利用嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

引言

《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》課程是大學(xué)計(jì)算機(jī)及相關(guān)專業(yè)開設(shè)的一門計(jì)算機(jī)與通信的專業(yè)課程。本課程具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，很多教學(xué)內(nèi)容都需要高成本的實(shí)驗(yàn)環(huán)境才能實(shí)現(xiàn)，加上網(wǎng)絡(luò)設(shè)備更新快、成本高，一般高校難以承擔(dān)。而通過軟件技術(shù)。建立一個(gè)軟件模擬的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，不僅可節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，還可提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的水平和質(zhì)量。

局域網(wǎng)技術(shù)發(fā)展十分迅速，Ethernet （以太網(wǎng)）是目前使用最廣泛的局域網(wǎng)技術(shù)。因此，學(xué)習(xí)以太網(wǎng)技術(shù)對(duì)深入掌握局域網(wǎng)知識(shí)是非常重要的。本設(shè)計(jì)的目的就是利用嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，使學(xué)生熟悉網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)發(fā)送流程。

1 、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件框圖如圖1所示，它主要由C805lF310、CS8900A和MAX232以及外圍電路組成。

1.1 單片機(jī)C8051F310

C805lF310是美國(guó)Cygnal公司的產(chǎn)品。該器件是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型 MCU芯片，采用32腳LQFP封裝，體積較小。C8051F310的模擬外設(shè)包括10位ADC以及速率可達(dá)200 KSpS的兩個(gè)模擬比較器。器件的供電電壓為2.7～3.6 V，典型工作電流為5mA@25MHz，典型停機(jī)電流為0.1μA。同時(shí)，C8051F310還帶有1280字節(jié)的內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM（1 K+256）和16 KB的閃速存儲(chǔ)器，可以在系統(tǒng)編程，其扇區(qū)大小為512字節(jié)。該MCU芯片的數(shù)字外設(shè)包括29個(gè)端口I/O，所有口線的耐壓均為5 V，并具有4個(gè)通用16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器。C8051F310的時(shí)鐘源既可用內(nèi)部可編程振蕩器（24.5 MHz，±2%精度），也可用外部振蕩器（晶體、RC、C）或外部時(shí)鐘。

1.2 以太網(wǎng)控制芯片CS8900A

CS8900A是Cirrus Logic公司生產(chǎn)的低功耗16位以太網(wǎng)控制器。它功能強(qiáng)大，其高度集成設(shè)計(jì)使其不再需要其它以太網(wǎng)控制器所必需的昂貴外部器件。CS8900A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

CS8900A包括片上RAM、10BASE-T發(fā)送和接收濾波器以及帶24 mA驅(qū)動(dòng)能力的直接ISA總線接口。除了高度集成外，CS8900A還提供其他性能和配置選擇。它獨(dú)特的PacketPage結(jié)構(gòu)可自動(dòng)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)通信量模式的改變和現(xiàn)有系統(tǒng)資源，因而系統(tǒng)效率很高。

CS8900A的內(nèi)部功能主要是802.3介質(zhì)訪問控制塊（MAC）。802.3介質(zhì)訪問控制塊可支持全雙工操作，并可完全依照IEEE802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)來處理有關(guān)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和接收，包括沖突檢測(cè)、幀頭的產(chǎn)生和檢測(cè)、CRC校驗(yàn)碼的生成和驗(yàn)證等。通過對(duì)發(fā)送控制器（TXCMD）的初始化配置，MAC 能自動(dòng)完成幀的沖突后重傳。如果幀的數(shù)據(jù)部分少于64字節(jié)，它還能生成填充字段，以使數(shù)據(jù)幀達(dá)到802.3所要求的最短長(zhǎng)度。

CS8900A的主要特點(diǎn)是符合IEEE802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，并帶有ISA接口。片內(nèi)有4K字節(jié)RAM，可適用I/0操作模式、存儲(chǔ)器操作和 DMA操作模式。芯片帶有傳送、接收低通率的10BASE-T連接端口，并支持10BASE2、10BASE5和10BASE-F的AUI接口，也可自動(dòng)生成報(bào)頭，自動(dòng)進(jìn)行CRC檢驗(yàn)，而且沖突后可自動(dòng)重發(fā)。CS8900A的最大電流消耗為55 mA（5 V電源），可全雙工操作，同時(shí)支持外部EEPROM。

