第4章 工业以太网网络通信

第四章工业以太网网络通信主要内容以太网历史及其关键技术网络传输协议体系以太网传输介质工业以太网4.1通信技术基础4.1.1以太网历史及其关键技术以太网是局域网技术的一种，其他的局域网技术包括令牌环、FDDI（FiberDistributedDataInterface）、ATM（AsynchronousTransferMode）等。以太网以其诸多方面的优势很大程度上取代了其他局域网技术，成为目前应用最为普遍的局域网技术。以太网的关键技术是载波监听多路访问及冲突检测（CarrierSenseMultipleAccessWithCollisionDetection，CSMA/CD）通信控制机制，CSMA/CD算法规定了同一以太网内的多肽计算机共享一个通道的方法，CSMA/CD控制规程的核心问题：解决在公共通道上以广播方式传送数据中可能出现的问题（主要是数据碰撞问题）控制过程包含四个处理内容：侦听、发送、检测、冲突处理。图4-1CSMA/CD通信控制机制的流程图4.1.2网络传输协议体系1、OSI/ISO开放系统互联七层架构（1）第一层：物理层（PhysicalLayer）（2）第二层：数据链路层（DataLinkLayer）（3）第三层：网络层（Networklayer）（4）第四层：传输层（Transportlayer）（5）第五层：会话层（Sessionlayer）（6）第六层：表示层（Presentationlayer）（7）第七层：应用层（Applicationlayer）2、TCP/IP四层架构（1）网络接口层（2）网络层（NetworkLayer）（3）传输层（TransportLayer）（4）应用层（ApplicationLayer）4.1.3以太网传输介质以太网传输介质包括：双绞线、光缆等。最常用的以太网通信介质是八芯五类双绞线，它有4对线，各信号线对的颜色是：橙白、橙、绿白、绿、蓝白、蓝、棕白、棕。12345678TX+TX-RX+RX-4.1.4工业以太网1、工业以太网的技术特点及发展趋势（1）性能（2）通信确定性和实时性（3）稳定性与可靠性（4）工业以太网的应用趋势2、工业以太网协议及其帧格式一个完整的以太网物理层帧的前8个字节成为前导码（PreCode），用于时钟同步以及帧定位。去除前8个字节为完整的MAC层帧格式。（1）前导码八个字节分为两个部分前7个字节称为同步位，用于收发双方的时钟同步，是56位的二进制数据；第8个字节是帧定界符，为8位二进制数据；10101011。前导码属于物理层，由硬件自动完成计算和添加。（2）DA和SA分别指目的地址和源地址，也就是通常所称的MAC（MediumAccessControl）地址，6个字节共48位，它被烧录在网卡里，也叫硬件地址，0-23位叫做组织唯一标志符（organizationallyunique），是识别LAN（局域网）节点的标识。24-47位是由厂家自己分配。其中第40位是组播地址标志位。（3）TYPE字段为类型字段，长度为2个字节，用于表明该数据帧的类型，针对不同协议该字段的值不相同，例如：0806H表示数据部分为ARP包，0800H表示数据是IP包（Type/Length）。（4）DATA字段：长度不能大于1500个字节，以太网规定整个MAC层的传输包的最大长度不能超过1514个字节，最小长度不能低于60字节，不足部分应该在数据字段填充。源地址加目的地址以及Type字段共14字节，这也就限制了以太帧的最大载荷为1500个字节。（5）FCS字段：数据校验位，为CRC32算法得出的校验和，由硬件（网卡、适配器等）自动计算机并填入数据字段之后。4.2基本软硬件体系设计4.2.1以太网接口器件1、RTL8019ASRTL8019AS是台湾Realtek公司制造的一种高集成度的全双工10Mb/s以太网控制芯片，可实现基于Ethernet协议的MAC层的全部功能。2、LAN91C111LAN91C111是SMSC公司推出的为嵌入式应用系统设计的第三代快速以太网控制器。在LAN91C111芯片上集成了CSMA/CD协议的媒体层（MAC）和物理层（PHY），其系统结构图如图4-7所示：图4-7LAN91C111的系统结构图3、CS8900ACS8900A是CIRRUSLOGIC公司生产的低功耗、性能优越的16位以太网控制器，功能强大。该芯片的突出特点是使用灵活，其物理层接口、数据传输模式和工作模式等都能根据需要而动态调整，通过内部寄存器的设置来适应不同的应用环境。CS8900A的结构图如图4-8所示：图4-8CS8900A的结构图4、CP220x由SiliconLaboratories推出CP220x，是业界体积最小和性能最高的单芯片以太网络控制器可以提供目前应用最广泛的局域网络技术。图4-9CP2200的结构图4.2.2嵌入式以太网通信硬件实现1、微处理器+以太网控制器+变压器+RJ45图4-10所示，即是采用TI公司发布的TMS320LF2407连接LAN91C111以太网控制器。2、微处理器+以太网控制器+集成变压器的RJ45如图4-11所示，即采用微处理器连接CP2200单芯片以太网控制连接一个集成变压器的RJ45接口.3、集成以太网控制器的微处理+RJ45如图4-12所示，即是一种集成以太网控制器功能的微处理连接RJ45构成的嵌入式以太网设备的电路原理图。