由單片機和CS8900A構件的PC網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗平臺
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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)習以太網(wǎng)技術(shù)對深入掌握局域網(wǎng)知識是非常重要的?！队嬎銠C網(wǎng)絡(luò )》課程是大學(xué)計算機及相關(guān)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設的一門(mén)計算機與通信的專(zhuān)業(yè)課程。本課程具有很強的實(shí)踐性，很多教學(xué)內容都需要高成本的實(shí)驗環(huán)境才能實(shí)現，加上網(wǎng)絡(luò )設備更新快、成本高，一般高校難以承擔。而通過(guò)軟件技術(shù)．建立一個(gè)軟件模擬的實(shí)驗室環(huán)境，不僅可節約實(shí)驗成本，還可提高實(shí)驗教學(xué)的水平和質(zhì)量。
本設計的目的就是利用嵌入式網(wǎng)絡(luò )模塊來(lái)實(shí)現網(wǎng)絡(luò )數據的發(fā)送和接收，使學(xué)生熟悉網(wǎng)絡(luò )的數據發(fā)送流程。
1 實(shí)驗平臺的硬件設計
1．1 單片機C8051F310
C805lF310是美國Cygnal公司的產(chǎn)品。該器件是完全集成的混合信號片上系統型MCU芯片，采用32腳LQFP封裝，體積較小。C8051F310的模擬外設包括10位ADC以及速率可達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，典型停機電流為0．1μA。同時(shí)，C8051F310還帶有1280字節的內部數據RAM(1 K+256)和16 KB的閃速存儲器，可以在系統編程，其扇區大小為512字節。該MCU芯片的數字外設包括29個(gè)端口I／O，所有口線(xiàn)的耐壓均為5 V，并具有4個(gè)通用16位計數器／定時(shí)器。C8051F310的時(shí)鐘源既可用內部可編程振蕩器(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。它功能強大，其高度集成設計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的內部結構如圖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驅動(dòng)能力的直接ISA總線(xiàn)接口。除了高度集成外，CS8900A還提供其他性能和配置選擇。它獨特的PacketPage結構可自動(dòng)適應網(wǎng)絡(luò )通信量模式的改變和現有系統資源，因而系統效率很高。
CS8900A的內部功能主要是802．3介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制塊(MAC)。802．3介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制塊可支持全雙工操作，并可完全依照IEEE802．3以太網(wǎng)標準來(lái)處理有關(guān)以太網(wǎng)數據幀的發(fā)送和接收，包括沖突檢測、幀頭的產(chǎn)生和檢測、CRC校驗碼的生成和驗證等。通過(guò)對發(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。如果幀的數據部分少于64字節，它還能生成填充字段，以使數據幀達到802．3所要求的最短長(cháng)度。
CS8900A的主要特點(diǎn)是符合IEEE802．3以太網(wǎng)標準，并帶有ISA接口。片內有4K字節RAM，可適用I／0操作模式、存儲器操作和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)生成報頭，自動(dòng)進(jìn)行CRC檢驗，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收到由主機發(fā)來(lái)的數據包(從目的地址域到數據域，如圖3所示)后，即可偵聽(tīng)網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)路，如果線(xiàn)路忙，就等待，否則就立即發(fā)送該數據幀，圖3所示是其802．3幀格式。
發(fā)送時(shí)．首先應添加以太網(wǎng)幀頭(包括先導字段和幀開(kāi)始標志)，然后生成CRC校驗碼，最后將此數據幀發(fā)送到以太網(wǎng)上。接收時(shí)，則把從以太網(wǎng)接收的數據幀經(jīng)過(guò)解碼、去幀頭和地址等步驟后所得到的數據放在緩存內，這樣，在CRC校驗通過(guò)后，根據初始化配置情況，CS8900A通知主機收到了數據幀，并將數據用某種傳輸模式傳到主機的存儲區。
1. 3 硬件電路分析和設計
本實(shí)驗平臺采用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，用于完成對網(wǎng)絡(luò )數據的發(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(xiàn)路與CS8900A隔開(kāi)，防止干擾，并可實(shí)現帶電插拔功能。此外，CS8900A還有兩個(gè)接口，一個(gè)是用來(lái)和用戶(hù)模塊連接的RS232串行接口(用MAX232芯片進(jìn)行電平轉換)，另一個(gè)是用來(lái)連接網(wǎng)絡(luò )的RJ45接口。
