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1、采用采用 8 位单片机驱动位单片机驱动 PCI 总线网卡的设计方案总线网卡的设计方案目前，以太网（Ethernet）协议已经非常广泛地应用于各种计算机网络，如办公局域网、工业控制网络、因特网等场合，并且还不断地在发展。单片机或微控制器（MCU）（也称为嵌入式系统）已经在各个领域得到了广泛的应用。目前绝大多数系统都是以 MCU 为核心，与监测、伺服、指示设备配合实现一定的功能。如果嵌入式系统能够连接到 Internet，则可以方便、低廉地将信息传送到世界上的任何一个地方。因此单片机如何控制以太网网卡进行传输数据，如何加载 TCP/IP 协议连接到互联网，这些都是一些具有挑战性的问题1，2。单片机
2、上网研究最多的一个方案就是用单片机驱动 ISA 总线网卡或者是驱动基于 ISA 总线的以太网控制芯片。但是，近年来，随着ISA 总线在台式电脑上的消失（PC98 以后的标准已经取消了 ISA 总线），ISA 总线的设备也不断减少，而且很多生产 ISA 网卡芯片的厂家已经停止生产 ISA 网卡芯片。在计算机上，多数设备用的是PCI 总线，因此如何制造低成本的 PCI 总线的以太网接口设备，如何用单片机来驱动 PCI 总线网卡，已成为目前计算机工业控制系统的燃眉之急。然而用只有 16 位地址总线、8 位数据端口的 8 位单片机来直接驱动有 32 位地址数据复用总线及其他各种信号线的 PCI 总线网
3、卡，几乎是不可能的。为此，本文中采用 PCI 9054 接口芯片作为沟通单片机与 PCI 设备间的桥梁，设计实现了单片机与 PCI 网卡间的可靠通信任务，并提供了主要硬件接口电路和主要程序原代码。1PCI9054 芯片介绍芯片介绍31.1PCI9054 主要特性主要特性PCI9054 是由美国 PLX 公司生产的先进的 PCI I/O 加速器，他采用了先进的 PLX 数据管道结构技术。符合 PCIV2,2 规范的 32 位 33 MHz 总线主控接口控制器可获得高达 132 Mb/s 的 PCI 突发传输速度。通用总线主控接口配备先进的数据流水线架构(Data Pipe Architectur
4、e(tm)，包含 2 个 DMA 引擎，可编程目标、起始器数据传输模式和 PCI 信息传输等功能。1.2PCI9054 本地总线工作模式介绍本地总线工作模式介绍PCI9054 芯片连接的本地端总线有 3 种工作模式：M 模式、C 模式和 J 模式。可利用模式选择引脚加以选择，其中 C 模式时序较为简单。为此，本方案设计选择 PCI 9054 工作在 C 模式。当 PCI9054 工作在 C 模式时，其数据传输采用直接数据传输方式，按数据传输的控制方式，他又分为 3 种传输模式，如表 1 所示。本方案设计采用 PCI 初始化器模式，通过本地端的单片机来控制PCI9054 芯片，然后通过 PCI9
5、054 芯片来驱动 PCI 总线上的网卡，在这里 PCI9054 芯片就象一个桥梁，连接了 2 个不同的总线设备。其读写工作原理如图 1 所示。1.3PCI9054 寄存器简介寄存器简介PCI9054 内部提供了 5 种寄存器：PCI 配置寄存器，本地端配置寄存器，运行时间 RUNTIME 寄存器，DMA 寄存器和 I2O 信息寄存器。在本方案设计中，我们主要用到 2 种配置寄存器：PCI 配置寄存器和本地端配置寄存器，下面对这 2 种寄存器的功能做简要介绍。PCI 配置寄存器也就是我们常说的 PCI 配置空间，他提供了配置PCI 的一些信息。其中VenderID，DeviceID，Revis
