根據單片機的以太網絡接入系統的實現及網絡性能分析

　［摘　要］　介紹以太網控制芯片RTL8019AS，并設計在有限存儲空間的單片機中嵌入TCP／IP協議的以太網接入系統，實現了RS－485現場總線設備通過嵌入TCP／IP單片機系統接入以太網，完成PC機與終端設備的遠程通信和控制，最后對系統性能進行測試分析，取得了滿意的效果。
??? ［關鍵詞］　單片機；以太網；RTL8019AS芯片；TCP／IP協議；網絡性能分析

1　引　言　　
　　互聯網絡硬件、軟件的迅猛發展，使得網絡用戶呈指數增長，在電子設備日趨網絡化的背景下，越來越多的嵌入式應用需要支持網絡功能。 TCP／IP是一套把因特網上的各種系統互連起來的協議組，成為事實上最常用的網絡標準之一。在使用計算機進行網絡互聯的同時，各種家電設備、儀器儀表以及工業生產中的數據采集與控制設備在逐步地走向網絡化，以便共享網絡中龐大的信息資源。只要那些設備上實現了TCP／IP協議并增加一個網絡接口，就可方便地接入到現有的網絡中。考慮到單片機成本低廉，利用TCP／IP協議中的UDP（用戶數據報協議）、IP（網絡報文協議）、ARP（地址解析協議）及簡單的應用層協議，根據應用的需要做相應的裁減，文中將介紹用AT90S8515單片機與10Mbps以太網控制器芯片RTL8019AS設計嵌入式TCP／IP單片機系統，成功地實現了RS－485現場總線設備通過嵌入TCP／IP的單片機系統接入以太網，完成PC 機與終端設備的遠程通信和控制，最后對系統性能進行分析。
2　以太網控制器RTL8019AS簡介　　
　　RTL8019AS是***REALTEK公司生產的基于ISA總線的10 Mbps以太網控制器芯片。由于其優良的性能、低廉的價格，使其在市場上10Mbps網卡中占有相當的份額。
主要性能：
　　（1）符合EthernetⅡ與IEEE802．3（10Base5、10Base2、10BaseT）標準；
??? （2）支持全雙工，收發可同時達到10Mbps速率；
　　（3）16KB片內SRAM，用于收發緩沖，降低對主處理器的速度要求；
　　（4）支持8／16位數據總線，8個中斷請求線以
??? （6）支持跳線和非跳線模式；
??? （7）允許4個診斷LED引腳可編程輸出；
??? （8）100腳的PQFP封裝。
　　該芯片功能很強，它集成介質訪問子層（MAC）和物理層的功能，對RTL8019做了很大改進，處理能力更強，操作更靈活。但與一般單片機接口時，只需要用到其中一部分即可完成網絡通信功能，其它引腳懸空。
3　與AT90S8515單片機系統的接口電路
　　該文選用AT90S8515單片機，與8051系列單片機相比，具有系統內可編程8KFLASH，內部集成了在片512字節EEPROM和512字節SRAM，使用精簡指令集，編寫程序簡練，調試程序方便。
　　系統硬件連接如圖3—1所示，系統提供RJ45接口連接Ethernet網絡，提供一個RS－485接口與現場設備連接，實現數據的網絡傳輸和設備的遠程控制。

　　AT90S8515單片機所提供的接口信號線為：PA口的8位數據總線D0～D7、5根地址線A8～A12、讀信號線RD、寫信號線WR、2根控制線 PB0、PB1。這些信號線與RTL8019AS的各信號線對應連接。其中，RTL8019AS的IOCS16B接下拉電阻，使芯片工作在8位總線方式，復位通過PB0控制，PB1片選地址使能。時鐘電路為單片機8MHz和網絡芯片20MHz。在現場控制端，需要一個RS－232轉RS－485的485芯片（WM485），在網絡接入端需要一個網絡隔離濾波器（FM2146），這樣接口電路設計完成，然后計算并分配地址空間，編寫匯編程序。該系統中網絡芯片在單片機中地址映射空間為80××H－0x9F××H，網絡芯片的內部I／O基地址為300H。
　　對設計電路的幾點說明，RTL8019AS的JP引腳接高電平，使芯片工作在跳線模式；沒有使用地址鎖存器，直接用地址數據復用口讀寫 RTL8019AS數據，網絡芯片只用到5位地址線，沒有沖突；系統采用查詢工作方式，沒有連接中斷信號線，簡化電路設計。
4　軟件設計
4．1　嵌入TCP／IP協議的單片機匯編程序設計　　
　　單片機接入以太網，必須嵌入TCP／IP協議，用戶終端的應用程序才可以使用通用的網絡編程技術，例如使用Socket套接字，與單片機建立連接，實現數據通信。匯編流程圖如圖4—1所示，單片機首先初始化堆棧和串口，初始化RTL8019AS網絡芯片，系統的IP地址存放在單片機的片內EEPROM 中，單片機復位后首先讀取這些數據以初始化網絡。　　由于單片機的資源有限，所以網絡協議根據嵌入式應用的需求作了裁剪，系統中使用了ARP、RARP、 IP、UDP等部分協議，既保證單片機接入以太網，又保證足夠小的代碼量。單片機主要完成網絡數據的解包和串口RS－485數據的打包。當以太網有數據到達該設備，單片機采用查詢方式，讀取網絡數據并分析，如果是ARP（物理地址解析協議）數據包，則轉入ARP處理程序，并發送RARP數據包，將IP地址和物理地址加入到局域網中建立映射。如果是UDP數據包且IP地址和端口號正確，則接收數據包，數據解包后，將數據部分通過串口輸出，控制RS－485現場設備。反之，如果現場通過串口發送數據到單片機，單片機將數據按照UDP協議格式打包，送入RTL8019AS，由RTL8019AS將數據輸出到局域網中。根據需要還可以在收到串口數據時，先完成數據預處理，再將處理好的數據送到局域網。

