51单片机RTL8019AS网卡驱动程序-百合电子工作室

    我的SNMP网管板使用了RTL8019AS 10M ISA网卡芯片接入以太网。选它的好处是：NE2000兼容，软件移植性好；接口简单不用转换芯片如PCI-ISA桥；价格便宜2.1$/片(我的购入价为22元RMB/片)；带宽充裕(针对51)；较长一段时间内不会停产。8019有3种配置模式：跳线方式、即插即用P&P方式、串行Flash配置方式。为了节省成本，我去掉了9346而使用X5045作为闪盘存储MAC地址和其他可配置信息。P&P模式用在PC机中，这里用不上。只剩下跳线配置模式可用，它的电路设计参考REALTEK提供的DEMO板图纸。一天时间就可以完成，相对来说硬件设计比较简单。
    与这部分硬件相对应的软件是网卡驱动。所谓驱动程序是指一组子程序，它们屏蔽了底层硬件处理细节，同时向上层软件提供硬件无关接口。驱动程序可以写成子程序嵌入到应用程序里(如DOS下的I/O端口操作和ISR)，也可以放在动态链接库里，用到的时候再动态调入以便节省内存。在WIN98中，为了使V86、WIN16、WIN32三种模式的应用程序共存，提出了虚拟机的概念，在CPU的配合下，系统工作在保护模式，OS接管了I/O、中断、内存访问，应用程序不能直接访问硬件。这样提高了系统可靠性和兼容性，也带来了软件编程复杂的问题。任何网卡驱动都要按VXD或WDM模式编写，对于硬件一侧要处理虚拟机操作、总线协议(如ISA、PCI)、即插即用、电源管理；上层软件一侧要实现NDIS规范。因此在WIN98下实现网卡驱动是一件相当复杂的事情。
    我这里说的驱动程序特指实模式下的一组硬件芯片驱动子程序。从程序员的角度看，8019工作流程非常简单，驱动程序将要发送的数据包按指定格式写入芯片并启动发送命令，8019会自动把数据包转换成物理帧格式在物理信道上传输。反之，8019收到物理信号后将其还原成数据，按指定格式存放在芯片RAM中以便主机程序取用。简言之就是8019完成数据包和电信号之间的相互转换：数据包<===>电信号。以太网协议由芯片硬件自动完成，对程序员透明。驱动程序有3种功能：芯片初始化、收包、发包。
    以太网协议不止一种，我用的是802.3。它的帧结构如图1所示。物理信道上的收发操作均使用这个帧格式。其中，前导序列、帧起始位、CRC校验由硬件自动添加/删除，与上层软件无关。值得注意的是，收到的数据包格式并不是802.3帧的真子集，而是如图2所示。明显地，8019自动添加了“接收状态、下一页指针、以太网帧长度(以字节为单位)”三个数据成员(共4字节)。这些数据成员的引入方便了驱动程序的设计，体现了软硬件互相配合协同工作的设计思路。当然，发送数据包的格式是802.3帧的真子集，如图3所示。



    有了收发包的格式，如何发送和接收数据包呢？如图4所示，先将待发送的数据包存入芯片RAM，给出发送缓冲区首地址和数据包长度(写入TPSR、TBCR0,1)，启动发送命令(CR=0x3E)即可实现8019发送功能。8019会自动按以太网协议完成发送并将结果写入状态寄存器。如图5所示，接收缓冲区构成一个循环FIFO队列，PSTART、PSTOP两个寄存器限定了循环队列的开始和结束页，CURR为写入指针，受芯片控制，BNRY为读出指针，由主机程序控制。根据CURR==BNRY+1?可以判断是否收到新的数据包，新收到的数据包按图2格式存于以CURR指出的地址为首址的RAM中。当CURR==BNRY时芯片停止接收数据包。如果做过FPGA设计，用过VHDL，可以想象到硬件芯片的工作原理。此处，设计2个8bit寄存器和一个2输入比较器，当收到数据包时，接收状态机根据当前状态和比较器结果决定下一个状态，如果CURR=BNRY，进入停收状态；反之，CURR按模增1。8019数据手册没有给出硬件状态机实现方法，说明也很简略，往往要通过作实验的方法推理出工作过程。比如，ISR寄存器不只和中断有关，当接收缓冲溢出时，如果不清ISR(写入FFH)，芯片将一直停止接收。在流量较大时溢出经常发生，此时不清ISR，就会导致网卡芯片死机。