CS8900A收到由主機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)包（從目的地址域到數(shù)據(jù)域，如圖3所示）后，即可偵聽網(wǎng)絡(luò)線路，如果線路忙，就等待，否則就立即發(fā)送該數(shù)據(jù)幀，圖3所示是其802.3幀格式。

發(fā)送時(shí)。首先應(yīng)添加以太網(wǎng)幀頭（包括先導(dǎo)字段和幀開始標(biāo)志），然后生成CRC校驗(yàn)碼，最后將此數(shù)據(jù)幀發(fā)送到以太網(wǎng)上。接收時(shí)，則把從以太網(wǎng)接收的數(shù)據(jù)幀經(jīng)過解碼、去幀頭和地址等步驟后所得到的數(shù)據(jù)放在緩存內(nèi)，這樣，在CRC校驗(yàn)通過后，根據(jù)初始化配置情況，CS8900A通知主機(jī)收到了數(shù)據(jù)幀，并將數(shù)據(jù)用某種傳輸模式傳到主機(jī)的存儲(chǔ)區(qū)。

1. 3 硬件電路分析和設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用C805lF310作為控制器，而以太網(wǎng)控制芯片CS8900A也是主要的一個(gè)工作部件，用于完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器E2023是和芯片CS8900A配套使用的，用于將外部線路與CS8900A隔開，防止干擾，并可實(shí)現(xiàn)帶電插拔功能。此外，CS8900A還有兩個(gè)接口，一個(gè)是用來和用戶模塊連接的RS232串行接口（用MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換），另一個(gè)是用來連接網(wǎng)絡(luò)的RJ45接口。

C805lF310通過數(shù)據(jù)線、地址線和控制線與CS8900A相連。它可通過等實(shí)現(xiàn)對(duì)CS8900A的工作方式的控制和讀寫操作。當(dāng) CS8900A有硬件復(fù)位或軟件復(fù)位時(shí)，它將默認(rèn)成8位工作模式。本設(shè)計(jì)采用8位模式，這樣，C805lF310的P1口與CS8900A的低8位數(shù)據(jù)線相連。CS8900A與C8051F310之間的數(shù)據(jù)傳輸采用默認(rèn)的I/O模式，因此，讀寫管腳被置高，以關(guān)閉Memory方式。在此模式下，用3根地址線就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有寄存器的訪問，只要將管腳SAl、SA2和SA3對(duì)應(yīng)接到C8051F310的地址線上即可。實(shí)際上，除了為保證缺省偏移地址 （0X300H）須將SA8和SA9置高外。其余不用的地址線都接入低電平。

2 、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件部分主要包括計(jì)算機(jī)程序、單片機(jī)程序及以太網(wǎng)芯片CS8900A的驅(qū)動(dòng)程序。

2.1 計(jì)算機(jī)程序

計(jì)算機(jī)程序主要指的是實(shí)驗(yàn)界面。這是人機(jī)交互的窗口。通過該界面，學(xué)生可以控制并查看發(fā)送和接收流程。這樣，可在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，輸入要發(fā)送的內(nèi)容，選擇使用的協(xié)議，并控制發(fā)送流程，然后查看并分析各層數(shù)據(jù);而在接收數(shù)據(jù)時(shí)，則可通過分析收到的數(shù)據(jù)包來分析使用的協(xié)議。

2.2 CS8900A的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

在8位I/0模式下，CS8900A不支持中斷方式。因此，C805lF310采用查詢方式與CS8900A通信。在CS8900A開始工作之前，系統(tǒng)必須進(jìn)行一定的初始化，以確定它的工作模式。在主機(jī)與網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)的過程中。還需要不斷地對(duì)CS8900A的內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫操作。通常在 I/0模式下，MCU可以通過操作CS8900A的幾個(gè)主要的寄存器來實(shí)現(xiàn)對(duì)CS8900A中所有內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫，這幾個(gè)主要的工作寄存器有：

