第8章計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)接口

第8章計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)接口西安交通大學(xué)計算機(jī)系桂小林Wednesday,February1,202318.1以太網(wǎng)絡(luò)接口的基本概念8.2RTL8019AS以太網(wǎng)接口控制器8.3DM9000A以太網(wǎng)接口控制器==================9.1PS/2鍵盤接口9.2顯示器接口目錄2桂小林，微機(jī)原理與接口概述計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)接口已經(jīng)成為計算機(jī)系統(tǒng)的常用接口之一?；ヂ?lián)網(wǎng)絡(luò)是廣泛使用的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，其核心是以太網(wǎng)。本章首先介紹以太網(wǎng)接口的基本概念，包括幀結(jié)構(gòu)、RJ45連接器及其接線方法；然后介紹微型計算機(jī)中使用最多的以太網(wǎng)接口控制芯片RTL8019的原理與編程結(jié)構(gòu)；最后介紹一種嵌入式系統(tǒng)使用廣泛的以太網(wǎng)接口控制芯片DM9000A的原理、結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用編程。3桂小林，微機(jī)原理與接口計算機(jī)網(wǎng)卡4桂小林，微機(jī)原理與接口8.1以太網(wǎng)絡(luò)接口的基本概念以太網(wǎng)（Ethernet）具有共享介質(zhì)特征，信息采用明文的形式在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)適配器設(shè)置為監(jiān)聽模式時，由于采用以太網(wǎng)廣播信道爭用的方式，使得監(jiān)聽系統(tǒng)與正常通信的網(wǎng)絡(luò)能夠并聯(lián)連接，并可以捕獲任何一個在同一沖突域上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包。IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)采用的是持續(xù)CSMA的工作方式。5桂小林，微機(jī)原理與接口8.1.1以太網(wǎng)MAC層物理傳輸幀PR：用于同步位，是收發(fā)雙方的時鐘同步，也指明了傳輸?shù)乃俾剩?0M和100M的時鐘頻率不一樣，所以100M網(wǎng)卡可以兼容10M網(wǎng)卡），是56位的二進(jìn)制數(shù)10101010，1010.....，共7個字節(jié)的AAHSD:分隔位,表示下面跟著的是真正的數(shù)據(jù),為8位的10101011,跟同步位不同的是最后2位是11而不是10.DA:目的地址,以太網(wǎng)的地址為48位(6個字節(jié))二進(jìn)制地址,表明該幀傳輸給哪個網(wǎng)卡.SA:源地址,48位,表明該幀的數(shù)據(jù)是哪個網(wǎng)卡發(fā)的,即發(fā)送端的網(wǎng)卡地址,同樣是6個字節(jié).6桂小林，微機(jī)原理與接口TYPE：類型字段，表明該幀的數(shù)據(jù)是什么類型的數(shù)據(jù)，不同的協(xié)議的類型字段不同。如：0800H表示數(shù)據(jù)為IP包，0806H表示數(shù)據(jù)為ARP包，814CH是SNMP包,8137H為IPX/SPX包，（小于0600H的值是用于IEEE802的，表示數(shù)據(jù)包的長度。）DATA：數(shù)據(jù)段，該段數(shù)據(jù)不能超過1500字節(jié)。因為以太網(wǎng)規(guī)定整個傳輸包的最大長度不能超過1514字節(jié)。（14字節(jié)為DA，SA，TYPE）PAD：填充位。