6、ionID，HeaderType，ClassCode 用于PCI 设备的识别。命令寄存器（Command）包含设备控制位，包括允许存储器读写响应等。状态寄存器（Status）用于记录 PCI 总线的相关事件。PCI 配置寄存器提供了 6 个基地址寄存器，这些基地址都是在系统中的物理地址范围内，其中 BASE0 和 BASE1 都是用来访问其他配置寄存器的基地址，BASE1 是其他配置寄存器映射到PCI 端内存的基地址，BASE2 是其他寄存器映射到 PCI 端 I/O 的基地址。所以可以通过 PCI 端内存和 PCI 端 I/O 来访问 LOCAL 配置寄存器与其他 3 种寄存器。BASE25
7、 四个空间提供了访问本地端所接的 4 个芯片（当然可以少于 4 个），他们将本地端的芯片通过本地端地址（在 LOCAL 配置寄存器中设）翻译成 PCI 的地址，也就是将本地的芯片映射到系统的内存或 I/O 口。这样使得用程序操作这一段内存（或 I/O）实际上就是对本地的芯片操作。本地端配置寄存器提供了本地端的一些信息，在本方案设计中，主要是通过配置本地端配置寄存器来将本地端的单片机读写指令、周期转换成 PCI 端的读写指令及周期。也就相当于将 PCI 端网卡上的芯片及存储器映射到本地端，与本地端的存储器统一编址，这样单片机只要能访问本地端的内存，那么就能用来访问 PCI 总线上的网卡。PCI9
8、054 工作时需要一个配置芯片 E?2PROM，以便在 PCI 卡上电的时候配置 PCI 9054，主要配置 PCI 卡的 VendorID 和 DeviceID，这是系统用来标识 PCI 卡的。另外，还需要了其他寄存器，主要起到了对 PCI 9054 初始化的作用。其中本地端寄存器也可以由本地 CPU读写，直接进行配置。2RTL8029 网卡简介网卡简介RTL8029 是符合 Ne2000 标准的 32 位 PCI 总线网卡，遵循IEEE802.3 协议。按功能可将其划分为：接收功能模块、CRC 产生模块、发送功能模块、地址识别模块、FIFO 控制模块、协议逻辑阵列模块及 DMA 和缓冲控制
9、模块。对网卡进行编程可以实现局域网内任一站点间的通信。熟悉网卡接口电路是对网卡编程的首要条件。网卡接口电路功能可以分为 2 部分：一是与计算机 PCI 总线相连，包括数据总线读写、地址总线驱动、中断控制信号的产生、存储器读写信号以及 I/O 端口信号的引入等；二是对网卡内部的操作，包括对缓冲 SRAM 的读写、对 RTL8029AS 芯片的控制、读站地址PROM 及读自举 ROM 等。通过网卡工作原理的分析，可以将接口信号线减至最少。以太网相当于一个链路层连接，因此可以把以太网的传输单元称为帧（Frame）。10 Mb 以太网的 Frame 长度为 641 518 b。其格式如表 2 所示。其
10、中前导码是网络适配器发送 MAC 帧的时候为了使接收适配器辨别出 MAC 帧开始而加入的码，高层的用户不必考虑。32 位 CRC，即冗余校检码，是以太网使用的校检机制，现在 CRC 的生成与检测都可以由网络适配器完成，因此用户也不必考虑这一字段。帧类型，这一字段决定了以太网帧数据使用的是什么协议，如 ARP 是0x0806，IP 是 0x0800 等。从另一个角度看，这一字段也可以看作以太网帧自己表明身份的字段。因此，在处理 MAC 帧时，需要根据这一字段的数据来决定将数据传送给哪个上层协议。在 IEEE 802?3协议中，这一字段表示以太网数据的长度。由于两个协议在这一字段上的不同定义，所以
11、网络适配卡对这一字段是不做解释的。程序员必须在软件上编程处理这一字段。3 方案设计方案设计(1）本方案设计的硬件结构如图）本方案设计的硬件结构如图 2 所示。所示。系统中用到的主要芯片除了 80C51 单片机和 PCI9054 外还有MAX232(串口的电平转换)，24C02(I2C 总线的 E?2PROM)，74HC373（8 位锁存），62256（32K 的 RAM），EPM7096（CPLD），93C46（E2PROM，用来初始化 PCI9054）。其中 62256（外部 32K 的 RAM）可以不用，可以用网卡上的 RAM来代替，但是网卡上的 RAM 的存取比较复杂，速度会比加 622
