摘 要 : 为实现基于MMC2107的嵌入式系统的网络连接，文章在简要介绍网络接口控制器RTL8019AS的基础上，给出了MMC2107微控制器与网络接口控制器RTL8019AS的接口电路设计和软件设计流程。
关键词 : 嵌入式系统; MMC2107; 以太网; TCP/IP
1. 引言
嵌入式系统是以计算机为基础、以应用为中心、软硬件均可剪裁、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。近年来，随着计算机、微电子、通信及网络技术的发展，嵌入式系统渗透到各个领域，广泛用于移动计算机平台、信息家电、无线通信设备、工业/商业控制等诸多领域。
在一些实际应用中，为了实现多个MCU（微控制器）之间的信息交流，可以利用CAN、RS232、RS485等总线将MCU组网，但这种网络的有效半径比较有限，有关的通信协议也比较少，并且一般是孤立于Internet以外的。Internet现在已经成为信息流通的重要渠道，如果嵌入式系统能够连接到Internet上，则可以方便、低廉地将信息传送到几乎世界上的任何一个地方，不仅可以实现对设备的远程控制、维护和升级，而且能够使接入Internet的设备成为网络资源的一部分。由于在实际工作中需要实现基于MMC2107的嵌入式设备的网络连接，本文以RTL8019AS以太网控制器为基础，给出了一种嵌入式系统与Intranet/Internet互联的设计方案，有效地解决了嵌入式系统的网络连接需求。
2. 以太网接口控制器RTL8019AS介绍
当前市场上存在多种以太网接口控制器，为缩短开发周期，在考虑实际产品功能需求的的基础上，特选用了台湾ReaLTEk公司生产的RTL8019AS以太网接口控制器。RTL8019AS具有功耗低、性价比高等优点，因此在嵌入式系统中得到广泛应用。
2.1 主要性能
（1）符合Ethernet II与IEEE802.3（10Base5、10Base2、10BaseT）标准；
（2）全双工，收发可同时达到10Mbps的速率；
（3）内置16KB的SRAM，用于收发缓冲，降低对主处理器的速度要求；
（4）支持8/16位数据总线，8个中断申请线以及16个I/O基地址选择；
（5）支持UTP、AUI、BNC自动检测，还支持对10BaseT拓扑结构的自动极性修正；
（6）允许4个诊断LED引脚可编程输出；
（7）100脚的PQFP封装，缩小了PCB尺寸。
2.2 帧格式
RTL8019AS的发送和接收采用标准的IEEE802.3帧格式，如图1所示。有效数据不足46B时需填零补足，超过1500B时，需要拆成多个帧传送。前导码、帧起始定界符和帧校验序列是帧格式所需的字段，NIC（网络接口控制器）去掉这3个字段，加上帧接收状态信息（1B）、下一帧页地址指针（1B）、该帧的帧长度（2B）和目的地址、源地址、类型/数据字段长度、有效数据一起放入缓冲区供微控制器使用。在图1中所示的帧中，类型/数据长度字段有两个作用，当该字段长度的值小于或等于1500时，表示后续有效数据的长度，反之，表示数据帧的类型。比如值为0x0800，表示有效数据的内容为IP包；值为0x0806，表示有效数据的内容为ARP包。
2.3 远程DMA和本地DMA
RTL8019AS内部可以划分为远程DMA（remote DMA）通道和本地DMA（LOCal DMA）通道两个部分。本地DMA完成控制器与网线的数据交换：接收数据时，NIC将接收到的数据存到NIC中的接收缓冲区，收满一帧后，以中断或寄存器标志的方式通知微控制器；发送数据时，由微控制器发出传送命令，控制器将NIC中的发送缓冲区内的数据按帧格式送到网线上。NIC中还包括一个FIFO缓冲区，可对收发的数据作16个字节的缓冲，以减少对本地DMA请求的频率。
远程DMA负责微控制器和RAM间的数据传输，即由微控制器设置读/写RAM的地址后，通过读/写数据端口从接收缓冲区中取出数据或者将数据送入发送缓冲区。
2.4 内部RAM地址空间分配
RTL8019AS内部有两块RAM区：一块只有32B，地址为0x0000~0x001f，称为Prom页，存储有本网络接口芯片的以太网物理地址。另一块容量为16KB，地址为0x4000~0x7fff，用于收发缓冲。
收发缓冲以页为单位，每页256个字节，共64页，页号记为0x40~0x80。一般将前12页（即页0x40~0x4b）作为发送缓冲区，分为两个6页的缓存区（因一个最大数据包占6页），两个发送缓冲区交替使用，可提高发送效率；后52页（即页0x4c~0x7f）作为接收缓冲区。为了有效利用接收缓冲区，NIC将接收缓冲区RAM构成FIFO循环队列结构。
2.5 RTL8019AS的内部I/O寄存器