由于以太網(wǎng)幀傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包最小不能小于60字節(jié),除去（DA，SA，TYPE14字節(jié)），還必須傳輸46字節(jié)的數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)不足46字節(jié)時，后面補(bǔ)000000.....(當(dāng)然也可以補(bǔ)其它值)FCS:32位數(shù)據(jù)校驗位.為32位的CRC校驗,該校驗由網(wǎng)卡自動計算,自動生成,自動校驗,自動在數(shù)據(jù)段后面填入.對于數(shù)據(jù)的校驗算法,我們無需了解.7桂小林，微機(jī)原理與接口事實上PR、SD、PAD、FCS這幾個數(shù)據(jù)段是由網(wǎng)卡自動產(chǎn)生的；只需要理解DA、SA、TYPE、DATA四個段的內(nèi)容。所有數(shù)據(jù)位的傳輸由低位開始(傳輸?shù)奈涣魇褂寐鼜厮固鼐幋a)，以太網(wǎng)的沖突退避算法是由硬件自動執(zhí)行的。DA+SA+TYPE+DATA+PAD最小為60字節(jié)，最大為1514字節(jié)。以太網(wǎng)卡可以接收三種地址的數(shù)據(jù)，一個是廣播地位，一個是多播地址，一個是它自已的地址。8桂小林，微機(jī)原理與接口從硬件的角度看，以太網(wǎng)接口電路主要由MAC控制器和物理層接口（PhysicalLayer，PHY）兩大部分構(gòu)成。目前常見的以太網(wǎng)接口芯片，如RTL8019、RTL8029、RTL8139、CS8900、DM9000A、DM9008等，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也主要包含這兩部分。9桂小林，微機(jī)原理與接口在嵌入式系統(tǒng)中，與常規(guī)的PC計算機(jī)網(wǎng)卡設(shè)計思路不同。因為嵌入時系統(tǒng)中通常不考慮ISA、PCI總線接口，因此，嵌入式系統(tǒng)的以太網(wǎng)絡(luò)接口是一個精簡接口。圖8-1給出了嵌入式系統(tǒng)中以太網(wǎng)接口電路的一般框圖。其中包括嵌入式微處理器、以太網(wǎng)絡(luò)芯片、隔離變壓器和RJ45插座四部分。10桂小林，微機(jī)原理與接口8.1.2以太網(wǎng)RJ45引腳定義及接線方法10/100Base-T以太網(wǎng)采用RJ45連接器。RJ45接口通常用于數(shù)據(jù)傳輸，共有八芯做成11桂小林，微機(jī)原理與接口RJ45連接器根據(jù)線的排序不同分為兩種方法，一種是T568A標(biāo)準(zhǔn)，線的順序是橙白、橙、綠白、藍(lán)、藍(lán)白、綠、棕白、棕；另一種是T568B標(biāo)準(zhǔn)，線的順序是綠白、綠、橙白、藍(lán)、藍(lán)白、橙、棕白、棕。根據(jù)上述兩種標(biāo)準(zhǔn)，RJ45連接器的連接方法也有兩種：直通線（兩端使用同一種標(biāo)準(zhǔn)）、交叉線(兩端使用不同標(biāo)準(zhǔn)，即線1與線3交換，線2與線6交換)。

1234567812桂小林，微機(jī)原理與接口當(dāng)PC計算機(jī)與PC計算機(jī)間實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)時，采用交叉線模式，即一端采用T568A標(biāo)準(zhǔn)，另一端采用T568B標(biāo)準(zhǔn)。表8-3給出了PC與PC間的RJ45連接方法。表8-3給出了RJ45連接器各引腳的信號定義。13桂小林，微機(jī)原理與接口8.2RTL8019AS以太網(wǎng)接口控制器以太網(wǎng)接口控制器RTL8019AS是臺灣REALTEK公司設(shè)計開發(fā)的一種高集成度的全雙工以太網(wǎng)控制芯片，內(nèi)部集成了PC機(jī)系統(tǒng)總線ISA接口，方便連接，也是支持即插即用式NE2000兼容網(wǎng)絡(luò)適配器支持芯片。該芯片具有三級低功耗特性，適用于要求低功耗的嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)。