1 引言
目前，以太網（ethernet）協議已經非常廣泛地應用于各種計算機網絡，如辦公局域網、工業控制網絡等場合，并且還不斷地發展。基于以太網的新技術和聯網設備不斷出現，以太網已經成為事實上最常用的局域網絡標準之一。但是，基于以太網的嵌入式系統目前并不是很多。其原因除了嵌入式系統本身運行速度較慢、資源較少且不足以實現以太網的各種協議外，更重要是設計以太網的接口及協議相對比較復雜，使人望而卻步。本文將研討基于c8051f系列單片機系統的嵌入式系統與10mbps以太網控制器芯片rtl8019as的接口電路實現及編程方法。
2 嵌入式以太網接口分析
2.1 接口組成
8位mcu的嵌入式設備通過以太網接口，將8位mcu采集的數據信息，傳送到遠程服務器。在這個過程中需要處理網絡接口、接收數據的分析、發送數據段的封裝等問題。
以10baset以太網為例，發送數據時應該做的工作是首先對需要發送的數據進行曼切斯特編碼，然后對編碼后的數據進行預處理，使其發送的數據適合10baset的以太網傳輸，最后把處理好的數據以適當的速度發送到以太網。同時為了保證數據的有效性，系統還應具有沖突檢測和重發功能。在這個過程中，直接用8位mcu來實現該功能非常困難。解決的方法是用專門的網絡接口芯片nic網絡接口卡（nic-network interface card）來實現，這類芯片遵循ieee802.3所規定的csma/cd協議，除了提供物理鏈路所需的電氣性能外，還提供曼切斯特編碼、沖突檢測和重發功能，可以用很少的外圍電路一起完成數據的發送和接收功能。這樣，8位mcu只需要nic芯片提供初始配置和數據接口，這對于8位mcu是沒有問題的。基于以上的分析，8位mcu的嵌入式設備以太網接口部分構成如圖1所示:
圖1 嵌入式設備以太網接口組成
2.2 以太網控制芯片——rtl8019as
（1） rtl8019as的主要性能
- 符合以太網ii與ieee802.3（10base5、10base2、10baset）標準;
- 全雙工，收發可同時達到10mbit/s的速率;
- 內置16kb的sram，用于收發緩沖，降低對主處理器的速度要求;
- 支持8/16位數據總線，8個中斷申請線以及16個i/o基地址選擇;
- 支持utp、aui、bnc自動檢測，還支持對10baset拓撲結構的自動極性修正;
- 允許4個診斷led引腳可編程輸出;
采用cmos工藝，功耗低。單一電源5v供電。
（2） rtl8019as的內部結構
rtl8019as芯片內部包含遠程dma（直接存儲器存取）接口、本地dma接口、mac（介質訪問控制）邏輯、數據編碼解碼邏輯和其它接口。這里的dma與平時所說的dma有些不同:rtl8019as芯片的本地dma操作是由控制器本身完成;而遠程dma并不是在沒有主處理器的參與下數據能自動移到主處理器的內存中，它指主處理器給出起址和長度就可以讀寫芯片的ram緩沖區，每操作一次ram地址自動加1，而普通ram操作每次要先發地址再處理數據，速度較慢。內部結構如圖2所示。
3 嵌入式設備網絡互連設計方案
3.1 電路原理設計
c8051f020是美國cygnal公司推出的一種混合信號soc型8位單片機，它是一種完全集成的混合信號系統級芯片，具有與8051兼容的微控制器內核，與mcs-51指令集完全兼容。內核采用流水線結構，機器周期由標準的12個系統時鐘周期降為1個系統時鐘周期，70%指令的執行時間為1個或2個系統時鐘周期，處理能力大大提高，峰值性能可達25mips。
同時，除具有標準8051的數字外設部件外，c8051- f020片內還集成了構成一個單片機數據采集、控制系統所需要的幾乎所有模擬、數字外設及其他功能部件。這些外設或功能部件包括:用于多種模擬信號的模擬多路選擇器、真正12位轉換精度的adc，還有能滿足特殊功能所需的smbus（i2c兼容）、uart、spi、多個多功能計數器/定時器、以及看門狗定時器（wdt）和電源監視器等數字外設。
c8051f020具有100腳的tqfp封裝，功耗低，供電電壓為2.7～3.3v，全部i/o、rst、jtag引腳均耐5v電壓。其mcu具有p0～p7共64個通用i/o端口，每個端口引腳都可以被配置為推挽輸出或漏級開路輸出。對于rtl8019as，由于其工作電壓是5v，而c8051f020的工作電壓是3.3v，所以要c8051f020的輸出能更好地驅動5v輸入的oled，需要對系統進行額外配置。除了將對應端口的輸出方式設置為“漏極開路”外，還應在電路上將每個端口通過一個上拉電阻接到5v電源，這樣可以保證c8051f020的邏輯“1”輸出能夠被提升到5v。