C805lF310通過(guò)數據線(xiàn)、地址線(xiàn)和控制線(xiàn)與CS8900A相連。它可通過(guò)等實(shí)現對CS8900A的工作方式的控制和讀寫(xiě)操作。當CS8900A有硬件復位或軟件復位時(shí)，它將默認成8位工作模式。本設計采用8位模式，這樣，C805lF310的P1口與CS8900A的低8位數據線(xiàn)相連。CS8900A與C8051F310之間的數據傳輸采用默認的I／O模式，因此，讀寫(xiě)管腳被置高，以關(guān)閉Memory方式。在此模式下，用3根地址線(xiàn)就可以實(shí)現對所有寄存器的訪(fǎng)問(wèn)，只要將管腳SAl、SA2和SA3對應接到C8051F310的地址線(xiàn)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(xiàn)都接入低電平。
2 實(shí)驗平臺的軟件設計
本系統的軟件部分主要包括計算機程序、單片機程序及以太網(wǎng)芯片CS8900A的驅動(dòng)程序。
2．1 計算機程序
計算機程序主要指的是實(shí)驗界面。這是人機交互的窗口。通過(guò)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)送數據時(shí)，輸入要發(fā)送的內容，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據；而在接收數據時(shí)，則可通過(guò)分析收到的數據包來(lái)分析使用的協(xié)議。
2．2 CS8900A的驅動(dòng)程序設計
在8位I／0模式下，CS8900A不支持中斷方式。因此，C805lF310采用查詢(xún)方式與CS8900A通信。在CS8900A開(kāi)始工作之前，系統必須進(jìn)行一定的初始化，以確定它的工作模式。在主機與網(wǎng)絡(luò )交換數據的過(guò)程中。還需要不斷地對CS8900A的內部寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作。通常在I／0模式下，MCU可以通過(guò)操作CS8900A的幾個(gè)主要的寄存器來(lái)實(shí)現對CS8900A中所有內部寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)，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，并使能設備的發(fā)送和接收控制位：
RXCTL (0104H)：控制CS8900A接收特定的數據報。初始值為0d05H，可接收網(wǎng)絡(luò )上的廣播或者目標地址同本地物理地址相同的正確數據報：
RXCFG(0102H)：可控制CS8900A接收特定的數據報并引發(fā)中斷?？稍O置為0103H：
BUSCT(0116H)：控制芯片的I／0接口的一些操作。設置初始值為8017H，可打開(kāi)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)寄存器的內容：
PORTO(0000H)：發(fā)送和接收數據時(shí)，MCU通過(guò)PORT0傳遞數據；
TXCMD(0004H)：為發(fā)送控制寄存器，如果寫(xiě)入數據00COH，那么CS8900A將在全部數據寫(xiě)入后開(kāi)始發(fā)送數據；
TXLENG(0006H)：發(fā)送數據長(cháng)度寄存器，發(fā)送數據時(shí)，首先寫(xiě)入發(fā)送數據長(cháng)度，然后將數據通過(guò)PORT0寫(xiě)入芯片。
寄存器后括號內的數字是寄存器地址相對基址0300H的偏移量。需要注意的是，在初始化CS8900A之前需強迫其進(jìn)入16位模式。主機在一次中斷處理中，必須連續地讀并且處理中斷狀態(tài)隊列(ISQ)。當有中斷產(chǎn)生時(shí)，中斷管腳信號變高，并依次將5個(gè)寄存器的內容映射到ISQ中，直到從ISQ中讀出OX000為止。其驅動(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位并檢查復位完成標志是否置位；接著(zhù)設定8／16位工作模式，默認為8位模式；再設定臨時(shí)使用的以太網(wǎng)物理地址(真實(shí)地址需要向權威機構申請)，之后，設定接收幀的類(lèi)型時(shí)，一般要能接收廣播，然后確定數據的傳送方向(可設為全雙工或半雙工)，接著(zhù)中斷允許，使能接收中斷，確定CS8900A的中斷管腳號(根據硬件線(xiàn)路使用情況來(lái)確定)，最后接收發(fā)送使能。
C8051F310完成數據的解包打包時(shí)。將從網(wǎng)絡(luò )接收數據報，并對數據報進(jìn)行分析，如果是IP數據包，則解析IP分組并送TCP層，并在解析TCP段后送應用層，然后將數據解包后通過(guò)串口輸出。反之，如果C8051F310從串口收到數據，則將數據按照TCP協(xié)議格式打包，并在生成IP分組后送入CS8900A，然后由CS8900A把數據輸出到局域網(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(lái)處理，應用層則由用戶(hù)根據需要進(jìn)行數據處理。
本文給出了基于C8051F310單片機和CS8900A以太網(wǎng)控制器的計算機網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗平臺的設計方法。通過(guò)本實(shí)驗平臺，學(xué)生可以完成協(xié)議分析的相關(guān)實(shí)驗內容，從而加強學(xué)生對TCP／IP協(xié)議族的理解。
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