14桂小林，微機(jī)原理與接口15桂小林，微機(jī)原理與接口8.3DM9000A以太網(wǎng)接口控制器由于RTL8019AS芯片是支持ISA總線的以太網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動芯片，僅支持10Mbps的傳輸速度。在嵌入應(yīng)用系統(tǒng)中，ISA總線驅(qū)動部分通常不使用，因而這些引腳和內(nèi)部電路就不能發(fā)揮作用。因此，臺灣的DAVICOM半導(dǎo)體公司開發(fā)了一款適合嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的10/100Mbps自適應(yīng)的以太網(wǎng)驅(qū)動芯片DM90000A。16桂小林，微機(jī)原理與接口8.3.1DM9000A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳功能DM9000A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括：MAC控制器、PHY接口、LED接口、EEPROM接口和微處理器接口等5部分17桂小林，微機(jī)原理與接口DM9000A的引腳功能（1）PHY接口引腳SD：輸入，光纖信號檢測，說明光纖接收偶對是否接收到有效電平RXVDD25：電源輸出，2.5V供給TPRX使用TXVDD25：電源輸出，2.5V供給TPTX使用RX+：雙向I/O，差分TPRX輸入正端RX-：雙向I/O，差分TPRX輸入負(fù)端TX+：雙向I/O，差分TPTX輸入正端TX-：雙向I/O，差分TPTX輸入負(fù)端18桂小林，微機(jī)原理與接口DM9000A的引腳功能（2）微處理器接口引腳CS＃：片選信號，輸入低有效，通常接譯碼器輸出。在嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，一般采用線譯碼方式；IOR#：外設(shè)讀信號，輸入低有效，通常接微處理器的讀引腳。IOW＃：外設(shè)寫信號，輸入低有效，通常接微處理器的寫引腳。CMD：地址/命令信號，用來區(qū)分訪問的寄存器類型。通常和微處理器的低位地址線連接（如A0）。由于DM9000A的內(nèi)部寄存器較多，訪問每個寄存器設(shè)置一個I/O地址不現(xiàn)實，因而，采用間接訪問內(nèi)部寄存器的方法，即先選擇要訪問的寄存器編號（Index），然后訪問該編號的寄存器內(nèi)容。訪問一個寄存器需要兩次I/O訪問。CMD＝0選定寄存器編號，CMD＝1訪問寄存器數(shù)據(jù)。19桂小林，微機(jī)原理與接口DM9000A的引腳功能（2）微處理器接口引腳INT：中斷請求信號，輸出，有效電平通過EECK接線確定，通常連接到微處理器的中斷請求輸入引腳。SD0～SD7：數(shù)據(jù)總線低8位，雙向，連接到微處理器的低8位數(shù)據(jù)總線上；SD8～SD15：數(shù)據(jù)總線的高8位，雙向，連接到微處理器的高8位數(shù)據(jù)總線上。當(dāng)8位模式時，這些引腳作為通用I/O引腳使用。20桂小林，微機(jī)原理與接口DM9000A的引腳功能（3）EEPROM接口引腳提供外接串行EEPROM的能力，通常外接93C46芯片，用于保存MAC地址等信息。共包括三條引腳：EEDIO：雙向，內(nèi)部上拉電阻，是訪問EEPROM的數(shù)據(jù)引腳；EECK：輸出，內(nèi)部上拉電阻，是訪問EEPROM的時鐘引腳；該引腳也用來設(shè)置INT信號有效電平，當(dāng)外接上拉電阻到高時，INT低電平有效，否則高有效；EECS：輸出，內(nèi)部上拉電阻，是訪問EEPROM的片選引腳；該引腳也用來設(shè)置8/16位訪問模式，當(dāng)外接上拉電阻到高時，DM9000A工作在8位模式，否則工作在16位模式；21桂小林，微機(jī)原理與接口DM9000A的引腳功能（4）LED接口用來提供DM9000A芯片的工作狀態(tài)指示，包括速度指示、連接指示、通信方式指示等，包括三個引腳。LED1：輸出，傳輸速度指示。