8位单片机与以太网控制器RTL8029接口的VHDL设计

   51系列单片机是当前使用最为广泛的8位单片机系列，其丰富的开发资源和较低的开发成本，使51系列单片机现在以至将来都仍会有强大的生命力。在网络技术飞速发展的今天，实际工作中有将51系列单片机系统接入网络的需求。由于5 1系列单片机没有集成以太网接口，因此，如何将51系列单片机系统接入网路是一个值得探讨的课题，其关键就是在硬件上如何实现单片机与以太网控制器的接口。本文将讨论这一课题。

1 以太网控制器
    台湾Realtek公司的以太网控制器是一种符合IEEE802.3以太网标准的控制器，有RTL8019、RTL8029和RTL8139等系列。其中RTL8019是ISA总线的，较易与8位MCU实现接口。RTL8029和RTL8139是PCI总线的，不能直接与8位的MCU接口，需要一个PCI接口进行转接。考虑到目前RTL8029在市场上较容易购买，故采用RTL8029以太网控制器作为网络接口。
    RTL8029内部已经包含有整个网络接口层的协议 (PHY层和MAC层协议)，因此应用起来较简单。用户不必考虑链路控制问题，而只需考虑单片机如何从RTL8029中去读TCP／IP协议的数据即可。
    PCI总线信号有3.3V标准和5V标准，信号线众多，但是并不是所有的PCI设备都使用全部的PCI接口信号，实际上只使用它们需要的即可。RTL8029AS以太网控制器遵循5V标准，并且只使用了PCI总线信号中的以下部分：
    AD[31：0]——数据信号复用总线。
    FRAME——帧周期信号，由当前主设备驱动，表示一次访问的开始和持续时间。
    IRDY——主设备准备好信号。
    TRDY——从设备准备好信号。 
    C/BE——总线命令和字节使能复用信号。地址期是总线命令，数据期是字节使能。
    IDSEL——初始化设备选择信号。在参数配置读写传输期间，用作片选。对于只有一个PCI设备的情况，它可以总接高电平。
    RST——复位信号。
    CLK——系统时钟信号，频率范围DC~33MHz。以上信号都在CLK的上升沿有效。
    INTA——中断请求信号，RTL8029数据准备好后可以用来向主控制器发出中断。
    DEVSEL——设备选择信号，表明驱动它的设备已成当前访问的设备，由于在单片机系统中，RTL8029是单一的PCI设备，因此该信号可以不用。

2 PCI接口设计
    在以太网控制器的接口信号中，除地址数据总线是双向的外，TRDY信号由以太网控制器产生，方向为从以太网控制器至PCI接口；其余信号都由接口部分产生，方向是从PCI接口至以太网控制器。
    接口设计的思路是：可将PCI接口当作单片机的外部存储器看待，单片机以读写外部存储器的时序对PCI接口进行读写，再由PCI接口将这种读写操作时序转换成PCI时序对以太网控制器进行操作。
    单片机在进行外部存储器操作时用到的信号有PO口、P2口、ALE以及RD和WR信号。其中，P0口为地址(低8位)／数据复用，P2口为高8位地址信号；ALE为地址锁存信号，为高电平时将P0口的值锁存到低8位数据线上；RD和WR为读写有效信号，低电平有效。因此，PCI接口实际上是起到一个从8位单片机读写时序到32位PCI读写时序转换的作用，原理框图如图1所示，访目时序如图2所示。

    在图2中，可以完成对PCI设备的配置访问与I／O读写访问，只要有这两种访问就完全可以实现单片机对RTL8029的操作。IDSEL信号只是在配置访问中才起作月，在I／O访问中不使用该信号。
    FRAME有效后的第一个时钟前沿是地址期的开始。此时在AD总线上传送地址，在C／BE总线上传送命令。IRDY有效后即为数据期，此时在AD总线上传送数据，在C／BE总线上传送字节使能。但数据的传输是在IRDY和TRDY同时有效的时钟前沿进行。字节使能指明此时32位数据线上的数据中哪一个数据字节是有效的。
    读配置的过程：首先送地址，送命令(命令值为1010B)和字节使能，再读配置空间中的内容。
    写配置的过程：首先送地址，送命令(命令值为101lB)和字节使能，再送配置数据。
    读I／O的过程：首先送地址，送命令(命令值为0010B)和字节使能，再读I／O空间中的内容。
    写I／O的过程：首先送地址，送命令(命令值为001lB)和字节使能，再送数据。
    在I／O访问中，AD[1:O]两位有特殊要求，需要与C／BE[3：0]相配合。当C／BEO有效时，AD[1：O]必须为00，当C／BE3有效时，AD[1：0]必须为11。在具体访问中，每当一个设备地址译码选中后，便要检查字节使能信号是否与AD[1：0]相符。如果二者矛盾，则整个访问将无法完成。因此，写单片机软件需要参考PCI总线协议中关于这一部分的内容，才能正确操作以太网控制器。
    总线命令／字节使能(C／BE)寄存器的地址有效后的一个时钟周期内，FRAME信号应该有效，表示地址期开始，C／BE[3：0]总线上为总线命令，地址期可以只持续一个周期，然后立即进入数据期。在单片机系统中可以不考虑去支持复杂的PCI数据连发，进入数据期后，FRAME信号应立即拉回高电平，此时C／BE[3：0]总线上为字节使能。因此FRAME信号可以用总线命令／字节使能寄存器的地址信号来产生。
    IRDY信号在数据期才有效，因此IRDY也可以由总线命令／字节使能寄存器的地址信号来产生或由FRAME信号来产生。
    IDSEL信号只与配置访问有关，因此可以通过总线命令的命令字来产生。在I／O访问时。命令字的最高位bit3为O；在配置访问时。命令字的最高位bit3为l。因此，可以用该位来产生IDSEL信号。
    另外前面已说明，可将PCI接口当作外部存储器来访问，因此，要从8位数据转换成32位的数据。PCI接口中需要设计以下寄存器：
    寄存器0，对应于32位数据／地址总线的AD[7：0]，用于写；
    寄存器1，对应于32位数据／地址总线的AD[15：8]，用于写；
    寄存器2，对应于32位数据／地址总线的AD[23：16]，用于写；
    寄存器3，对应于32位数据／地址总线的AD[31：24]，用于写：
    寄存器4，对应于32位数据／地址总线的AD[7：O]，用于读；
    寄存器5，对应于32位数据／地址总线的．AD[1 5：8]，用于读；
    寄存器6，对应于32位数据／地址总线的AD[23：16]，用于读；
    寄存器7，对应于32位数据／地址总线的AD[31：24]，用于读；
    总线命令／字节使能寄存器，对应于C／BE[3：0]；
    复位寄存器，用于对RTL8029AS的硬件复位操作。
    根据以上分析，得PCI接口原理框图，如图3所示。

3 接口的VHDL实现

    PCI接口的VHDL代码见本刊网站：www.dpj.com.cn。

    以上代码在Qaartus II下编译并综合，占用149个宏单元的资源，可选用CPLD器件MAx7l60来完成。

4 结语
    本文所阐述的设计方法，已成功应用在无线电监测系统的远程控制中，通过5l单片机系统接入以太网，实现了在网络上对远程机房设备的无人监控。