12、56慢。使用外部 RAM 的目的是提高单片机的数据传输速度和处理复杂的 TCP/IP 协议。由于以太网的数据包最大可以有 1500 多字节，80C51 单片机是无法存储这么大的包的，只有放到外部的 RAM 里。同时外部的 RAM 也用作串行口的输入输出缓冲，以使单片机具有高速的吞吐数据的能力。24C02 是 IC 总线的 EPROM，用来存储用户的一些设置，比如 IP 地址、网关等。本方案使用 CPLD 的目的是，将 80C51 单片机的 8 位数据与 16 位地址转换成 32 位的数据和地址，因为 PCI9054 工作在初始化器模式时，他要求本地端的总线是 32 位的。在这里，用 CPLD
13、实现这样一个外部逻辑非常简单。MAX232 为串口电平转换电路。数据可以从串口输入到单片机，单片机再把数据通过网卡传出去。(2) 软件设计软件设计对网卡编程就是对网络接口控制芯片 RTL8029AS 中各种寄存器进行编程控制，从而完成数据分组的正确发送和接收。所有单片机程序采用 C51 语言编制，具有可读性强、移植性好、开发周期短的特点。代码的使用效率也比较高。主程序可以分为 PCI9054 芯片初始化、网络通讯和串行通讯 2 部分：PCI9054 芯片初始化过程就是对 PCI9054 芯片的 PCI 端配置寄存器和本地端配置寄存器进行正确的编程配置，以实现本地端单片机与PCI 端网卡的无缝连
14、接，对这 2 个寄存器既可以通过对 93C46 烧写编程的方式，也可以通过本地 CPU 直接编程的方式来完成初始化。网络通讯过程又可分为网卡初始化、发送控制和接受控制 3 部分。主程序框图如图 3 所示。PCI9054 芯片初始化过程就是对 PCI9054 芯片的相关寄存器进行初始化，这些寄存器包括 DMRR、DMLBAM、PCICR、CNTRL 等。(1) PCICR20=111B。允许 PCI 初始化器（本地端）访问 PCI总线。PCI9054 能够响应 I/O 访问。(2) DMPBAM10=11。允许 PCI 初始化器访问 PCI9054 存储器和 I/O 端口。(3) DMRR =
15、FFF00000H。设定 PCI 初始化器端(4) 可访问的存储器范围是 1MB。(5) DMLBAI = 40000000H。为 PCI InitiatortoPCI I/O Configuration 寄存器设定本地端基地址(6) DMPBAM1=1。允许本地端 I/O 端口访问 PCI InitiatortoPCI I/O Configuration 寄存器DMCFGA230=005010，DMCFGA31=1。网卡初始化过程对网卡的初始化就是对网卡相关寄存器进行初始化。这些寄存器包括 CR，DCR，RBCR PSTART，PSTOP，ISR，IMR，PAR0PAR5，MAR0MAR5D
16、 等。PSTART 接收缓冲区的起始页的地址。PSTOP 接收缓冲区的结束页地址（该页不用于接收）。BNRY 指向最后一个已经读取的页（读指针）CURR 当前的接收结束页地址（写指针）。(1) CR=0x21：选择页 0 寄存器，将 RTL8029 芯片处于离线状态；(2) DCR=0x8：32 位内存访问；(3) RBCR0=0,RBCR1=0:远程 DMA 操作时传递字节数清零；(4) RCR=0xc0,接受到的帧存入缓冲区；(5) TCR=oxe2：环路测试状态；(6) PSTART=0x4C,PSTOP0x80；构造缓冲区；(7) ISR=0xff；中断寄存器清零；(8) CR=0x61：选择页 1；(9) 设置网卡地址 PAR0PAR5(10) 设置多址寄存器 MAR0 MAR5;(11) CURR=0x4d：初始化当前页寄存器；(12) TCR=0xE0：发送器正常工作状态。发送控制过程在网络中，帧传输的过程就是发送方将待发送数据按帧格式要求封装成帧，然后通过网卡发送到网络的传输线上的工程。发送程序框图如图 4 所示
