Báo cáo tốt nghiệp: Nghiên cứu ứng dụng chíp điều khiển ethernet W5100 doc

TRƯỜNG …………………. KHOA………………………. [\[\ BÁO CÁO TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: Nghiên cứu ứng dụng chíp điều khiển ethernet W5100 MỤC LỤC Lời mở đầu 0 Chương 1: Tổng Quan Về TCP/IP 2 1.1. Giới Thiệu 2 1.2. Tổng quát 2 1.2.1. Tầng Giao Diện Mạng (Network Interface Layer) 2 1.2.2. Tầng Liên Mạng (Internet Layer) 3 1.2.3. Tầng Giao Vận (Transport Layer) 3 1.2.4. Tầng ứng dụng (Application Layer) 4 1.2.5. Địa chỉ IP 5 1.2.6. Địa chỉ IP Public và Địa chỉ IP Private 7 1.2.6.1. IP Public 7 1.2.6.2. IP Private 8 1.2.7. Lớp địa chỉ 8 1.2.8. Subnet Mask 10 1.2.9. Default Gateway 11 1.3. TCP/IP cho vi điều khiển 12 1.3.1. TCP/IP stack. 12 1.3.2. Hardwired TCP/IP 14 1.3.2.1. Giới thiệu về chip Ethernet W5100 14 1.3.2.1.1. Sơ đồ chân 15 1.3.2.1.2. Miêu tả một số thanh ghi 16 1.3.2.1.3. Miêu tả các chức năng 17 1.3.2.1.4. Truyền thông dữ liệu 17 1.3.2.1.5. Thông tin ứng dụng 19 Chương 2: Vi Điều Khiển 22 2.1. Tìm hiểu về vi điều khiển AVR-Micro Atmega64L 22 2.1.1. Mô tả chung về AVR 22 2.1.2. Tính năng của Atmega64L 22 2.1.3. Sơ đồ chân 24 2.1.4. Các khối của Atmega64L 27 2.1.4.1.Lõi CPU của Atmega64L 27 2.1.4.2. Bộ nhớ của Atmega64L 31 2.1.4.3 Nguồn xung hệ thống 33 2.1.4.4. Ngắt phần cứng của Atmega64L 33 2.1.4.5.Bộ đếm/định thời của Atmega64L: 34 2.1.4.5.Bộ biến đổi tương tự sang số ADC 35 2.1.4.6.Bộ truyền nhận nối tiếp USART 37 Chương 3: Thực Nghiệm 39 3.1. Thiết kế phần cứng 39 3.2. Xây dựng phần mềm 42 3.2.1.Viết chương trình cho vi điều khiển Atmega64L. 42 KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined. TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp ___________________________________________________________________________ ____________________________________________ Nguyễn Thanh Hiệp 1 Lời mở đầu Trong thời đại ngày nay, sự bùng nổ của cuộc cách mạng công nghệ thông tin đang diễn ra nhanh chóng trên phạm vi toàn cầu. Công nghệ thông tin đã làm thay đổi mọi mặt của đời sống con người, biến thế giới thành ngôi nhà chung. Tất cả các nước và các vùng lãnh thổ trên thế giới liên kết với nhau thông qua mạng Internet. Internet phát triển nhanh chóng và trở thành phương tiện giao tiếp với tốc độ nhanh, hiệu quả với giá thành rẻ. Internet đã làm cuộc sống của con người được cải thiện rất nhiều, nhanh hơn và thuận tiện hơn. Hiện nay, Internet không chỉ đáp ứng nhu cầu tìm kiếm thông tin, giải trí… mà còn thực sự trở thành phương tiện giúp con người trao đổi, mua bán. Điều này thực sự có ý nghĩa, nó giúp giảm bớt các chi phí trong kinh doanh như giảm chi phí vận chuyển trung gian, chi phí giao dịch… và đặt biệt giúp là giúp tiết kiệm thời gian để con người đầu tư vào các hoạt động khác. Do đó, con người có thể ngồi ở nhà để tìm kiếm thông tin theo ý muốn. Nắm bắt được những ứng dụng to lớn về Internet mà ngày nay các nhà sản xuất chíp đã thiết kế ra nhiều loại chíp tích hợp nhiều ứng dụng liên quan tới mạng. Do vậy, trong khóa luận này, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng chíp điều khiển ethernet W5100”, tìm hiểu về một số ứng dụng của chíp liên quan tới mạng. Qua đây, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS.Nguyễn Thăng Long là những người đã hướng dẫn, chỉ bảo nhiệt tình giúp tôi hoàn thành khóa luận này. Hà nội, ngày 24 tháng 5 năm 2008 Sinh viên Nguyễn Thanh Hiệp ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp ___________________________________________________________________________ ____________________________________________ Nguyễn Thanh Hiệp 2 Chương 1: Tổng Quan Về TCP/IP 1.1. Giới Thiệu  Để các máy máy tính có thể liên lạc với nhau qua mạng, chúng phải sử dụng cùng 1 ngôn ngữ hay còn gọi là 1 giao thức (Protocol). Giao thức là 1 hệ luật và chuẩn cho phép các máy tính trong mạng liên lạc với nhau.  