低電平時指明網(wǎng)絡(luò)速度為100Mbps，外接LED指示燈亮；LED2：輸出，網(wǎng)絡(luò)連接/活動指示。網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通時，該指示燈閃爍；LED3：輸出，全雙工指示。8位模式時，傳輸速率10Mbps時為低，外接指示燈亮。22桂小林，微機(jī)原理與接口DM9000A的引腳功能（5）其它引腳TEST：輸入，芯片測試時使用，正常工作時必須接低電平（地）；PWRST＃：輸入，芯片復(fù)位引腳，低電平有效，至少5us的低電平才能有效復(fù)位DM9000A。23桂小林，微機(jī)原理與接口8.3.2DM9000A的編程結(jié)構(gòu)DM9000AE內(nèi)部擁有16KB的SRAM，該SRAM用于緩沖報文，可以用8位或者16位的方式訪問該緩沖區(qū)，高緩沖區(qū)可以配置成兩個獨(dú)立的緩沖區(qū)，即接受緩沖區(qū)和發(fā)送緩沖區(qū)，默認(rèn)的情況下（當(dāng)在內(nèi)部寄存器IMR的bit7設(shè)置為1的時候），這兩個緩沖區(qū)形成兩個獨(dú)立的環(huán)狀緩沖區(qū)。DM9000AE具有76個16位寄存器，這些寄存器可以分為狀態(tài)類寄存器和命令類寄存器，同時DM9000AE還擁有12個物理層寄存器，用來指示物理層的工作狀態(tài)和對物理層進(jìn)行配置。表8-6給出了DM9000A的內(nèi)部寄存器。24桂小林，微機(jī)原理與接口25桂小林，微機(jī)原理與接口26桂小林，微機(jī)原理與接口27桂小林，微機(jī)原理與接口1、狀態(tài)寄存器和命令寄存器（1）NCR（00H）：網(wǎng)絡(luò)控制寄存器（NetworkControlRegister）D6：WAKEEN，事件喚醒使能，1使能，0時禁止并清除事件喚醒狀態(tài)，不受軟件復(fù)位影響。D5：保留。D4：FCOL，1強(qiáng)制沖突模式，用于用戶測試。D3：FDX，全雙工模式。內(nèi)部PHY模式下只讀，外部PHY下可讀寫。D2D1：LBK，回環(huán)模式（Loopback），00正常，01MAC內(nèi)部回環(huán)，10內(nèi)部PHY100M模式數(shù)字回環(huán)，11保留。D0：RST：1時軟件復(fù)位，10us后自動清零。（2）NSR（01H）：網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)寄存器（NetworkStatusRegister）D7：SPEED，介質(zhì)傳輸速度，在內(nèi)部PHY模式下，0為100Mbps，1為10Mbps。當(dāng)LINKST=0時，此位不用。D6：LINKST，連接狀態(tài)，在內(nèi)部PHY模式下，0為連接失敗，1為已連接。D5：WAKEST，喚醒事件狀態(tài)。讀取或?qū)?將清零該位。不受軟件復(fù)位影響。D4：保留。D3：TX2END，TX（發(fā)送）數(shù)據(jù)包2完成標(biāo)志，寫1將清零該位。D2：TX2END，TX（發(fā)送）數(shù)據(jù)包1完成標(biāo)志，寫1將清零該位。D1：RXOV，RX（接收）FIFO（先進(jìn)先出緩存）溢出標(biāo)志。D0：保留。28桂小林，微機(jī)原理與接口2、PHY寄存器在DM9000A中，還有一些PHY寄存器，也稱之為介質(zhì)無關(guān)接口MII寄存器，需要微處理器去訪問。這些寄存器是字對齊的，即16位寬。有三個常用的PHY寄存器BMCR（00H）：基本模式控制寄存器（BasicModeControlRegister)ANAR（04H）：自動協(xié)商廣告寄存器（Auto-negotiationAdvertisementRegister）DSCR（16H）：DAVICOM詳細(xì)配置寄存器（DAVICOMSpecifiedConfigurationRegister）29桂小林，微機(jī)原理與接口8.3.3DM9000A以太網(wǎng)接口設(shè)計30桂小林，微機(jī)原理與接口31桂小林，微機(jī)原理與接口8.3.4DM9000A以太網(wǎng)驅(qū)動程序D