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1、第十七章第十七章 工业以太网工业以太网 主要内容v 工业以太网概要v 8位MCU的嵌入式以太网接口设计实例17.1 工业以太网概要工业以太网概要 17.1.1 技术概要技术概要 随着随着Internet的迅猛发展，以太网已成为事实上的工业标准，的迅猛发展，以太网已成为事实上的工业标准，TCP/IP的简单实用已深入人心，为广大用户所接受。以太网已广泛地的简单实用已深入人心，为广大用户所接受。以太网已广泛地应用于各种场合，如办公局域网、工业控制网络、因特网、智能家居应用于各种场合，如办公局域网、工业控制网络、因特网、智能家居等场合。现在人们俗称的以太网技术以及工业以太网技术，不仅包含等场合。现在人
2、们俗称的以太网技术以及工业以太网技术，不仅包含了物理层和数据链路层的以太网规范，而且还包含了物理层和数据链路层的以太网规范，而且还包含TCP/IP协议组，即协议组，即包含网络层的网际互联协议包含网络层的网际互联协议IP、传输层的传输控制协议、传输层的传输控制协议TCP、用户数、用户数据包协议据包协议UDP等。有时甚至把应用层的简单邮件传送协议等。有时甚至把应用层的简单邮件传送协议SMTP、域、域名服务名服务DNS、文件传输协议、文件传输协议FTP等的应用协议都与以太网这个名词捆等的应用协议都与以太网这个名词捆绑在一起。绑在一起。 17.1 工业以太网概要 与其他控制网络相比，工业以太网的优势主
3、要体现在以下几个与其他控制网络相比，工业以太网的优势主要体现在以下几个方面：方面： 低成本、易于组网，与计算机、服务器等接口方便。低成本、易于组网，与计算机、服务器等接口方便。 用户拥有成本下降。用户拥有成本下降。 高速的数据传输速率，可提供足够的带宽。高速的数据传输速率，可提供足够的带宽。 资源共享能力强。资源共享能力强。 易与易与Internet连接。连接。 广泛的技术支持。广泛的技术支持。17.1.2 工业以太网的优势工业以太网的优势17.1 工业以太网概要17.1.3 工业以太网互连模型工业以太网互连模型 工业以太网的物理层与数据链路层采用工业以太网的物理层与数据链路层采用IEEE80
4、2.3规范，网络层与规范，网络层与传输层采用传输层采用TCP/IP协议组，应用层的一部分可以沿用互联网应用协议。协议组，应用层的一部分可以沿用互联网应用协议。工业以太网标准化工作主要集中在工业以太网标准化工作主要集中在ISO/OSI模型的应用层，需要在应用模型的应用层，需要在应用层添加与自动化相关的应用协议。层添加与自动化相关的应用协议。 下图为下图为OSI参考模型与工业以太网的分层比较参考模型与工业以太网的分层比较 。应用用层表示表示层会会话层传输层网网络层数据数据链路路层物理物理层应用用层TCP/UDPIP以太网以太网MAC以太网物理以太网物理层17.1 工业以太网概要（）（） 通信实时性
5、问题通信实时性问题 解决方案有：解决方案有： 提高通信速率提高通信速率 控制网络负荷控制网络负荷 采用以太网络的全双工交换技术采用以太网络的全双工交换技术 在以太网的协议中加入实时功能在以太网的协议中加入实时功能（2） 对环境的适应性与可靠性问题对环境的适应性与可靠性问题（3） 总线供电问题总线供电问题17.1.4 工业以太网技术应解决的问题及相关措施工业以太网技术应解决的问题及相关措施返回返回17.1 工业以太网概要17.2 8位位MCU的嵌入式以太网接口设计实例的嵌入式以太网接口设计实例17.2.1 嵌入式以太网接口分析嵌入式以太网接口分析（1） 接口组成接口组成8 8位位MCUMCU 嵌
