1 以太网（Ethernet）协议

一个标准的以太网物理传输帧由七部分组成（如表1所示，单位：字节）。

表1 以太网的物理传输帧结构表

除了数据段的长度不定外，其他部分的长度固定不变。数据段为46～1500字节。以太网规定整个传输包的最大长度不能超过1514字节（14字节为DA、SA、TYPE），最小不能小于60字节。除去DA、SA、TYPE14字节，还必须传输46字节的数据，当数据段的数据不足46字节时需填充，填充字符的个数不包括在长度字段里；超过1500字节时，需拆成多个帧传送。事实上，发送数据时，PR、SD、FCS及填充字段这几个数据段由以太网控制器自动产生；而接收数据时，PR、SD被跳过，控制器一旦检测到有效的前序字段（即PR、SD），就认为接收数

据开始。

2 RTL8019AS以太网控制器简介

由台湾Realtek公司生产的RTL8019AS以太网控制器，由于其优良的性能、低兼的价格，使其在市场上10Mbps网卡中占有相当的比例。

2.1 主要性能

（1）符号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 内部结构

RTL8019AS内部可分为远程DMA接口、本地DMA接口、MAC（介质访问控制）逻辑、数据编码解码逻辑和其他端口。内部结构如图1所示。

远程DMA接口是指单片机对RTL8019AS内部RAM进行读写的总线，即ISA总线的接口部分。单片机收发数据只需对远程DMA操作。本地DMA接口是把RTL8019AS与网线的连接通道，完成控制器与网线的数据交换。

MAC（介质访问控制）逻辑完成以下功能：当单片机向网上发送数据时，先将一帧数据通过远程DMA通道送到RTL8019AS中的发送缓存区，然后发出传送命令；当RTL8019AS完成了上帧的发送后，再开始此帧的发送。RTL819接收到的数据通过MAC比较、CRC校验后，由FIFO存到接收缓冲区；收满一帧后，以中断或寄存器标志的方式通知主处理器。FIFO逻辑对收发数据作16字节的缓冲，以减少对本地DMA请求的频率。

2.3 内部RAM地址空间分配

RTL8019AS内部有两块RAM区。一块16K字节，地址为0x4000～0x7fff；一块32字节，地址为0x0000～0x001f。RAM按页存储，每256字节为一页。一般将RAM的前12页（即0x4000～0x4bff）存储区作为发送缓冲区；后52页（即0x4c00～0x7fff）存储区作为接收缓冲区。第0页叫Prom页，只有32字节，地址为0x0000～0x001f，用于存储以太网物理地址。

要接收和发送数据包就必须通过DMA读写RTL8019AS内部的16KB RAM。它实际上是双端口的RAM，是指有两套总线连接到该RAM，一套总线RTL8019AS读或写该RAM，即本地DMA；另一套总线是单片机读或写该RAM，即远程DMA。

2.4 I/O地址分配

RTL8019AS具有32位输入输出地址，地址偏移量为00H～1FH。其中00H～0FH共16个地址，为寄存器地址。寄存器分为4页：PAGE0、PAGE1、PAGE2、PAGE3，由RTL8019AS的CR（Command Register命令寄存器）中的PS1、PS0位来决定要访问的页。但与NE2000兼容的寄存器只有前3页，PAGE3是RTL8019AS自己定义的，对于其他兼容NE2000的芯片如DM9008无效。远程DMA地址包括10H～17H，都可以用来做远程DMA端口，只要用其中的一个就可以了。复位端口包括18H～1FH共8个地址，功能一样，用于RTL8019AS复位。

3 接口电路设计

下面介绍51系列单片机与RTL8019AS的接口电路，实现的网络接口采用UTP（无屏蔽双绞线）RJ-45接口。

图2给出了89C52单片机控制RTL8019AS实现以太网通讯的接口电路框图。用到的主要芯片有80C52、RTL8019AS、93C46（64×16bit的EEPROM）、74HC573（8位锁存）、62256（32K字节的RAM）。为分配好地址空间，采用对93C46进行读（或写）操作来设置RTL8019AS的端口I/O基地址和以太网物理地址。

93C46是采用4线SPI串行接口的Serial EEPROM，容量为1Kbit（64×16bit），主要保存RTL8019AS的配置信息。00H～03H的地址空间用于存储RTL8019AS内配置寄存器CONFIG1～4的上电初始化值；地址04H～11H存储网络节点地址即物理地址；地址12H～7FH内存储即插即用的配置信息。RTL8019AS通过引脚EECS、EESK、EEDI控制93C46的CS、SK、DI引脚，通过EEDO接收93C46的DO引脚的状态。RTL8

019AS复位后读取93C46的内容并设置内部寄存器的值，如果93C46中内容不正确，RTL8019AS就无法正常工作。先通过编程器如ALL07把配置好的数据写入93C46，再焊入电路。

对93C46进行数据配置：数据00H写入93C46的地址00H内；93C46地址04H～0AH中存放的是物理地址，可以写入设置所需的物理地址值，或不修改，采用原始值为物理地址。通过编程器读出04H～0AH的原始值为52544CC59906，即所采用的物理地址。