图4-12集成以太网控制器的微处理+RJ45的电路图4.3开发实例4.3.1单片机加以太网控制器实现直接以太网通信1、电路设计下面介绍51系列单片机与RTL8019AS的接口电路，实现的网络接口采用UTP（无屏蔽双绞线）RJ-45接口。图4-13图4-13给出了89C52单片机控制RTL8019AS实现以太网通讯的接口电路框图。用到的主要芯片有89C52、RTL8019AS、93C46（64×16bit的EEPROM）、74HC573（8位锁存）、62256（32K字节的RAM）。为分配好地址空间，采用对93C46进行读（或写）操作来设置RTL8019AS的端口I/O基地址和以太网物理地址。RTL8019AS的地址为20位，那么用到RTL8019AS的地址空间为00300H~0031FH，用二进制表示00300H~0031FH，可以发现第19位到第5位是固定的：000000000011000。RTL8019AS的20根地址线SA0~SA19如表4-1所示连接：表4-1RTL8019AS的20根地址线SA0~SA19连接方式通过ADDR15、I/OW、I/OR来划分RTL8019AS和62256的地址空间。ADDR15接62256的CE脚，低电平时选择62256；高电平时选择RTL8019AS的地址空间80C52单片机的地址为16位。定义reg00~reg1f来对应端口00300H~0031FH。表4-2是RTL8019AS的ISA总线接口引脚与单片机的连接表（包括读写操作、复位操作对应的引脚）：2、程序设计（1）复位RTL8019AS（2）初始化RTL8019AS初始化页0与页1的相关寄存器，页2的寄存器是只读的，不可以设置，页3的寄存器不是NE2000兼容的，不用设置。先介绍一个子函数：voidpage(ucharpagenumber)。该程序的作用是选择指定的页，RTL8019AS网卡共有4页寄存器，Ne2000兼容的有3页，第四页可以不用。下面是网卡的初始化子程序：（3）收发数据将待发送的数据按帧格式封装，通过远程DMA通道送到RTL8019AS中的发送缓存区，然后发出传送命令，完成帧的发送。需要设置以太网目的地址、以太网源地址、协议类型，再按所设置的协议类型来设置数据段。之后启动远程DMA，数据写入RTL8019AS的RAM，再启动本地DMA，将数据发送网上。3、软件的调试与验证调试环境包括RTL8019AS实验板、PC机（带网卡）以及网线。用C51语言编程，实现TCP/IP协议中ARP数据帧的收发。实验中，单片机首先构造一个ARP请求包发送给PC机，PC机收到后会发送一个ARP应答包给单片机，单片机收到该应签包后再发一个ARP请求包给PCF机，如此不断循环，来测试系统的性能。在PC机上采用Sniffer软件如Windump软件来监视（或截获）PC机网卡接收ARP包的情况，取得了满意的效果。4.3.2嵌入式操作系统下的以太网通信设计与实现1、μC/linux内核核心机制解析（1）任务间同步与通信（2）嵌入式μC/linux系统的运作机制2、μC/linux内核特性μC/linux是Linux2.0版本的一个分支，针对“无内存管理单元”（NOMMU）处理器设计，主要用于微型控制应用领域的嵌入式Linux操作系统。具有以下的特点：多样的内核加载方式、独特的根（root）文件系统、精简应用程序库μClibc、使用vforkO函数实现多任务、支持多种文件系统、完备的网络协议栈、广泛硬件平台支持、占用空间小。3、μC/linux在S3C44BOX目标板上的移植（1）处理器体系级移植处理器体系级移植是当待移植处理器的结构不同于任何已经支持的处理器结构或其分支处理器结构时，根据μC/linux的标准构造新的处理器结构文件目录和编写源文件。处理器体系的源文件在arch目录下。处理器结构文件目录主要包括：kernel内核源代码，mm-内存管理源代码，lib处理器特定的内部库函数，boot包含压缩内核的代码，也是内核文件最后编译生成的地方，tools包含自动产生文件的脚本。（2）芯片级移植芯片级移植指当待移植处理器是某种已支持体系的分支处理器，进行的是芯片层次的移植，需要在该处理器体系结构目录下增加修改部分目录和代码。矧处理器体系级移植相比较，芯片层次移植不用为μC/linux重新构造一个处理器结构，只需要在该处理器体系某个已存在的芯片基础上，根据两者之间的不同进行修改调试，达到芯片移植的目的。4、驱动程序设计（1）设备的初始化（2）模块的初始化函数（3）设备的打开函数（4）设备的发送函数（5）设备的中断处理函数（6）设备的终止函数（7）模块的清理函数课后习题4.1以太网的主要网络特征及其关键技术都包括哪些内容？4.2网络传输协议体系存在着哪两种网络模型？它们各自的定义和网络架构是如何的？4.3以太网物理层帧格式定义是如何的？4.4典型的单芯片以太网控制器都有哪些？它们各自的系统结构和功能特性是怎样的？4.5嵌入式以太网通信硬件实现的典型电路都有哪些？它们具体是如何设计的？4.6思考单片机加以太网控制器实现直接以太网通信是如何设计的？4.7思考嵌入式操作系统下的以太网通信是如何设计与实现的？