◇LINECTL（0112H）：可決定CS8900A的基本配置和物理接口。其初始值為00d3H，可選擇物理接口為10BASE-T，并使能設(shè)備的發(fā)送和接收控制位：

◇RXCTL （0104H）：控制CS8900A接收特定的數(shù)據(jù)報(bào)。初始值為0d05H，可接收網(wǎng)絡(luò)上的廣播或者目標(biāo)地址同本地物理地址相同的正確數(shù)據(jù)報(bào)：

◇RXCFG（0102H）：可控制CS8900A接收特定的數(shù)據(jù)報(bào)并引發(fā)中斷?？稍O(shè)置為0103H：

◇BUSCT（0116H）：控制芯片的I/0接口的一些操作。設(shè)置初始值為8017H，可打開CS8900A的中斷總控制位：

◇ISQ （0120H）：ISQ是CS8900A的中斷狀態(tài)寄存器，可在內(nèi)部映射接收中斷狀態(tài)寄存器和發(fā)送中斷狀態(tài)寄存器的內(nèi)容：

◇PORTO（0000H）：發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)，MCU通過PORT0傳遞數(shù)據(jù);

◇TXCMD（0004H）：為發(fā)送控制寄存器，如果寫入數(shù)據(jù)00COH，那么CS8900A將在全部數(shù)據(jù)寫入后開始發(fā)送數(shù)據(jù);

◇TXLENG（0006H）：發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度寄存器，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先寫入發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，然后將數(shù)據(jù)通過PORT0寫入芯片。

寄存器后括號(hào)內(nèi)的數(shù)字是寄存器地址相對(duì)基址0300H的偏移量。需要注意的是，在初始化CS8900A之前需強(qiáng)迫其進(jìn)入16位模式。主機(jī)在一次中斷處理中，必須連續(xù)地讀并且處理中斷狀態(tài)隊(duì)列（ISQ）。當(dāng)有中斷產(chǎn)生時(shí)，中斷管腳信號(hào)變高，并依次將5個(gè)寄存器的內(nèi)容映射到ISQ中，直到從ISQ中讀出OX000為止。其驅(qū)動(dòng)程序的軟件流程圖如圖4所示。

2.3 MCU（C8051F310）主控程序

通常C8051F310首先初始化芯片CS8900A。初始化部分主要完成軟件復(fù)位并檢查復(fù)位完成標(biāo)志是否置位;接著設(shè)定8/16位工作模式，默認(rèn)為8位模式;再設(shè)定臨時(shí)使用的以太網(wǎng)物理地址（真實(shí)地址需要向權(quán)威機(jī)構(gòu)申請(qǐng)），之后，設(shè)定接收幀的類型時(shí)，一般要能接收廣播，然后確定數(shù)據(jù)的傳送方向 （可設(shè)為全雙工或半雙工），接著中斷允許，使能接收中斷，確定CS8900A的中斷管腳號(hào)（根據(jù)硬件線路使用情況來確定），最后接收發(fā)送使能。

C8051F310完成數(shù)據(jù)的解包打包時(shí)。將從網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)報(bào)，并對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行分析，如果是IP數(shù)據(jù)包，則解析IP分組并送TCP層，并在解析 TCP段后送應(yīng)用層，然后將數(shù)據(jù)解包后通過串口輸出。反之，如果C8051F310從串口收到數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)按照TCP協(xié)議格式打包，并在生成IP分組后送入CS8900A，然后由CS8900A把數(shù)據(jù)輸出到局域網(wǎng)中。

可以看出，鏈路層是由CS8900A完成的，而TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層由C8051F310來處理，應(yīng)用層則由用戶根據(jù)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3、 結(jié)束語

本文給出了基于C8051F310單片機(jī)和CS8900A以太網(wǎng)控制器的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方法。通過本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生可以完成協(xié)議分析的相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，從而加強(qiáng)學(xué)生對(duì)TCP/IP協(xié)議族的理解。

責(zé)任編輯：gt