6、入式设备以太网接口组成以太网以太网控制芯片控制芯片以太网以太网隔离芯片隔离芯片RJ45接口接口17.2 8位MCU的嵌入式以太网接口设计实例（2）以太网控制芯片的选择）以太网控制芯片的选择 以太网控制芯片的选择要考虑以下几个因素：以太网控制芯片的选择要考虑以下几个因素： 主控芯片是主控芯片是8位位MCU，选用的以太网控制芯片也必须支持，选用的以太网控制芯片也必须支持8位工位工作模式。作模式。 以太网控制芯片的缓存尽可能大。以太网控制芯片的缓存尽可能大。 以太网控制芯片和主控芯片的数据交换方式。以太网控制芯片和主控芯片的数据交换方式。 下表是目前市面上几种可供选用的以太网控制芯片和主要特性。下表
7、是目前市面上几种可供选用的以太网控制芯片和主要特性。生生产厂商厂商型号型号片内片内缓存存(Bytes)(Bytes)8 8位模式中断位模式中断相相对价格价格SmscSmscLAN91C111LAN91C1118K8K是是高高NationalNationalSemiconductorSemiconductorDP8390DP8390无无是是低低DavicomDavicomDM9008FDM9008F16K16K是是低低RealTekRealTekRTL8019ASRTL8019AS16K16K是是低低Cirrus LogicCirrus LogicCS8900ACS8900A4K4K否否高高17
8、.2 8位MCU的嵌入式以太网接口设计实例 （3）以太网控制芯片）以太网控制芯片RTL8019AS 1) RTL8019AS的主要性能的主要性能 符合符合Ethernet II与与IEEE802.3（10Base5、10Base2、10BaseT）标准；）标准； 全双工，收发可同时达到全双工，收发可同时达到10Mbps的速率；的速率； 内置内置16KB的的SRAM，用于收发缓冲，降低对主处理器的速度要，用于收发缓冲，降低对主处理器的速度要求；求； 支持支持8/16位数据总线，位数据总线，8个中断申请线及个中断申请线及16个个I/O基地址选择；基地址选择； 支持支持UTP、AUI、BNC自动检测
9、，还支持对自动检测，还支持对10BaseT拓扑结构拓扑结构的自动极性修正；的自动极性修正； 允许允许4个诊断个诊断LED引脚可编程输出；引脚可编程输出； 采用采用CMOS工艺，功耗低。单一电源工艺，功耗低。单一电源5V供电。供电。17.2 8位MCU的嵌入式以太网接口设计实例 2) RTL8019AS的内部结构的内部结构ISAISA总线接口总线接口ENA(ENA(编码译码编码译码) )逻辑逻辑AUIAUI接口接口双绞线接口双绞线接口即插即用即插即用(PnP)(PnP)Boot ROMBoot ROM端口端口EEPROMEEPROM端口端口8K168K16SRAMSRAMMACMAC逻辑逻辑17
10、.2 8位MCU的嵌入式以太网接口设计实例 3) RTL8019AS的逻辑功能的逻辑功能 接收逻辑接收逻辑 CRC产生校验逻辑产生校验逻辑 发送逻辑发送逻辑 地址识别逻辑地址识别逻辑 FIFO和和FIFO控制逻辑控制逻辑 协议协议PCA DMA和缓冲控制逻辑和缓冲控制逻辑 17.2 8位MCU的嵌入式以太网接口设计实例 4) RTL8019AS的内部的内部RAM地址空间分配地址空间分配RTL8019AS内部有两块内部有两块RAM区。一块区。一块16K字节，地址为字节，地址为0x40000x7FFFF；一块；一块32字节，地址为字节，地址为0x00000x001F。RAM按页存储，每按页存储，每
