8位51單片機(jī)與以太網(wǎng)控制器RTL8029接口的VHDL設(shè)計(jì)

1 以太網(wǎng)控制器
臺灣Realtek公司的以太網(wǎng)控制器是一種符合IEEE802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的控制器，有RTL8019、RTL8029和RTL8139等系列。其中RTL8019是ISA總線的，較易與8位MCU實(shí)現(xiàn)接口。RTL8029和RTL8139是PCI總線的，不能直接與8位的MCU接口，需要一個PCI接口進(jìn)行轉(zhuǎn)接?？紤]到目前RTL8029在市場上較容易購買，故采用RTL8029以太網(wǎng)控制器作為網(wǎng)絡(luò)接口。
RTL8029內(nèi)部已經(jīng)包含有整個網(wǎng)絡(luò)接口層的協(xié)議 (PHY層和MAC層協(xié)議)，因此應(yīng)用起來較簡單。用戶不必考慮鏈路控制問題，而只需考慮單片機(jī)如何從RTL8029中去讀TCP／IP協(xié)議的數(shù)據(jù)即可。
PCI總線信號有3.3V標(biāo)準(zhǔn)和5V標(biāo)準(zhǔn)，信號線眾多，但是并不是所有的PCI設(shè)備都使用全部的PCI接口信號，實(shí)際上只使用它們需要的即可。RTL8029AS以太網(wǎng)控制器遵循5V標(biāo)準(zhǔn)，并且只使用了PCI總線信號中的以下部分：
AD[31：0]——數(shù)據(jù)信號復(fù)用總線。
FRAME——幀周期信號，由當(dāng)前主設(shè)備驅(qū)動，表示一次訪問的開始和持續(xù)時(shí)間。
IRDY——主設(shè)備準(zhǔn)備好信號。
TRDY——從設(shè)備準(zhǔn)備好信號。
C/BE——總線命令和字節(jié)使能復(fù)用信號。地址期是總線命令，數(shù)據(jù)期是字節(jié)使能。
IDSEL——初始化設(shè)備選擇信號。在參數(shù)配置讀寫傳輸期間，用作片選。對于只有一個PCI設(shè)備的情況，它可以總接高電平。
RST——復(fù)位信號。
CLK——系統(tǒng)時(shí)鐘信號，頻率范圍DC~33MHz。以上信號都在CLK的上升沿有效。
INTA——中斷請求信號，RTL8029數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后可以用來向主控制器發(fā)出中斷。
DEVSEL——設(shè)備選擇信號，表明驅(qū)動它的設(shè)備已成當(dāng)前訪問的設(shè)備，由于在單片機(jī)系統(tǒng)中，RTL8029是單一的PCI設(shè)備，因此該信號可以不用。

2 PCI接口設(shè)計(jì)
在以太網(wǎng)控制器的接口信號中，除地址數(shù)據(jù)總線是雙向的外，TRDY信號由以太網(wǎng)控制器產(chǎn)生，方向?yàn)閺囊蕴W(wǎng)控制器至PCI接口；其余信號都由接口部分產(chǎn)生，方向是從PCI接口至以太網(wǎng)控制器。
接口設(shè)計(jì)的思路是：可將PCI接口當(dāng)作單片機(jī)的外部存儲器看待，單片機(jī)以讀寫外部存儲器的時(shí)序?qū)CI接口進(jìn)行讀寫，再由PCI接口將這種讀寫操作時(shí)序轉(zhuǎn)換成PCI時(shí)序?qū)σ蕴W(wǎng)控制器進(jìn)行操作。
單片機(jī)在進(jìn)行外部存儲器操作時(shí)用到的信號有PO口、P2口、ALE以及RD和WR信號。其中，P0口為地址(低8位)／數(shù)據(jù)復(fù)用，P2口為高8位地址信號；ALE為地址鎖存信號，為高電平時(shí)將P0口的值鎖存到低8位數(shù)據(jù)線上；RD和WR為讀寫有效信號，低電平有效。因此，PCI接口實(shí)際上是起到一個從8位單片機(jī)讀寫時(shí)序到32位PCI讀寫時(shí)序轉(zhuǎn)換的作用，原理框圖如圖1所示，訪目時(shí)序如圖2所示。