    明白了发送和接收数据包的原理，那么数据包又是怎样被主机写入芯片RAM和从芯片RAM读出的呢？如图6所示，主机设置好远端DMA开始地址(RSAR0,1)和远端DMA数据字节数(RBCR0,1)，并在CR中设置读/写，就可以从远端DMA口寄存器里读出芯片RAM里的数据/把数据写入芯片RAM。
    何谓本地/远端DMA呢？如图7所示，“远端”指CPU接口侧；“本地”指8019的硬件收发电路侧。没有更深的意思，与远近无关，仅仅为了区分主机和芯片硬件两个接口端。这里的DMA与平时所说的DMA有点不同。RTL8019AS的local DMA操作是由控制器本身完成的，而其remote DMA并不是在无主处理器的参与下，数据能自动移到主处理器的内存中。remote DMA指主机CPU给出起址和长度就可以读写芯片RAM，每操作一次RAM地址自动加1。而普通RAM操作每次要先发地址再处理数据，速度较慢。
    在一些高档通信控制器上自带有MAC控制器，工作原理与8019的差不多，比如：Motorola 68360/MPC860T内部的CPM带有以太网处理器，通过设置BD表，使软件和硬件协同工作，它的缓冲区更大且可灵活配置。这些通信控制器的设计，体现了软硬件互相融合协同工作的趋势：软件硬化(VHDL)，硬件软化(DSP)，希望大家关注！

    如图7所示，8019以太网控制器以存储器(16K双口RAM)为核心，本地和远端控制器并发操作。这种体系结构满足了数据带宽的需要。8019拥有控制、状态、数据寄存器，通过它们，51单片机可以与8019通信。由于51资源紧张，在实现TCPIP协议栈时不要进行内存块拷贝，建议(1)使用全局结构体变量，在内存中只保存一个数据包拷贝，其他没有来得及处理的包保存在8019的16K RAM里；(2)使用查询方式而不用中断；(3)客户服务器模型中服务器工作于串行方式，并发模式不适合51单片机。
    芯片内部地址空间的分配如图8所示，其中0x00-0x0B(工作于8位DMA模式)用于存放本节点MAC地址，奇偶地址内容是重复放置的。如：MAC地址0000 1234 5678存放在0x00-0x0B中为000000001212343456567878，单地址和双地址的内容是重复的.一般使用偶数地址的内容，这主要是为了同时适应8位和16位的dma。Prom内容是网卡在上电复位的时候从93C46里读出来的。如果你没有使用93C46,就不要使用Prom，那么使用了93C46后如何获得网卡的地址呢？有两种方法,一是直接读93C46,二是读Prom。网卡MAC地址既不由93C46也不由Prom决定，而是由PAR0-PAR5寄存器决定。Prom只保存上电时从9346中读出的MAC地址(如果有93C46的话)，仅此而矣。

网卡MAC地址不是随便定义的，它的组成结构如图9所示。以太网的地址为48位，由ieee统一分配给网卡制造商，每个网卡的地址都必须是全球唯一的。共6个字节的长度。FF:FF:FF:FF:FF:FF为广播地址，只能用在目的地址段，不能作为源地址段。目的地址为广播地址的数据包，可以被一个局域网内的所有网卡接收到。合法的以太网地址第32位组播标志必须为0。例如：
X0:XX:XX:XX:XX:XX
X2:XX:XX:XX:XX:XX
X4:XX:XX:XX:XX:XX
X6:XX:XX:XX:XX:XX
X8:XX:XX:XX:XX:XX
XA:XX:XX:XX:XX:XX
XC:XX:XX:XX:XX:XX
XE:XX:XX:XX:XX:XX
为合法以太网地址。上面的X代表0－F中的任一个。
地址
X1:XX:XX:XX:XX:XX
X3:XX:XX:XX:XX:XX
X5:XX:XX:XX:XX:XX
X7:XX:XX:XX:XX:XX
X9:XX:XX:XX:XX:XX
XB:XX:XX:XX:XX:XX
XD:XX:XX:XX:XX:XX
XF:XX:XX:XX:XX:XX
为组播地址，只能作为目的地址，不能作为源地址。组播地址可以被支持该组播地址的一组网卡接收到。组播地址主要用在视频广播，远程唤醒（通过发一个特殊的数据包使网卡产生一个中断信号，启动电脑），游戏（多个人在局域网里联机打游戏）里等。
以下是一些具体的组播地址：
地址范围
01:00:5E:00:00:00－--01:00:5E:7F:FF:FF 用于ip地址的组播，其他组播地址跟tcp/ip无关，不做介绍。
网卡可以接收以下3种地址的数据包：
第一种目的地址跟自己的网卡地址是一样的数据包；
第二种目的地址为FF:FF:FF:FF:FF:FF广播地址的数据包；
第三种目的地址为跟自己的组播地址范围相同的数据包。