基于單片機(jī)的以太網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及網(wǎng)絡(luò)性能分析

［摘　要］　介紹以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS，并設(shè)計(jì)在有限存儲(chǔ)空間的單片機(jī)中嵌入TCP／IP協(xié)議的以太網(wǎng)接入系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了RS－485現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備通過(guò)嵌入TCP／IP單片機(jī)系統(tǒng)接入以太網(wǎng)，完成PC機(jī)與終端設(shè)備的遠(yuǎn)程通信和控制，最后對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試分析，取得了滿(mǎn)意的效果。

［關(guān)鍵詞］　單片機(jī)；以太網(wǎng)；RTL8019AS芯片；TCP／IP協(xié)議；網(wǎng)絡(luò)性能分析

1　引　言　　

互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)硬件、軟件的迅猛發(fā)展，使得網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)呈指數(shù)增長(zhǎng)，在電子設(shè)備日趨網(wǎng)絡(luò)化的背景下，越來(lái)越多的嵌入式應(yīng)用需要支持網(wǎng)絡(luò)功能。TCP／IP是一套把因特網(wǎng)上的各種系統(tǒng)互連起來(lái)的協(xié)議組，成為事實(shí)上最常用的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)之一。在使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的同時(shí)，各種家電設(shè)備、儀器儀表以及工業(yè)生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)采集與控制設(shè)備在逐步地走向網(wǎng)絡(luò)化，以便共享網(wǎng)絡(luò)中龐大的信息資源。只要那些設(shè)備上實(shí)現(xiàn)了TCP／IP協(xié)議并增加一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，就可方便地接入到現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)中�？紤]到單片機(jī)成本低廉，利用TCP／IP協(xié)議中的UDP（用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）、IP（網(wǎng)絡(luò)報(bào)文協(xié)議）、ARP（地址解析協(xié)議）及簡(jiǎn)單的應(yīng)用層協(xié)議，根據(jù)應(yīng)用的需要做相應(yīng)的裁減，文中將介紹用AT90S8515單片機(jī)與10Mbps以太網(wǎng)控制器 芯片RTL8019AS設(shè)計(jì)嵌入式TCP／IP單片機(jī)系統(tǒng)，成功地實(shí)現(xiàn)了RS－485現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備通過(guò)嵌入TCP／IP的單片機(jī)系統(tǒng)接入以太網(wǎng)，完成PC機(jī)與終端設(shè)備的遠(yuǎn)程通信和控制，最后對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行分析。

2　以太網(wǎng)控制器RTL8019AS簡(jiǎn)介　　

RTL8019AS是臺(tái)灣REALTEK公司生產(chǎn)的基于ISA總線的10 Mbps以太網(wǎng)控制器芯片。由于其優(yōu)良的性能、低廉的價(jià)格，使其在市場(chǎng)上10Mbps網(wǎng)卡中占有相當(dāng)?shù)姆蓊~。

主要性能：
　�。�1）符合EthernetⅡ與IEEE802．3（10Base5、10Base2、10BaseT）標(biāo)準(zhǔn)；
    （2）支持全雙工，收發(fā)可同時(shí)達(dá)到10Mbps速率；
　　（3）16KB片內(nèi)SRAM，用于收發(fā)緩沖，降低對(duì)主處理器的速度要求；
　�。�4）支持8／16位數(shù)據(jù)總線，8個(gè)中斷請(qǐng)求線以
    （6）支持跳線和非跳線模式；
    （7）允許4個(gè)診斷LED引腳可編程輸出；
    （8）100腳的PQFP封裝。

該芯片功能很強(qiáng)，它集成介質(zhì)訪問(wèn)子層（MAC）和物理層的功能，對(duì)RTL8019做了很大改進(jìn)，處理能力更強(qiáng)，操作更靈活。但與一般單片機(jī)接口時(shí)，只需要用到其中一部分即可完成網(wǎng)絡(luò)通信功能，其它引腳懸空。

3　與AT90S8515單片機(jī)系統(tǒng)的接口電路

該文選用AT90S8515單片機(jī)，與8051系列單片機(jī)相比，具有系統(tǒng)內(nèi)可編程8KFLASH，內(nèi)部集成了在片512字節(jié)EEPROM和512字節(jié)SRAM，使用精簡(jiǎn)指令集，編寫(xiě)程序簡(jiǎn)練，調(diào)試程序方便。

系統(tǒng)硬件連接如圖3—1所示，系統(tǒng)提供RJ45接口連接Ethernet網(wǎng)絡(luò)，提供一個(gè)RS－485接口與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸和設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