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　　TCP／IP協議的4層模型中，鏈路層部分由RTL8019AS完成，網絡層和傳輸層由單片機來處理，應用層則根據需要可以在單片機內完成，也可以由單片機轉給用戶或終端設備完成。
　　在單片機的程序處理中，主要有完整的ARP、RARP協議模塊，UDP協議模塊，其它協議根據需要取舍，完成系統要求，網絡芯片的初始化是必須的，對RTL8019AS各寄存器的配置正確，才能使硬件正常工作。
4．2　用戶終端程序設計
　　為了實現對嵌入TCP／IP的單片機通信系統設備的控制，筆者用VC＋＋6．0在用戶終端PC上編寫一個數據傳輸的應用程序。通常采用Winsock編程，先創建一個套接字，綁定IP地址和端口號，使用UDP數據報，與嵌入TCP／IP單片機系統的套接字建立連接，當有網絡數據到達時，VC＋＋響應 Receive（）消息，讀取數據并處理；當用戶需要控制嵌入式設備，調用Send（）函數發送控制命令或數據。
　　在調試試驗中，PC機上采用Sniffer軟件來監視（或截獲）PC機同單片機之間通信的TCP／IP協議包數據流，測試系統的性能，取得了滿意的效果。
5　系統性能分析　　
　　網絡性能的主觀評價可以用如下的指標來體現：容量、利用率、最優利用率、吞吐量、可供負載、精確度、效率、延遲、延遲變化量、響應時間等。網絡性能的最終表現形式就是最終用戶在使用過程中的主觀評價。
　　下面主要從各網絡層對系統性能的影響分別進行分析：
　　（1）物理層、數據鏈路層性能。從系統的硬件上看，這兩層的功能主要由RTL8019AS完成，每幀最大傳輸包為1K字節，但是數據的讀寫都是由單片機完成，所以整個系統的帶寬受到單片機速度的限制，文中設計系統理論最大帶寬為8Mbps，最優利用率為3～4Mbps。
　　（2）網絡層性能。在這里主要考慮傳輸協議的選擇。對于使用有重傳機制的TCP協議，意味著在
網絡環境惡劣的情況下，存在大量的數據報重傳，降低了網絡利用率，同時還有很大的延時。在系統的具體應用中，采用UDP協議滿足了數據采集的實時性要求，對于丟包現象，可以在應用層上采取必要的控制策略加以改善。
　　（3）應用層性能。主機、服務器、應用協議構成網絡應用層性能的三要素。主機和服務器是網絡連接的兩端，應用協議是網絡連接的兩端數據傳輸過程的一個約定。方案采用在以太網嵌入系統中運行一個套接字程序作為服務器，應用RS－485通訊協議對遠程設備控制和數據采集。這個過程中，網絡服務器的性能問題影響最大：服務器的負載、請求隊列過長、協議參數設置不當等等。
6　結束語　　
　　以太網的低成本、開放性、廣泛的開發和應用軟件、硬件支持，使得這種嵌入了 TCP／IP協議的單片機數據通信系統，具有成本低、硬件少、運行穩定可靠、傳輸速度快、開發周期短等優點，有著廣泛的應用前景，特別是數據采集、數據傳輸等遠程監控領域，以及智能家電的網絡信息化方面。目前，該系統在變電站監控系統、遠程數據采集系統中得到成功應用。