NE2000网卡芯片驱动程序

我的SNMP网管板使用了RTL8019AS 10M ISA网卡芯片接入以太网。选它的好处是：
NE2000兼容，软件移植性好；接口简单不用转换芯片如PCI-ISA桥；价格便宜2.1$/片(我的
购入价为22元RMB/片)；带宽充裕(针对51)；较长一段时间内不会停产。8019有3种配置模
式：跳线方式、即插即用P&P方式、串行Flash配置方式。为了节省成本，我去掉了9346而使
用X5045作为闪盘存储MAC地址和其他可配置信息。P&P模式用在PC机中，这里用不上。只剩
下跳线配置模式可用，它的电路设计参考REALTEK提供的DEMO板图纸。一天时间就可以完
成，相对来说硬件设计比较简单。
    与这部分硬件相对应的软件是网卡驱动。所谓驱动程序是指一组子程序，它们屏蔽了底
层硬件处理细节，同时向上层软件提供硬件无关接口。驱动程序可以写成子程序嵌入到应用
程序里(如DOS下的I/O端口操作和ISR)，也可以放在动态链接库里，用到的时候再动态调入
以便节省内存。在WIN98中，为了使V86、WIN16、WIN32三种模式的应用程序共存，提出了虚
拟机的概念，在CPU的配合下，系统工作在保护模式，OS接管了I/O、中断、内存访问，应用
程序不能直接访问硬件。这样提高了系统可靠性和兼容性，也带来了软件编程复杂的问题。
任何网卡驱动都要按VXD或WDM模式编写，对于硬件一侧要处理虚拟机操作、总线协议(如
ISA、PCI)、即插即用、电源管理；上层软件一侧要实现NDIS规范。因此在WIN98下实现网卡
驱动是一件相当复杂的事情。
    我这里说的驱动程序特指实模式下的一组硬件芯片驱动子程序。从程序员的角度看，
8019工作流程非常简单，驱动程序将要发送的数据包按指定格式写入芯片并启动发送命令，
8019会自动把数据包转换成物理帧格式在物理信道上传输。反之，8019收到物理信号后将其
还原成数据，按指定格式存放在芯片RAM中以便主机程序取用。简言之就是8019完成数据包
和电信号之间的相互转换：数据包<===>电信号。以太网协议由芯片硬件自动完成，对程序
员透明。驱动程序有3种功能：芯片初始化、收包、发包。
    以太网协议不止一种，我用的是802.3。它的帧结构如图1所示。物理信道上的收发操作
均使用这个帧格式。其中，前导序列、帧起始位、CRC校验由硬件自动添加/删除，与上层软
件无关。值得注意的是，收到的数据包格式并不是802.3帧的真子集，而是如图2所示。明显
地，8019自动添加了“接收状态、下一页指针、以太网帧长度(以字节为单位)”三个数据成
员(共4字节)。这些数据成员的引入方便了驱动程序的设计，体现了软硬件互相配合协同工
作的设计思路。当然，发送数据包的格式是802.3帧的真子集，如图3所示。
    
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 |前导位PR|帧起始位SD|目的IP地址DA|源IP地址SA|类型TYPE/长度LEN|数据域DATA|     
填充PAD     |校验FCS|
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   62bit     2bit       48bit        48bit          16bit      <=1500字节 DATA小
于46字节补0   32bit
    TYPE说明：0800 IP包；0806 ARP包；814C SNMP包；8137：IPX/SPX
    小于0600H值用于IEEE802帧，表示数据包长度。
    DATA说明：DA+SA+TYPE=14字节+DATA=1514字节，即最大传输包长度<=1514
    PAD说明：最小包长度不小于60字节，最小DATA长度46字节，不够的补0。
                              图1 802.3帧结构
                              
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 |接收状态|下一页指针|以太网帧长度|目的IP地址DA|源IP地址SA|类型TYPE/长度LEN|数据
域DATA|填充PAD|校验FCS|
 -------------------------------------------------------------------------------
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    8bit      8bit        16bit       48bit        48bit        16bit        
<=1500字节  可选    32bit
                              图2 RTL8019AS接收包帧结构
                              
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 |目的IP地址DA|源IP地址SA|类型TYPE/长度LEN|数据域DATA|填充PAD|
 -------------------------------------------------------------
      48bit      48bit          16bit      <=1500字节   可选    
                              图3 RTL8019AS发送包帧结构
    
