51單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信及ARP協(xié)議論文
本文主要以SST89E564RD型51單片機(jī)和RTL8019AS 網(wǎng)絡(luò)接口芯片為例，研究了如何將51單片機(jī)與網(wǎng)絡(luò)接口芯片進(jìn)行硬件的電路連接，并通過(guò)將ARP協(xié)議進(jìn)行簡(jiǎn)化和重新定義，實(shí)現(xiàn)了將51單片機(jī)接入TCP/IP進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，對(duì)該領(lǐng)域的研究具有一定的借鑒意義。
1 51單片機(jī)與網(wǎng)絡(luò)控制器的連接
RTL8019AS 網(wǎng)絡(luò)接口芯片是中國(guó)臺(tái)灣 Realtek 公司的代表性產(chǎn)品之一，該芯片基于 ISA 總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，性能穩(wěn)定且價(jià)格低廉，在工業(yè)企業(yè)領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用[ 1 ]。
1.1 RTL8019AS接口芯片的主要特性
RTL8019AS芯片主要優(yōu)點(diǎn)有：
一是支持熱插拔(即插即用)的動(dòng)態(tài)檢測(cè);
二是完全兼容當(dāng)前主流的NE20xx 模式并可在8 位與 16 位兩種模式下工作;
三是有跳線(xiàn)與非跳線(xiàn)兩種模式可供選擇;
四是支持全雙工通信模式，雙工通信時(shí)信道的傳輸速率可達(dá)到10Mbps;
五是內(nèi)置數(shù)據(jù)預(yù)取功能;
六是內(nèi)置 16K 字節(jié)的閃存;
七是支持 8/16兩種前端總線(xiàn)工作模式，內(nèi)置8 個(gè)中斷申請(qǐng)線(xiàn)，同時(shí)有16 個(gè)I/O地址可供選擇。
1.2 51單片機(jī)與RTL8019AS連接實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的電路設(shè)計(jì)
1.2.1 RTL8019AS 與 93C46 接口電路
93C46接口電路內(nèi)部存儲(chǔ)容量為1Kbits，是四線(xiàn)串行接口EEPROM。RTL 8019 AS芯片在上電或者初始化復(fù)位時(shí)，首先要從該芯片中讀取預(yù)設(shè)的配置信息才能完成初始化。 93C46 內(nèi)部存儲(chǔ)器的前三個(gè)地址空間用于存放 RTL8019AS芯片的上電初始化信息;后5個(gè)地址空間用于記錄本機(jī)地址;0AH-11H 的地址空間分配給制造商存儲(chǔ)產(chǎn)品的信息;
12H～7FH 的地址空間用于記錄即插即用信息。RTL 8019 AS 的EECS引腳連接93C46的CS引腳，EESK引腳連接SK引腳，EEDI引腳連接DI，EEDO引腳連接DO引腳，即由EECS 提供片選信號(hào)，EESK 提供時(shí)鐘信號(hào)，EEDI 與 EEDO 定義為串行數(shù)據(jù)I/O通道。
1.2.2 RTL8019AS 與 SST89E564RD 接口電路的硬件連接
SST 系列單片機(jī)是美國(guó) SST公司生產(chǎn)的一種中高端51系列單片機(jī)，SST89 E564RD 單片機(jī)是其SST系列單片機(jī)中的一個(gè)型號(hào)。將RTL8019AS 的SD0-SD7 引腳與SST89E564RD 的P0.0-P0.7引腳相連，相連后的引腳通過(guò)鎖存器與A0-A7引腳相接，同時(shí)將74HC573的A0-A5引腳與 RTL 8019AS 的SA0-SA5引腳相接，將SST89E564RD的P0口用作D/A端口。
此外，SST89E564RD的 P2.0-P2.6 引腳與 靜態(tài)存儲(chǔ)芯片TMS62256 的高7位地址線(xiàn)引腳相接，組合成訪(fǎng)問(wèn) TMS的15位地址總線(xiàn)。將SST 89E564 RD的SMEMRB 引腳接+5V，同時(shí)將IOCHDRY引腳懸空，JP 引腳為跳線(xiàn)模式，IOCS 16B引腳接地，使 RTL8019AS 工作在 8 位模式[ 2 ]。
1.3 網(wǎng)絡(luò)接口電路的地址定義
RTL8019AS中 SA0-SA19 的連接方式如下：SA5-SA7以及SA10-SA19 接 GND，SA8-SA9 接+5V電壓，SA0-SA4 接74HC573的A0-A5引腳。SST 單片機(jī)可以通過(guò) P0.0-P0.4來(lái)選中RTL8019AS 的 32 個(gè)I/O端口并相應(yīng)地對(duì)其進(jìn)行R / W操作。此外，將RTL8019AS 的IORB 和 IOWB 引腳分別與SST89E564RD單片機(jī)的 RD 和 WR 相連作為R/W選通信號(hào)。