　　AT90S8515單片機(jī)所提供的接口信號(hào)線為：PA口的8位數(shù)據(jù)總線D0～D7、5根地址線A8～A12、讀信號(hào)線RD、寫(xiě)信號(hào)線WR、2根控制線PB0、PB1。這些信號(hào)線與RTL8019AS的各信號(hào)線對(duì)應(yīng)連接。其中，RTL8019AS的IOCS16B接下拉電阻，使芯片工作在8位總線方式，復(fù)位通過(guò)PB0控制，PB1片選地址使能。時(shí)鐘電路為單片機(jī)8MHz和網(wǎng)絡(luò)芯片20MHz。在現(xiàn)場(chǎng)控制端，需要一個(gè)RS－232轉(zhuǎn)RS－485的485芯片（WM485），在網(wǎng)絡(luò)接入端需要一個(gè)網(wǎng)絡(luò)隔離濾波器（FM2146），這樣接口電路設(shè)計(jì)完成，然后計(jì)算并分配地址空間，編寫(xiě)匯編程序。該系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)芯片在單片機(jī)中地址映射空間為80××H－0x9F××H，網(wǎng)絡(luò)芯片的內(nèi)部I／O基地址為300H。

對(duì)設(shè)計(jì)電路的幾點(diǎn)說(shuō)明，RTL8019AS的JP引腳接高電平，使芯片工作在跳線模式；沒(méi)有使用地址鎖存器，直接用地址數(shù)據(jù)復(fù)用口讀寫(xiě)RTL8019AS數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)芯片只用到5位地址線，沒(méi)有沖突；系統(tǒng)采用查詢(xún)工作方式，沒(méi)有連接中斷信號(hào)線，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。

4　軟件設(shè)計(jì)

4．1　嵌入TCP／IP協(xié)議的單片機(jī)匯編程序設(shè)計(jì)　　

單片機(jī)接入以太網(wǎng)，必須嵌入TCP／IP協(xié)議，用戶(hù)終端的應(yīng)用程序才可以使用通用的網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)，例如使用Socket套接字，與單片機(jī)建立連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。匯編流程圖如圖4—1所示，單片機(jī)首先初始化堆棧和串口，初始化RTL8019AS網(wǎng)絡(luò)芯片，系統(tǒng)的IP地址存放在單片機(jī)的片內(nèi)EEPROM中，單片機(jī)復(fù)位后首先讀取這些數(shù)據(jù)以初始化網(wǎng)絡(luò)。　　

由于單片機(jī)的資源有限，所以網(wǎng)絡(luò)協(xié)議根據(jù)嵌入式應(yīng)用的需求作了裁剪，系統(tǒng)中使用了ARP、RARP、IP、UDP等部分協(xié)議，既保證單片機(jī)接入以太網(wǎng)，又保證足夠小的代碼量。單片機(jī)主要完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的解包和串口RS－485數(shù)據(jù)的打包。當(dāng)以太網(wǎng)有數(shù)據(jù)到達(dá)該設(shè)備，單片機(jī)采用查詢(xún)方式，讀取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)并分析，如果是ARP（物理地址解析協(xié)議）數(shù)據(jù)包，則轉(zhuǎn)入ARP處理程序，并發(fā)送RARP數(shù)據(jù)包，將IP地址和物理地址加入到局域網(wǎng)中建立映射。如果是UDP數(shù)據(jù)包且IP地址和端口號(hào)正確，則接收數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)解包后，將數(shù)據(jù)部分通過(guò)串口輸出，控制RS－485現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。反之，如果現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)串口發(fā)送數(shù)據(jù)到單片機(jī)，單片機(jī)將數(shù)據(jù)按照UDP協(xié)議格式打包，送入RTL8019AS，由RTL8019AS將數(shù)據(jù)輸出到局域網(wǎng)中。根據(jù)需要還可以在收到串口數(shù)據(jù)時(shí)，先完成數(shù)據(jù)預(yù)處理，再將處理好的數(shù)據(jù)送到局域網(wǎng)。

 
　　TCP／IP協(xié)議的4層模型中，鏈路層部分由RTL8019AS完成，網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層由單片機(jī)來(lái)處理，應(yīng)用層則根據(jù)需要可以在單片機(jī)內(nèi)完成，也可以由單片機(jī)轉(zhuǎn)給用戶(hù)或終端設(shè)備完成。

