51单片机RTL8019AS网卡驱动程序

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。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，PSTART、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。

　　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，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!

　　

 

　　如图7所示，8019以太网控制器以存储器(16K双口RAM)为核心，本地和远端控制器并发操作。这种体系结构满足了数据带宽的需要。8019拥有控制、状态、数据寄存器，通过它们，51单片机可以与8019通信。由于51资源紧张，在实现TCPIP协议栈时不要进行内存块拷贝，建议(1)使用全局结构体变量，在内存中只保存一个数据包拷贝，其他没有来得及处理的包保存在8019的16K RAM里;(2)使用查询方式而不用中断;(3)客户服务器模型中服务器工作于串行方式，并发模式不适合51单片机。

　　芯片内部地址空间的分配如图8所示，其中0x00-0x0B(工作于8位DMA模式)用于存放本节点MAC地址，奇偶地址内容是重复放置的。如：MAC地址0000 1234 5678存放在0x00-0x0B中为000000001212343456567878，单地址和双地址的内容是重复的.一般使用偶数地址的内容，这主要是为了同时适应8位和16位的dma。Prom内容是网卡在上电复位的时候从93C46里读出来的。如果你没有使用93C46,就不要使用Prom，那么使用了93C46后如何获得网卡的地址呢?有两种方法,一是直接读93C46,二是读Prom。网卡MAC地址既不由93C46也不由Prom决定，而是由PAR0-PAR5寄存器决定。Prom只保存上电时从9346中读出的MAC地址(如果有93C46的话)，仅此而矣。

　　

 

　　

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　　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:XX

　　X2:XX:XX:XX:XX:XX

　　X4:XX:XX:XX:XX:XX

　　X6:XX:XX:XX:XX:XX

　　X8:XX:XX:XX:XX:XX

　　XA:XX:XX:XX:XX:XX

　　XC: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0-F中的任一个。

　　地址

　　X1:XX:XX:XX:XX:XX

　　X3:XX:XX:XX:XX:XX

　　X5:XX:XX:XX:XX:XX

　　X7:XX:XX:XX:XX:XX

　　X9:XX:XX:XX:XX:XX

　　XB:XX:XX:XX:XX:XX

　　XD: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 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

　　unsigned int length; //以太网长度，以字节为单位

　　unsigned int destnodeid[3]; //目的网卡地址

　　unsigned int sourcenodeid[3]; //源网卡地址

　　unsigned int protocal; //下一层协议

　　unsigned char packet[1500]; //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,跟外部网络断开[!--empirenews.page--]

　　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0x4c-0x7f为网卡的接收缓冲区，共52页。

　　reg01=0x4C; //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 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=0x00; //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?

　　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=60;

　　for(i=0;i<3;i++)

　　txdnet->etherframe.sourcenodeid[i]=my_ethernet_address.words[i];

　　txd_buffer_select=!txd_buffer_select;

　　if(txd_buffer_select)

　　reg09=0x40 ; //txdwrite highaddress

　　else

　　reg09=0x46 ; //txdwrite highaddress

　　reg08=0x00; //read page address low

　　reg0b=length>>8; //read count high

　　reg0a=length&0xFF; //read count low;

　　reg00=0x12; //write dma, page0

　　for(ii=4;ii reg10=txdnet->bytes.bytebuf[ii];

　　for(i=0;i<6;i++){ //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;

　　if((reg04&0x01)!=0) break; //表示发送成功

　　reg00=0x3E;[!--empirenews.page--]

　　}

　　if(txd_buffer_select) reg04=0x40; //txd packet start;

　　else reg04=0x46; //txd packet start;

　　reg06=length>>8; //high byte counter

　　reg05=length&0xFF; //low byte counter

　　reg00=0x3E; //to sendpacket;

　　}

　　bit recv_packet(union netcard *rxdnet)//ne2000收包子程序

　　{

　　unsigned char i;

　　unsigned int ii;

　　unsigned char bnry,curr;

　　page(0);

　　reg07=0xFF;

　　bnry=reg03; //bnry page have read 读页指针

　　page(1);

　　curr=reg07; //curr writepoint 8019写页指针

　　page(0);

　　if(curr==0)

　　return 0; //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

　　reg08=0x00; //read page address low

　　reg0b=0x00; //read count high

　　reg0a=18; //read count low;

　　reg00=0x0A; //read dma

　　for(i=0;i<18;i++)

　　rxdnet->bytes.bytebuf[i]=reg10;

　　i=rxdnet->bytes.bytebuf[3]; //将长度字段的高低字节掉转

　　rxdnet->bytes.bytebuf[3]=rxdnet->bytes.bytebuf[2];

　　rxdnet->bytes.bytebuf[2]=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.bytebuf[0]&0x01)==0)||(rxdnet->bytes.bytebuf[1]>0x7F)||(rxdnet->bytes.bytebuf[1]<0x4C)||(rxdnet->bytes.bytebuf[2]>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);

　　curr=reg07; //page1

　　page(0); //切换回page0

　　bnry=curr-1;

　　if(bnry<0x4C) bnry=0x7F;

　　reg03=bnry; //write to bnry

　　return 0;

　　}

　　else{//表示数据包是完好的.读取剩下的数据

　　if((rxdnet->etherframe.protocal==0x0800)||(rxdnet->etherframe.protocal==0x0806)){

　　//协议为IP或ARP才接收

　　reg09=bnry; //read page address high

　　reg08=4; //read page address low

　　reg0b=rxdnet->etherframe.length>>8; //read count high

　　reg0a=rxdnet->etherframe.length&0xFF; //read count low;

　　reg00=0x0A; //read dma

　　for(ii=4;iietherframe.length+4;ii++)

　　rxdnet->bytes.bytebuf[ii]=reg10;

　　}

　　bnry=rxdnet->bytes.bytebuf[1]-1;//next page start-1

　　if(bnry<0x4C) bnry=0x7F;

　　reg03=bnry; //write to bnry

　　return 1; //have new packet

　　}

　　}

　　return 0;

　　}