    有了收发包的格式，如何发送和接收数据包呢？如图4所示，先将待发送的数据包存入
芯片RAM，给出发送缓冲区首地址和数据包长度(写入TPSR、TBCR0,1)，启动发送命令
(CR=0x3E)即可实现8019发送功能。8019会自动按以太网协议完成发送并将结果写入状态寄
存器。如图5所示，接收缓冲区构成一个循环FIFO队列，PSTART、PSTOP两个寄存器限定了循
环队列的开始和结束页，CURR为写入指针，受芯片控制，BNRY为读出指针，由主机程序控
制。根据CURR==BNRY+1?可以判断是否收到新的数据包，新收到的数据包按图2格式存于以
CURR指出的地址为首址的RAM中。当CURR==BNRY时芯片停止接收数据包。如果做过FPGA设
计，用过VHDL，可以想象到硬件芯片的工作原理。此处，设计2个8bit寄存器和一个2输入比
较器，当收到数据包时，接收状态机根据当前状态和比较器结果决定下一个状态，如果
CURR=BNRY，进入停收状态；反之，CURR按模增1。8019数据手册没有给出硬件状态机实现方
法，说明也很简略，往往要通过作实验的方法推理出工作过程。比如，ISR寄存器不只和中
断有关，当接收缓冲溢出时，如果不清ISR(写入FFH)，芯片将一直停止接收。在流量较大时
溢出经常发生，此时不清ISR，就会导致网卡芯片死机。
    
                                                               双口RAM
            ----------          ---------- -                  ---------- -
  PSTART--->|        |  TPSR--->|        | |       RSAR0,1--->|        | |
  FIFO开始页----------  发首址  ---------- |       远端DMA    ---------- |
               |  ...   |          |        | |       首地址     |        | |
                 ----------          ---------- |                  ---------- |
    CURR--->|        |          |  ...   |     TBCR0,1            |  ...   | RBCR0,1
   写页指针 ----------          ---------- |  发送数目        ---------- |  远端
DMA
               |  ...   |          |        | |                  |        | |  数据
字节数
                ----------          ---------- |                  ---------- |
    BNRY--->|        |          |        | |                  |        | |
   读页指针 ----------          ---------- -                  ---------- -
               |  ...   |         图4 发送缓冲区                图6 远端DMA操作
            ----------
   PSTOP--->| 不关心 |
  FIFO停止页----------
       图5 接收FIFO缓冲队列
    
    明白了发送和接收数据包的原理，那么数据包又是怎样被主机写入芯片RAM和从芯片RAM
读出的呢？如图6所示，主机设置好远端DMA开始地址(RSAR0,1)和远端DMA数据字节数
(RBCR0,1)，并在CR中设置读/写，就可以从远端DMA口寄存器里读出芯片RAM里的数据/把数
据写入芯片RAM。
    何谓本地/远端DMA呢？如图7所示，“远端”指CPU接口侧；“本地”指8019的硬件收发
电路侧。没有更深的意思，与远近无关，仅仅为了区分主机和芯片硬件两个接口端。这里的
DMA与平时所说的DMA有点不同。RTL8019AS的local DMA操作是由控制器本身完成的，而其
remote DMA并不是在无主处理器的参与下，数据能自动移到主处理器的内存中。remote DMA
指主机CPU给出起址和长度就可以读写芯片RAM，每操作一次RAM地址自动加1。而普通RAM操
作每次要先发地址再处理数据，速度较慢。
    在一些高档通信控制器上自带有MAC控制器，工作原理与8019的差不多，比如：
Motorola 68360/MPC860T内部的CPM带有以太网处理器，通过设置BD表，使软件和硬件协同
工作，它的缓冲区更大且可灵活配置。这些通信控制器的设计，体现了软硬件互相融合协同
工作的趋势：软件硬化(VHDL)，硬件软化(DSP)，希望大家关注！
    
    TPSR       ----------                   ----------
    TBCR0,1    |        |     ---------     |        |
                   |        |     |       |     |        |
    PSTART     | 本地   |   |  16K  |     | 远端   |    RSAR0,1
    PSTOP      | DMA    |  |双口RAM|     | DMA    |    RBCR0,1
    CURR       |        |     |       |     |        |
    BNRY       |        |     |       |     |        |    CRDA0,1
                   |        |     ---------     |        |  指示当前远端DMA地址
    CLDA0,1    ----------                   ----------
  指示当前本地DMA地址
             硬件收发电路侧                  主机CPU侧
                       图7 与DMA有关的寄存器
    
    如图7所示，8019以太网控制器以存储器(16K双口RAM)为核心，本地和远端控制器并发
操作。这种体系结构满足了数据带宽的需要。8019拥有控制、状态、数据寄存器，通过它
们，51单片机可以与8019通信。由于51资源紧张，在实现TCPIP协议栈时不要进行内存块拷
贝，建议(1)使用全局结构体变量，在内存中只保存一个数据包拷贝，其他没有来得及处理
的包保存在8019的16K RAM里；(2)使用查询方式而不用中断；(3)客户服务器模型中服务器
工作于串行方式，并发模式不适合51单片机。