在單片機(jī)的程序處理中，主要有完整的ARP、RARP協(xié)議模塊，UDP協(xié)議模塊，其它協(xié)議根據(jù)需要取舍，完成系統(tǒng)要求，網(wǎng)絡(luò)芯片的初始化是必須的，對(duì)RTL8019AS各寄存器的配置正確，才能使硬件正常工作。

4．2　用戶(hù)終端程序設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)嵌入TCP／IP的單片機(jī)通信系統(tǒng)設(shè)備的控制，筆者用VC＋＋6．0在用戶(hù)終端PC上編寫(xiě)一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用程序。通常采用Winsock編程，先創(chuàng)建一個(gè)套接字，綁定IP地址和端口號(hào)，使用UDP數(shù)據(jù)報(bào)，與嵌入TCP／IP單片機(jī)系統(tǒng)的套接字建立連接，當(dāng)有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，VC＋＋響應(yīng)Receive（）消息，讀取數(shù)據(jù)并處理；當(dāng)用戶(hù)需要控制嵌入式設(shè)備，調(diào)用Send（）函數(shù)發(fā)送控制命令或數(shù)據(jù)。

在調(diào)試試驗(yàn)中，PC機(jī)上采用Sniffer軟件來(lái)監(jiān)視（或截獲）PC機(jī)同單片機(jī)之間通信的TCP／IP協(xié)議包數(shù)據(jù)流，測(cè)試系統(tǒng)的性能，取得了滿(mǎn)意的效果。

5　系統(tǒng)性能分析　　

網(wǎng)絡(luò)性能的主觀評(píng)價(jià)可以用如下的指標(biāo)來(lái)體現(xiàn)：容量、利用率、最優(yōu)利用率、吞吐量、可供負(fù)載、精確度、效率、延遲、延遲變化量、響應(yīng)時(shí)間等。網(wǎng)絡(luò)性能的最終表現(xiàn)形式就是最終用戶(hù)在使用過(guò)程中的主觀評(píng)價(jià)。

下面主要從各網(wǎng)絡(luò)層對(duì)系統(tǒng)性能的影響分別進(jìn)行分析：

（1）物理層、數(shù)據(jù)鏈路層性能。從系統(tǒng)的硬件上看，這兩層的功能主要由RTL8019AS完成，每幀最大傳輸包為1K字節(jié)，但是數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)都是由單片機(jī)完成，所以整個(gè)系統(tǒng)的帶寬受到單片機(jī)速度的限制，文中設(shè)計(jì)系統(tǒng)理論最大帶寬為8Mbps，最優(yōu)利用率為3～4Mbps。

（2）網(wǎng)絡(luò)層性能。在這里主要考慮傳輸協(xié)議的選擇。對(duì)于使用有重傳機(jī)制的TCP協(xié)議，意味著在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境惡劣的情況下，存在大量的數(shù)據(jù)報(bào)重傳，降低了網(wǎng)絡(luò)利用率，同時(shí)還有很大的延時(shí)。在系統(tǒng)的具體應(yīng)用中，采用UDP協(xié)議滿(mǎn)足了數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性要求，對(duì)于丟包現(xiàn)象，可以在應(yīng)用層上采取必要的控制策略加以改善。

（3）應(yīng)用層性能。主機(jī)、服務(wù)器、應(yīng)用協(xié)議構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層性能的三要素。主機(jī)和服務(wù)器是網(wǎng)絡(luò)連接的兩端，應(yīng)用協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)連接的兩端數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的一個(gè)約定。方案采用在以太網(wǎng)嵌入系統(tǒng)中運(yùn)行一個(gè)套接字程序作為服務(wù)器，應(yīng)用RS－485通訊協(xié)議對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備控制和數(shù)據(jù)采集。這個(gè)過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的性能問(wèn)題影響最大：服務(wù)器的負(fù)載、請(qǐng)求隊(duì)列過(guò)長(zhǎng)、協(xié)議參數(shù)設(shè)置不當(dāng)?shù)鹊取?/p>

6　結(jié)束語(yǔ)　　

以太網(wǎng)的低成本、開(kāi)放性、廣泛的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用軟件、硬件支持，使得這種嵌入了TCP／IP協(xié)議的單片機(jī)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，具有成本低、硬件少、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、傳輸速度快、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，有著廣泛的應(yīng)用前景，特別是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)冗h(yuǎn)程監(jiān)控領(lǐng)域，以及智能家電的網(wǎng)絡(luò)信息化方面。目前，該系統(tǒng)在變電站監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用。

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