令或停止命令

網(wǎng)卡初始化的軟件編程如下：

8019_init()
{
outportb(IO_ADDR+0x00,0x21); //選擇頁0寄存器，網(wǎng) 卡停止 運行
outportb(IO_ADDR+0x01,0x4c); //接收緩沖區(qū)范圍
outportb(IO_ADDR+0x02,0x80); //PSTOP，構(gòu)造緩沖 環(huán)：0x4c－0x80；
outportb(IO_ADDR+0x03,0x4c); //BNRY，設置指針；
outportb(IO_ADDR+0x04,0x40); //發(fā)送緩沖區(qū)范圍
outportb(IO_ADDR+0x0d,0x4c); //
outportb(IO_ADDR+0x0e,0xc8); //設置數(shù)據(jù)配置寄存 器，使用FIFO緩存， 普通模式，8 位數(shù)據(jù) DMA；
outportb(IO_ADDR+0x0f,0xff); //清除所有中斷標志 位
outportb(IO_ADDR+0x0f,0x00); //設置中斷屏蔽寄存 器，屏蔽所有中斷；
page(1); //選擇頁1寄存器；
outportb(IO_ADDR+0x07,0x4d); //初始化當前頁寄存 器，指向當前正在寫 的頁的下一頁；
outportb(IO_ADDR+0x08,0x00); //設置多址寄存器 MAR0－5，均設置 為0x00；
outportb(IO_ADDR+0x09,0x00);
outportb(IO_ADDR+0x0a,0x00);
outportb(IO_ADDR+0x0b,0x00);
outportb(IO_ADDR+0x0c,0x00);
outportb(IO_ADDR+0x0d,0x00);
outportb(IO_ADDR+0x0e,0x00);
outportb(IO_ADDR+0x0f,0x00);
outportb(IO_ADDR+0x00,0x21); //選擇頁0寄存器，網(wǎng) 卡執(zhí)行命令
}

數(shù)據(jù)的收發(fā)

通過對地址及數(shù)據(jù)口的讀寫來完成以太網(wǎng)幀的接收與發(fā)送。要接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包都必須讀寫網(wǎng)卡內(nèi)部的16KB的RAM，必須通過DMA進行讀和寫。

以數(shù)據(jù)的發(fā)送為例，該過程應包含三個步驟：數(shù)據(jù)包的封裝；通過遠程DMA將數(shù)據(jù)包送到數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)；通過RTL8019的本地DMA將數(shù)據(jù)送入FIFO進行發(fā)送。具體過程如下：

①數(shù)據(jù)包在發(fā)送前應該按規(guī)定的格式封裝好，格式如下：

②把上面的數(shù)據(jù)包通過遠程DMA寫送入RTL8019的數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)

outportb(IO_ADDR+0x00,0x22);
outportb(IO_ADDR+0x07,0x40); //設置中斷狀態(tài)寄存器ISR 為40H，清除發(fā)送完成標志

outportb(IO_ADDR+0x09,0x40); //設置遠程DMA地址 寄存器RSAR1、0為 4000H，即發(fā)送緩沖 區(qū)開始地址
outportb(IO_ADDR+0x08,0x00);

outportb(IO_ADDR+0x0a,0x50); //設置遠程DMA字節(jié) 計數(shù)寄存器RBCR1、 0為發(fā)送數(shù)據(jù)包的長 度80
outportb(IO_ADDR+0x0b,0x00);

outportb(IO_ADDR+0x00,0x12); //設置CR為12H，設置 命令寄存器為遠程 DMA寫
for(i=0;i<80;i++)

outport(0x10<<1,*(buffer+i)); //往數(shù)據(jù)端口寫入發(fā) 送數(shù)據(jù)

temp＝inportb(IO_ADDR+0x07); //查詢中斷狀態(tài)寄存 器ISR，等待遠程 DMA完成
outportb(IO_ADDR+0x0b,0x00);
outportb(IO_ADDR+0x0a,0x00);

outportb(IO_ADDR+0x00,0x22); //設置CR為22H，設置 RBCR1、0為0，遠程 DMA停止

outportb(IO_ADDR+0x07,0x40); //設置中斷狀態(tài)寄存 器ISR為40H，清除發(fā) 送完成標志 ③啟動本地DMA將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

outportb(IO_ADDR+0x06,0x50);
outportb(IO_ADDR+0x05,0x00); //設置發(fā)送字節(jié)計數(shù) 器為發(fā)送數(shù)據(jù)包的 長度

outportb(IO_ADDR+0x04,0x40); //設置發(fā)送頁面起始 地址TPSR為40H，即 發(fā)送緩沖區(qū)開始地 址高位字節(jié)

outportb(IO_ADDR+0x00,0x26); //啟動發(fā)送

AM186ed的Nucleus NET的實現(xiàn)

上面數(shù)據(jù)的收發(fā)完成的是以太網(wǎng)的MAC層和物理層的協(xié)議。要真正實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)與以太網(wǎng)上其他設備進行通信，需要在系統(tǒng)上實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議。

這里我們使用了Nucleus嵌入式操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)有TCP/IP組件，將RTL8019AS芯片作為一個Device，可以完全移植到Nucleus上去。

結(jié)束語

本設計實現(xiàn)的嵌入式以太網(wǎng)接口支持RS232、RS485和以太網(wǎng)的連接，可以通過以太網(wǎng)接入Internet，從而實現(xiàn)從Internet上監(jiān)控嵌入式設備，可以廣泛應用在工業(yè)控制領域，有很高的實用價值。

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