然后在 93C46 接口電路的低位00H 單元中寫(xiě)入 00H，將IOS0-IOS3 賦值為 0，這樣就可將RTL8019AS 選擇 I/O 端口的基本尋址地址定義為 300H，地 址 空 間 就為 00300H-0031FH。
2 51單片機(jī)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信中 ARP 協(xié)議設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2.1 ARP協(xié)議工作流程
根據(jù)TCPIP協(xié)議的定義，任何的需要遠(yuǎn)程通信和訪(fǎng)問(wèn)的主機(jī)在進(jìn)行任何形式的通信前必須獲得用于傳輸?shù)谋镜氐刂�。如果通信發(fā)起的源主機(jī)和通信目的端主機(jī)在同一個(gè)子網(wǎng)網(wǎng)段，那么這種通信形式不需要進(jìn)行網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)交換，本地地址就是目的主機(jī)的硬件地址。否則通信發(fā)起者就要通過(guò)本地路由器(網(wǎng)關(guān))的地址向目的主機(jī)進(jìn)行IP地址和物理地址的溝通。 本文只考慮不需要使用路由器的情況。
在不使用路由器的前提下，ARP 進(jìn)行地址解析的步驟如下：通信發(fā)起端在網(wǎng)絡(luò)中廣播接收端的 IP 地址，然后與廣播地址一致的計(jì)算機(jī)在收到廣播后會(huì)相應(yīng)地發(fā)送一個(gè)應(yīng)答，該應(yīng)答中包含了該應(yīng)答計(jì)算機(jī)的IP 地址和實(shí)際物理地址的相關(guān)信息，接著發(fā)送端用接收到的地址信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分組和傳輸，最后發(fā)送端將獲取到 MAC 地址信息存入本地緩存，作為下次通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡刂放渲眯畔�，這個(gè)本地緩存就是ARP 緩存。
如果數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡刂废嗤敲窗l(fā)送端就可以通過(guò)讀取 ARP 緩存來(lái)獲取 MAC 地址，如果數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡刂放c以往不同，則重復(fù)上文的步驟直到獲取物理地址。
2.2 51單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)ARP 協(xié)議中緩存機(jī)制分析與實(shí)現(xiàn)
ARP 緩存條目可以使用靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)兩種方式生成。使用靜態(tài)的方式生成 ARP 緩存條目時(shí)占用系統(tǒng)的資源較多，運(yùn)行效率不高，所以通常采用動(dòng)態(tài)方式生成 ARP 緩存。ARP 條目的定時(shí)刷新主要通過(guò)定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，緩存的生存期由單片機(jī)定時(shí)器初始值和刷新定時(shí)器的時(shí)間間隔的乘積確定，ARP 條目的查詢(xún)操作定義可考慮直接對(duì)緩存中的IP 地址進(jìn)行逐個(gè)比較來(lái)完成查詢(xún)操作，具體的定義為：發(fā)送方先在 ARP 緩存中查詢(xún)目的方主機(jī)的地址，如果在緩存中能夠查找到，說(shuō)明此前進(jìn)行過(guò)該路由的通信過(guò)程，則可以在獲得目的主機(jī)的MAC 地址后開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;否則就需要進(jìn)行上文提到的獲取ARP緩存的步驟，發(fā)送ARP請(qǐng)求報(bào)文直至對(duì)方的進(jìn)行應(yīng)答。
2.3 ARP報(bào)文格式
一個(gè)完整的 ARP 頭部包含 28個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，在硬件類(lèi)型部分選用 DIX 型以太網(wǎng)幀(值為 1);協(xié)議類(lèi)型部分選用 IP 協(xié)議(注冊(cè)值為0x0800);硬件地址長(zhǎng)度部分為 6字節(jié);PLEN 為 IP 地址長(zhǎng)度部分值為4字節(jié);操作代碼部分，當(dāng)請(qǐng)求操作時(shí)值為 1，應(yīng)答操作時(shí)值為 2。