RTL8019AS有32个I/O地址，地址偏移量为00H~1FH。RTL8019AS的所有内部寄存器都是8位的，映像到4个页面：PAGE0、PAGE1、PAGE2、PAGE3，每个页面有16个可供读写的寄存器地址（00H~0fH），由RTL8019AS的CR（Command Register命令寄存器）中的PS1、PS0位决定要访问的页。微控制器通过读写数据端口（10H~17H）实现对缓冲区的访问，8个数据端口功能相同，只要使用其中一个即可。复位端口（18H~1FH）功能相同，用于RTL8019AS的热复位。
3. 接口电路设计
RTL8019AS与主机有3种接口模式，即跳线模式、PNP模式和RT模式。本开发平台采用跳线模式，JP管脚接高，此时，RTL8019AS的I/O口基地址、中断输出口、介质类型的设置均由跳线器设定。使用该模式不使用93c46，可简化网络接口的软、硬件设计。
网络模块连接原理如图2所示。RTL8019AS的工作电压为5V，MCC2107的工作电压为3.3V，由于5V TTL和3.3V的电平转换标准是一样的，因此两模块可以直接相连。以I/O方式访问RTL8019AS且IOS3~0悬空时，RTL8019AS对应的I/O地址空间为00300H~0031FH，此时仅需要将地址线A[4:0]与MMC2107的外地址总线相连，A[19:10]、A[6:5]接地，A[8:7]接高即可。
注：RTL8019AS的管脚悬空时为低电平。
因为数据传输采用16位数据总线，所以IOCS16管脚加10K电阻上拉，使之为有效电平信号。RTL8019AS的命令寄存器均为8位，且数据均从低8位数据线送出，因此MMC2107访问命令寄存器时使用数据总线DATA[23:16]，访问数据寄存器时使用数据总线DATA[31:16]。根据EBI的传送情况，在设计中MMC2107的外地址总线ADDR[5:1]和RTL8019AS的地址线A[4:0]相连。
同时，根据RTL8019AS占用的外部存储器地址空间情况，各寄存器端口地址定义如下：
#define NE_BASE 0x81800001
#define NE_CR (*(INT8U*)(NE_BASE+0))
…
#define NE_DMA (*(INT16U*)(0x81800000+0x20))
4. 接口程序设计
网络模块通信过程主要分为模块复位、初始化、接收控制和发送控制四部分，下面分别予以讨论。
1. 复位
RTL8019AS的复位方式有冷、热两种。RESDRV为RTL8019AS的复位管脚，给该引脚施加一个1μs以上的高电平就可以实现冷复位。先读再写复位端口，可实现热复位。因为复位过程将执行一些操作，因此应等待100ms之后再对RTL8019AS操作，以确保复位完全。
2. 初始化过程
复位后初始化所需寄存器(初始化页0与页1的相关寄存器，页2的寄存器是只读的，不能设置，页3的寄存器不是NE2000兼容的，不用设置)。初始化主要完成：设置发送和接收条件；对网卡缓冲区RAM进行划分，建立接收和发送缓冲环；设置网卡地址寄存器，赋予本网卡一个物理地址。
3. 接收过程
微控制器完成对RTL8019AS的初始化后，NIC就处于接收状态，一旦收到帧数据，就自动执行本地DMA，将NIC FIFO中的数据送入接收缓冲环，然后向主机发送“接收到数据帧”中断请求。
接收数据帧也可采用查询方式。在查询方式下，主程序读取CURR和BNRY两个寄存器的值，当BNRY与CURR不等时，说明接收缓冲区接收到了新的帧，主程序读取数据后，以所读取帧的第二个字节（下一帧的页地址）更新BNRY，主程序循环跟踪判断CURR和BNRY的值是否相等，达到数据接收的目的。
在实时多任务的环境中，一般采用中断方式来处理RTL8019AS的数据接收、数据发送结束、出错事件等中断。文章采用中断方式，设置边沿端口模块(EPORT)的外中断引脚INT2#为下降沿检测的中断。
4. 发送过程
微控制器先执行远程DMA写操作，将RAM中的数据分组传至RTL8019AS发送缓冲区，再启动本地DMA，将数据发送到网上。主程序在发送一帧数据时，先要查TSR寄存器判断上一帧是否发送完毕，再发送本帧。
5. 结束语
本文提出了MMC2107微控制器与网络接口控制器RTL8019AS的互联方案，并给出了详细的软硬件设计以及软件设计流程。该设计实现了基于MMC2107微控制器的嵌入式系统与Internet的互联，增强了嵌入式系统的功能。现该产品已经投入实际应用，使用效果良好。该系统还可以广泛应用在工业控制领域，有很高的实用价值。
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