單片機采用c8051f020芯片，以查詢工作方式不斷讀取rtl8019as狀態寄存器。以遠程dma方式發送或讀取rtl8019as的數據。詳見圖3。
由于網絡控制器具有 ethernet（ieee802.3）協議處理功能，系統便可直接rj45連接到以太網（再通過以太網接入 internet）。本文所設計的系統中選用的rj45連接器為lf1s022，它已經具有電平轉換功能，簡化了 pcb設計。值得注意的是，設計pcb時，rj45連接器不能與cpu和網絡芯片相距太遠，以免對數據傳輸造成影響。
rtl8019as的tpin+（59腳）, tpin-（58腳）腳是tp 的一對輸入腳，能以10mbits/s 的速率從雙絞線接收差分曼徹斯特編碼的數據。tpout+（45腳）、tpout-（46腳）是一對曼徹斯特編碼的差分tp輸出信號。為了防止雙絞線超載，該輸出信號會被提前中斷，這樣可以減少擁塞。連接時，這四個管腳分別接到 lf1s022的7、6、5、4腳。連接器的其他管腳都通過一個電容與地連接。最后，還必須在50、51腳之間接入一個20mhz的晶體振蕩器。
圖3中擴展的rj45口接入互聯網，rtl8019as通過本地dma方式將接收到的數據送到片內sram，或者從片內sram讀取數據從rj45口發送出去。
網卡的復位信號rstdrv由單片機的p5.2產生，rstdrv為高電平有效，至少需要800ns的寬度。由p5.2引腳產生一個1μs以上的高電平就可以使rtl- 8019as芯片復位。
rstdrv從高電平到低電平之后要等多久，單片機才可以對網卡進行操作？復位的過程將執行一些操作，比如將內部寄存器初始化等。這些至少需要2ms的時間。為確保完全復位，應該等待更久的時間之后才對網卡操作，比如100ms之后才對它操作。
對rstdrv可以接單片機的一個i/o口線進行網卡的復位，也可以直接將rstdrv跟單片機的reset引腳并聯，單片機復位的時候，網卡也復位，以減少一個單片機的引腳使用。
3.2 網卡的初始化
網卡在能夠正常工作以前，必須先對其進行初始化，一般帶有操作系統的計算機上，網卡的初始化由其驅動程序完成。此例中由于c8051f020單片機是全裸機（不含驅動程序），不僅需要用戶自己完成網卡的初始化，還需要用戶自己設置網卡的mac（介質訪問控制）地址以及對網卡進行讀寫訪問。
初始化需要設置頁0與頁1的相關寄存器，頁2的寄存器是只讀的，不可以設置，頁3的寄存器不是ne2000兼容的，不用設置。需初始化的寄存器包括cr、dcr、pbcr、pstart、pstop、isr、imr、par0～par5、mar0～mar7、curr、tcr、rcr等寄存器。初始化函數主要要完成以下諸項工作。
（1） 調用復位子程序隊rtl8019as進行復位。有兩種復位方式:一是硬件復位，通過拉高拉低reset引腳達到復位rtl8019as的目的;二是軟件復位，向if端口讀寫數據從而使rtl8019as復位。
（2） 向命令寄存器cr寫入0x21h使rtl8019as處于停止模式，設置寄存器。
（3） 設置數據配置寄存器dcr為使用fifo緩存、普通模式、8位數據傳輸模式，字節順序為高位字節在前，低位字節在后。設置rbcr0、rbcr1寄存器為0，即讀取ram字節數。
（4） 設置接收和發送緩沖區起止地址。pstart接收緩沖區的起始頁地址0x46;pstop接收緩沖區的結束頁地址0x80;bnry指向最后一個已經讀取頁的指針0x46;tpsr發送頁的起始地址0x40;curr芯片寫內存指針，它指向當前正在寫的頁的下一個頁，即初始化時指向0x47。
（5） 設置rcr接收配置寄存器為0xcc，使用接收緩沖區，僅接收自己的地址的數據包（以及廣播地址數據包）和多點播送地址包，小于64字節的包丟棄，校驗錯的數據包不接收。設置tcr發送配置寄存器為0xe0，啟用crc自動生成和自動校驗，工作在正常模式。
（6） 設置mar0～mar8為0，清除多播地址寄存器;設置isr為0xff，清除中斷狀態寄存器;設置中斷屏蔽寄存器imr為0，屏蔽所有中斷請求。
（7） 將物理地址寫入par0～5物理地址寄存器。
（8） 最后設置tcr發送配置寄存器為0xe0;設置命令寄存器cr為0x22，芯片進入正常工作狀態，rtl8019as初始化完成。
初始化時，必需指明嵌入式設備的48位硬件地址和廣播地址，并正確設置它的ip地址、子網掩碼和默認網關。工業控制一般都在一個同級局域網內部進行，因此可以直接令網關的ip地址為0。其主控制流程如圖4所示。
4 結束語
本文分析了嵌入式設備與以太網接口的組成，簡要介紹了rtl8019as和c8019f芯片，并給出了嵌入式mcu與以太網控制芯片的硬件連接及其軟件設計。該設計以數據采集為例的，在工業生產中有很大的現實意義。