11、256字节为一页。一般将字节为一页。一般将RAM的前的前12页（即页（即0x40000x4BFF）存储区作为发送缓冲区；后）存储区作为发送缓冲区；后52页（即页（即0x4C000x7FFF）存储区作为接收缓冲区。第存储区作为接收缓冲区。第0页叫页叫Prom页，只有页，只有32字节，地址为字节，地址为0x00000x001F，用于存储以太网物理地址。，用于存储以太网物理地址。17.2 8位MCU的嵌入式以太网接口设计实例 5)引脚介绍引脚介绍RTL8019AS提供提供100脚的脚的TQFP(Thin Quad Flat Pack)封装，其封装，其引脚可分为如下几类：电源及时钟引脚、网络介质接口引
12、脚、自举引脚可分为如下几类：电源及时钟引脚、网络介质接口引脚、自举ROM及初始化及初始化EEPROM接口引脚、主处理器接口引脚、输出指示及工接口引脚、主处理器接口引脚、输出指示及工作方式配置引脚。由于本文主要讨论非作方式配置引脚。由于本文主要讨论非PC环境下的以太网接口，该接环境下的以太网接口，该接口不必具有即插即用功能口不必具有即插即用功能(PnP)和远程自举加载功能，因此不需要关注和远程自举加载功能，因此不需要关注RTL8019AS与自举与自举ROM、初始化、初始化EEPROM接口的引脚。接口的引脚。17.2 8位MCU的嵌入式以太网接口设计实例 R1INHCS08HCS08系列接口逻辑框
13、图系列接口逻辑框图RTL8019ASMC9S08GB60隔离隔离芯片芯片SD0SD7PTA0PTA7SA0SA4PTC0PTC4INT0INT0IORBIOWBRSTDRVAENPTB1PTB0PTB4PTB2HDTPIN+LDTPIN-TX+TX-RX+RX-RJ45MAX232R1OUTRXDTXD 串串 口口PCLTL-2006硬件系统由四大部分组成：硬件系统由四大部分组成： 主控芯片：采用主控芯片：采用MC9S08GB60 以太网控制芯片以太网控制芯片RTL8019AS 网络隔离芯片网络隔离芯片LTL-2006 串行接口芯片串行接口芯片MAX23217.2.2 硬件设计硬件设计17.2
14、 8位MCU的嵌入式以太网接口设计实例 一个完整的以太网控制器驱动程序应包括以下几个基本部分：硬件一个完整的以太网控制器驱动程序应包括以下几个基本部分：硬件初始化、发送数据程序和接收数据程序。初始化、发送数据程序和接收数据程序。（1）初始化以太网控制芯片）初始化以太网控制芯片 1) 硬件初始化所需的工作硬件初始化所需的工作 2) RTL8019AS的初始化程序描述的初始化程序描述 3) RTL8019AS的内存缓冲区的初始化设置说明的内存缓冲区的初始化设置说明（2）接收数据）接收数据 1) 接收数据过程描述接收数据过程描述 2) 接收数据溢出处理接收数据溢出处理（3）发送数据）发送数据17.2
15、.3工业以太网接口驱动程序设计工业以太网接口驱动程序设计返回返回17.2 8位MCU的嵌入式以太网接口设计实例 学习本章需要有一定的计算机网络技术知识作为基础，主要涉及学习本章需要有一定的计算机网络技术知识作为基础，主要涉及到计算机网络体系结构中的物理层、数据链路层、网络层、传输层的到计算机网络体系结构中的物理层、数据链路层、网络层、传输层的相关知识，特别是以太网的规范和相关知识，特别是以太网的规范和IEEE802.3标准。第标准。第1节讲述了工业节讲述了工业以太网技术概要知识，重点掌握工业以太网技术应解决的问题及相关以太网技术概要知识，重点掌握工业以太网技术应解决的问题及相关措施。第措施。第2节给出了基于节给出了基于8位位MCU的嵌入式以太网接口设计实例，分析的嵌入式以太网接口设计实例，分析了嵌入式以太网接口组成、以太网控制芯片的选取，设计了硬件电路，了嵌入式以太网接口组成、以太网控制芯片的选取，设计了硬件电路，详细阐述了以太网接口的驱动程序设计过程：硬件初始化、发送数据详细阐述了以太网接口的驱动程序设计过程：硬件初始化、发送数据程序和接收数据程序。程序和接收数据程序。本章小结本章小结返回返回