在圖2中，可以完成對PCI設(shè)備的配置訪問與I／O讀寫訪問，只要有這兩種訪問就完全可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對RTL8029的操作。IDSEL信號只是在配置訪問中才起作月，在I／O訪問中不使用該信號。
FRAME有效后的第一個時(shí)鐘前沿是地址期的開始。此時(shí)在AD總線上傳送地址，在C／BE總線上傳送命令。IRDY有效后即為數(shù)據(jù)期，此時(shí)在AD總線上傳送數(shù)據(jù)，在C／BE總線上傳送字節(jié)使能。但數(shù)據(jù)的傳輸是在IRDY和TRDY同時(shí)有效的時(shí)鐘前沿進(jìn)行。字節(jié)使能指明此時(shí)32位數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)中哪一個數(shù)據(jù)字節(jié)是有效的。
讀配置的過程：首先送地址，送命令(命令值為1010B)和字節(jié)使能，再讀配置空間中的內(nèi)容。
寫配置的過程：首先送地址，送命令(命令值為101lB)和字節(jié)使能，再送配置數(shù)據(jù)。
讀I／O的過程：首先送地址，送命令(命令值為0010B)和字節(jié)使能，再讀I／O空間中的內(nèi)容。
寫I／O的過程：首先送地址，送命令(命令值為001lB)和字節(jié)使能，再送數(shù)據(jù)。
在I／O訪問中，AD[1:O]兩位有特殊要求，需要與C／BE[3：0]相配合。當(dāng)C／BEO有效時(shí)，AD[1：O]必須為00，當(dāng)C／BE3有效時(shí)，AD[1：0]必須為11。在具體訪問中，每當(dāng)一個設(shè)備地址譯碼選中后，便要檢查字節(jié)使能信號是否與AD[1：0]相符。如果二者矛盾，則整個訪問將無法完成。因此，寫單片機(jī)軟件需要參考PCI總線協(xié)議中關(guān)于這一部分的內(nèi)容，才能正確操作以太網(wǎng)控制器。
總線命令／字節(jié)使能(C／BE)寄存器的地址有效后的一個時(shí)鐘周期內(nèi)，F(xiàn)RAME信號應(yīng)該有效，表示地址期開始，C／BE[3：0]總線上為總線命令，地址期可以只持續(xù)一個周期，然后立即進(jìn)入數(shù)據(jù)期。在單片機(jī)系統(tǒng)中可以不考慮去支持復(fù)雜的PCI數(shù)據(jù)連發(fā)，進(jìn)入數(shù)據(jù)期后，F(xiàn)RAME信號應(yīng)立即拉回高電平，此時(shí)C／BE[3：0]總線上為字節(jié)使能。因此FRAME信號可以用總線命令／字節(jié)使能寄存器的地址信號來產(chǎn)生。
IRDY信號在數(shù)據(jù)期才有效，因此IRDY也可以由總線命令／字節(jié)使能寄存器的地址信號來產(chǎn)生或由FRAME信號來產(chǎn)生。
IDSEL信號只與配置訪問有關(guān)，因此可以通過總線命令的命令字來產(chǎn)生。在I／O訪問時(shí)。命令字的最高位bit3為O；在配置訪問時(shí)。命令字的最高位bit3為l。因此，可以用該位來產(chǎn)生IDSEL信號。
另外前面已說明，可將PCI接口當(dāng)作外部存儲器來訪問，因此，要從8位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成32位的數(shù)據(jù)。PCI接口中需要設(shè)計(jì)以下寄存器：
寄存器0，對應(yīng)于32位數(shù)據(jù)／地址總線的AD[7：0]，用于寫；
寄存器1，對應(yīng)于32位數(shù)據(jù)／地址總線的AD[15：8]，用于寫；
寄存器2，對應(yīng)于32位數(shù)據(jù)／地址總線的AD[23：16]，用于寫；
寄存器3，對應(yīng)于32位數(shù)據(jù)／地址總線的AD[31：24]，用于寫：
寄存器4，對應(yīng)于32位數(shù)據(jù)／地址總線的AD[7：O]，用于讀；
寄存器5，對應(yīng)于32位數(shù)據(jù)／地址總線的．AD[1 5：8]，用于讀；
寄存器6，對應(yīng)于32位數(shù)據(jù)／地址總線的AD[23：16]，用于讀；
寄存器7，對應(yīng)于32位數(shù)據(jù)／地址總線的AD[31：24]，用于讀；
總線命令／字節(jié)使能寄存器，對應(yīng)于C／BE[3：0]；
復(fù)位寄存器，用于對RTL8029AS的硬件復(fù)位操作。
根據(jù)以上分析，得PCI接口原理框圖，如圖3所示。

3 接口的VHDL實(shí)現(xiàn)

PCI接口的VHDL代碼見本刊網(wǎng)站：www.dpj.com.cn。

以上代碼在Qaartus II下編譯并綜合，占用149個宏單元的資源，可選用CPLD器件MAx7l60來完成。

4 結(jié)語
本文所闡述的設(shè)計(jì)方法，已成功應(yīng)用在無線電監(jiān)測系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制中，通過5l單片機(jī)系統(tǒng)接入以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了在網(wǎng)絡(luò)上對遠(yuǎn)程機(jī)房設(shè)備的無人監(jiān)控。