这样，RTL8019AS复位后读取93C46中配置好的内容，对应设置配置寄存器CONFIG1的值为00H，CONFIG1的低4位IOS3～0用于选择I/O基地址。IOS3～0设置值均为0时，RTL8019AS选择的端口I/O基地址为300H。

RTL8019AS的地址为20位，那么用到RTL8019AS的地址空间为00300H～0031FH，用二进制表示00300H～0031FH，可以发现第19位到第5位是固定的：000000000011000。RTL8019 AS的20根地址线SA0～SA19如表2连接。

表2 RTL8019AS地址线的连接表

点击看原图

通过ADDR15、I/OW、I/OR来划分RTL8019AS和62256的地址空间。ADDR15接62256的CE脚，低电平时选择62256；高电平时选择RTL8019AS的地址空间80C52单片机的地址为16位，按图2的电路框图连接RTL8019AS的地址空间。定义reg00～reg1f来对应端口00300H～0031FH。

#define reg00 XBYTE[0x8000]/*300H*/

#define reg01 XBYTE[0x8001]/*301H*/

…

#define reg1f XBYTE[0x801F]/*31FH*/

读写操作、复位操作对应的引脚按表3连接。

表3 RTL8019AS的ISA总线接口引脚与单片机的连接表

点击看原图

采用10BASE-T布线标准通过双绞线进行以太网通讯，而RTL8019AS内置了10BASE-T收发器，所以网络接口的电路比较简单。外接一个隔离LPF滤波器0132，TPIN±为接收线，TPOUT±为发送线，经隔离后分别与RJ-45接口的RX±、TX±端相连。

时钟电路通过T1、T2接口一个20MHz晶振以及2个电容，实现全双工方式。

LED0、LED1各接一发光二极管以反映通讯状态：LED0表示LED_COL，即通讯有冲突；LED1表示LED_RX，即接收到网上的信息包。

4 程序设计

所有程序采用Framclin C51语言编制，可读性强，移植性好，开发简易。

4.1 复位RTL8019AS

80C52的P3.4连接RTL8019AS的RESDRV来进行复位操作。RSTDRV为高电平有效，至少需要800ns的宽度。给该引脚旋加一个1μs以上的高电平就可以复位。施加一个高电平后，然后施加一个低电平。复位过程将执行一些操作，至少需要2ms的时间，推荐等待更久的时间之后如100ms之后才对它操作，以确保完全复位。

4.2 初始化RTL8019AS

初始化页0与页1的相关寄存器，页2的寄存器是只读的，不可以设置，页3的寄存器不是NE2000兼容的，不用设置。

（1）CR=0x21,选择页0的寄存器；

（2）TPSR=0x45，发送页的起始页地址，初始化为指向第一个发送缓冲区的页即0x40；

（3）PSTART=0x4c，PSTOP=0x80，构造缓冲环：0x4c～0x80；

（4）BNRY=0x4c，设置指针；

（5）RCR=0xcc，设置接收配置寄存器，使用接收缓冲区，仅接收自己地址的数据包（以及广播地址数据包）和多点播送地址包，小于64字节的包丢弃，校验错的数据包不接收；

（6）TCR=0xe0，设置发送配置寄存器，启用CRC自动生成和自动校验，工作在正常模式；

（7）DCR=0xc8，设置数据配置寄存器，使用FIFO缓存，普通模式，8位数据DMA；

（8）IMR=0x00，设置中断屏蔽寄存器，屏蔽所有中断；

（9）CR=0x61,选择页1的寄存器；

（10）CURR=0x4d，CURR是RTL8019AS写内存的指针，指向当前正在写的页的下一页，初始化时指和0x4c+1=0x4d；

（11）设置多址寄存器MAR0～MAR5，均设置为0x00；

（12）设置网卡地址寄存器PAR0～PAR5；

（13）CR=0x22，选择页1的寄存器，进入正常工作状态。

图2 89C52单片机控

制RTL8019AS实现以太网通讯的接口电路框图

4.3 发送帧

将待发送的数据按帧格式封装，通过远程DMA通道送到RTL8019AS中的发送缓存区，然后发出传送命令，完成帧的发送。需要设置以太网目的地址、以太网源地址、协议类型，再按所设置的协议类型来设置数据段。之后启动远程DMA，数据写入RTL8019AS的RAM，再启动本地DMA，将数据发送网上。

RTL8019AS无法将整个数据包通过DMA通道一次存入FIFO，则在构成一个新的数据包之前必须先等待前一数据包发送完成。为提高发送效率，设计将12页的发送缓存区分为两个6页的发送缓存区，一个用于数据包发送，另一个用于构造端的数据包，交替使用。

5 软件的调试与验证

调试环境包括RTL8019AS实验板、PC机（带网卡）以及网线。

用C51语言编程，实现TCP/IP协议中ARP数据帧的收发。

实验中，单片机首先构造一个ARP请求包发送给PC机，PC机收到后会发送一个ARP应答包给单片机，单片机收到该应签包后再发一个ARP请求包给PCF机，如此不断循环，来测试系统的性能。在PC机上采用Sniffer软件如Windump软件来监视(或截获)PC机网卡接收ARP包的情况，取得了满意的效果。