TCP/IP là viết tắt của Transmission Control Protocol (Giao thức Điều Khiển Truyền Thông) / Internet Protocol (Giao thức Internet).  TCP/IP không chỉ gồm 2 giao thức mà thực tế nó là tập hợp của nhiều giao thức. Chúng ta gọi đó là 1 Hệ Giao Thức hay Bộ Giao Thức (Suite Of Protocols). 1.2. Tổng quát  Để cho các máy tính trao đổi dữ liệu với nhau TCP/IP sử dụng mô hình truyền thông 4 tầng hay còn gọi là Mô Hình DoD (Mô hình của Bộ Quốc Phòng Mỹ). Các tầng trong mô hình này là (Theo thứ tự từ trên xuống): + Tầng Ứng Dụng (Application Layer) + Tầng Giao Vận (Transport Layer) + Tầng Liên Mạng (Internet Layer) + Tầng Giao Diện Mạng (Network Interface Layer)  Mỗi giao thức của Họ TCP/IP đều thuộc 1 trong các tầng này. Ta sẽ tìm hiểu từng tầng . 1.2.1.Tầng Giao Diện Mạng (Network Interface Layer)  Tầng Giao Diện Mạng có trách nhiệm đưa dữ liệu tới và nhận dữ liệu từ phương tiện truyền dẫn. Tầng này gồm các thiết bị phần cứng vật lí chẳng hạn như Card Mạng và Cáp Mạng.  1 Card Mạng chẳng hạn card Ethernet chứa 1 số HEX 12 kí tự (00-18- 37-03-C0-F4) được gọi là Địa Chỉ MAC (Media Access Control) hay Địa Chỉ ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp ___________________________________________________________________________ ____________________________________________ Nguyễn Thanh Hiệp 3 Truy Nhập Phương Tiện . MAC đóng vai trò quan trọng trong việc gán địa chỉ và truyền dữ liệu.  1 số giao thức tiêu biểu thuộc tầng này gồm : + ATM (Asynchronous Transfer Mode) + Ethernet + Token Ring + FDDI (Fiber Distributed Data Interface) + Frame Relay 1.2.1. Tầng Liên Mạng (Internet Layer) Nằm bên trên tầng giao diện mạng. Tầng này có chức năng gán địa chỉ, đóng gói và định tuyến (Route) dữ liệu 4 giao thức quan trọng nhất trong tầng này gồm: + IP (Internet Protocol): Có chức năng gán địa chỉ cho dữ liệu trước khi truyền và định tuyến chúng tới đích. + ARP (Address Resolution Protocol): Có chức năng biên dịch địa chỉ IP của máy đích thành địa chỉ MAC. + ICMP (Internet Control Message Protocol): Có chức năng thông báo lỗi trong trường hợp truyền dữ liệu bị hỏng. + IGMP (Internet Group Management Protocol): Có chức năng điều khiển truyền đa hướng (Multicast) 1.2.2. Tầng Giao Vận (Transport Layer) Có trách nhiệm thiết lập phiên truyền thông giữa các máy tính và quy định cách truyền dữ liệu 2 giao thức chính trong tầng này gồm: + UDP (User Datagram Protocol): Còn gọi là Giao Thức Gói Người Dùng UDP cung cấp các kênh truyền thông phi kết nối nên nó không đảm bảo truyền dữ liệu 1 cách tin cậy. Các ứng dụng dùng UDP thường chỉ truyền những gói có kích thước nhỏ, độ tin cậy dữ liệu phụ thuộc vào từng ứng dụng ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp ___________________________________________________________________________ ____________________________________________ Nguyễn Thanh Hiệp 4 + TCP (Transmission Control Protocol): Ngược lại với UDP, TCP cung cấp các kênh truyền thông hướng kết nối và đảm bảo truyền dữ liệu 1 cách tin cậy. TCP thường truyền các gói tin có kích thước lớn và yêu cầu phía nhận xác nhận về các gói tin đã nhận. 1.2.4. Tầng ứng dụng (Application Layer) Gồm nhiều giao thức cung cấp cho các ứng dụng người dùng. Được sử dụng để định dạng và trao đổi thông tin người dùng 1 số giao thức thông dụng trong tầng này là: + DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol): Giao Thức Cấu Hình Trạm Động. + DNS (Domain Name System): Hệ Thống Tên Miền. + SNMP (Simple Network Management Protocol): Giao Thức Quản Lý Mạng Đơn Giản. + FTP (File Transfer Protocol): Giao Thức Truyền Tập Tin + TFTP (Trivial File Transfer Protocol): Giao Thức Truyền Tập Tin Bình Thường + SMTP (Simple Mail Transfer Protocol): Giao Thức Truyền Thư Đơn Giản ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp ___________________________________________________________________________ ____________________________________________ Nguyễn Thanh Hiệp 5 Hình1:Bảng sau mô tả khái quát về Bộ Giao Thức TCP/IP 1.2.5. Địa chỉ IP  Mỗi máy trên mạng TCP/IP hay còn gọi là trạm TCP/IP được nhận dạng bằng 1 địa chỉ IP logic. Mỗi trạm hay mỗi thiết bị mạng sử dụng TCP/IP để truyền thông cần có 1 địa chỉ IP duy nhất.  Địa chỉ IP cho biết vị trí của 1 hệ thống trong 1 mạng giống như địa chỉ xác định ngôi nhà trên 1 con đường nào đó. Tương tự như 1 khu dân cư. Địa chỉ IP phải là duy nhất trên toàn cầu và phải được viết dưới 1 định dạng chuẩn.  Mỗi địa chỉ IP được chia thành 2 phần : Phần địa chỉ mạng (Net ID) và Phần địa chỉ trạm (Host ID). + Net ID: Dùng để nhận dạng những hệ thống trong cùng 1 khu vực vật lý còn được gọi là Phân Đoạn (Segment). Mọi hệ thống trong cùng 1 Phân Đoạn phải có cùng Địa Chỉ Mạng và Phần địa chỉ này phải là duy nhất trong số các mạng hiện có. + Host ID: Dùng để nhận dạng 1 trạm làm việc, 1 máy chủ, 1 Router hoặc 1 trạm TCP/IP trong 1 phân đoạn. Phần địa chỉ trạm cũng phải là duy nhất trong 1 mạng.  Giống địa chỉ bưu điện gồm 2 phần: MÃ BƯU ĐIỆN – SỐ NHÀ, TÊN ĐƯỜNG. Địa chỉ IP cũng gồm 2 phần: NET ID – HOST ID. + Phần đầu tiên, NET ID nhận dạng mạng mà máy tính nối tới, tất cả máy tính trong cùng mạng phải có cùng NET ID giống như mọi nhà trong cùng quận phải có cùng MÃ BƯU ĐIỆN. ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp ___________________________________________________________________________ ____________________________________________ Nguyễn Thanh Hiệp 6 + Phần thứ hai, HOST ID xác định máy tính, router hoặc thiết bị mạng khác trong mạng. HOST ID phải là duy nhất trong 1 mạng giống như SỐ NHÀ, TÊN ĐƯỜNG phải là duy nhất trong 1 quận. Hai máy tính có thể có cùng HOST ID nếu NET ID của chúng khác nhau, giống như hai ĐƯỜNG có thể cùng tên nếu như chúng thuộc 2 quận khác nhau.  Sự kết hợp giữa NET ID và HOST ID phải cho phép nhận dạng duy nhất mỗi máy tính riêng biệt. Các địa chỉ IP có chiều dài 32bit được chia thành 4 dãy. Mỗi dãy gồm 8bit (1Byte), mỗi Byte được phân cách = 1 dấu “.”, 1 Byte là 1 giá trị nằm trong khoảng từ 0-255. Cách biểu diễn như vậy gọi là “Kí hiệu thập phân dấu chấm” (Dotted-Decimal Notation) để cho mọi người sử dụng nhớ địa chỉ 1 cách dễ dàng. Tuy nhiên khi xử lý thông tin máy tính lại sử dụng Hệ Nhị Phân (Binary) vì tín hiệu chúng sử dụng để truyền thông chỉ có 2 trạng thái là Bật (1) và Tắt (0). ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp ___________________________________________________________________________ ____________________________________________ Nguyễn Thanh Hiệp 7 Trong 1 Byte , mỗi bit được gán một giá trị. Nếu Bit được đặt là 0 thì nó được gán giá trị 0, nếu Bit được đặt là 1 thì có thể chuyển đổi thành 1 giá trị thập phân. Bit thấp nhất trong Byte tương ứng với 1, Bit cao nhất tương ứng với 128. Vậy giá trị lớn nhất của 1 Byte là 255 tương ứng với trường hợp cả 8 Bit đều được đặt là 1. Ví dụ: Ta sẽ đổi địa chỉ sau: 10101100 00010000 00000101 01111101 sang dạng Kí Hiệu Thập Phân Dấu Chấm. 1.2.6. Địa chỉ IP Public và Địa chỉ IP Private 1.2.6.1. IP Public  Mỗi 1 địa chỉ IP ngoài Internet là duy nhất. Để các Network có những địa chỉ duy nhất ngoài Internet, thì Internet Assigned Numbers Authority (IANA) sẽ chia những khoảng địa chỉ không dự trữ thành những phần nhỏ và ủy thác trách nhiệm phân phối địa chỉ cho các tổ chức Đăng Kí Miền khắp thế giới. Những tổ chức đó là Asia-Pacific Network Information Center (APNIC), American Registry for Internet Numbers (ARIN), and Réseaux IP Européens ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp ___________________________________________________________________________ ____________________________________________ Nguyễn Thanh Hiệp 8 (RIPE NCC). Những tổ chức này sẽ phân phối những khối địa chỉ đến 1 số nhà các Internet Service Provider (ISP) lớn và các ISP lớn này sau đó sẽ gán những khối nhỏ hơn cho các đại lý và các ISP nhỏ hơn.  ISP sẽ cấp 1 IP Public cho mỗi máy tính của bạn để các máy tính này có thể kết nối trực tiếp đến ISP. Các địa chỉ này được cấp 1 cách tự động dến mỗi máy tính khi máy tính kết nối và có thể là địa chỉ tĩnh nếu đường line của bạn thuê riêng hay các tài khoàn Dial-up. 1.2.6.2. IP Private  IANA đã dự trữ một ít địa chỉ IP mà các địa chỉ này không bao giờ được sử dụng trên Internet. Những địa chỉ IP Private này được sử dụng cho những Host yêu cầu có IP để kết nối nhưng không cần được thấy trên các mạng Public. Ví dụ, 1 user kết nối những máy tính trong mạng TCP/IP ở nhà thì ko cần cấp 1 địa chỉ IP Public cho mỗi Host. User có thể lấy những khoảng IP ở bảng dưới đây để cung cấp địa chỉ cho các Host trong mạng.  Những host có địa chỉ IP Private có thể kết nối đến Internet bằng cách sử dụng 1 Proxy Server hay 1 máy tính chạy Windows Server 2003 đã cấu hình như là 1 Network Address Translation (NAT) Server. Windows Server 2003 cũng tích hợp chức năng Internet Connection Sharing (ICS) để cung cấp dịch vụ NAT đơn giản cho các Client trong mạng Private. 1.2.7. Lớp địa chỉ  Có 5 lớp địa chỉ IP để tạo các mạng có kích thước khác nhau gồm: Lớp A, Lớp B, Lớp C, Lớp D, Lớp E.  TCP/IP hỗ trợ gán địa chỉ lớp A, lớp B, lớp C cho các trạm.  Các lớp này có chiều dài phần NET ID và HOST ID khác nhau nên số lượng Mạng và số lượng Trạm trên mỗi mạng cũng khác nhau. [...]... dụng 2.1.1 Mô tả chung về AVR  AVR là vi điều khiển được thiết kế cho rất nhiều ứng dụng Từ các ứng dụng điều khiển, đo lường  Vi điều khiển AVR có thể coi như là một máy vi tính được tích hợp trên một chíp đơn AVR là vi điều khiển 8 bit ( không thuộc họ vi điều khiển xử lý số DSP ) thiết kế hướng vào mục đích điều khiển Được tích hợp các bộ nhớ EEPROM và bộ nhớ Flash (có thể lập trình được trong... Tìm hiểu về vi điều khiển AVR-Micro Atmega64L  Hãng Atmel đã từ lâu nổi tiếng với chíp vi điều khiển họ 89Cxx phù hợp với các ứng dụng đơn giản Chuyển sang họ AVR, Atmel đã thêm vào chip vi điều khiển này nhiều tính năng mà chíp họ 8051 không có như là ADC, PWM, BUS I2C, 2 Wire v.v , để giúp cho người sử dụng có thêm nhiều tính năng để sử dụng 2.1.1 Mô tả chung về AVR  AVR là vi điều khiển được thiết... cầu Một hệ thống điều khiển có thể cung cấp rất nhiều thuận lợi và do đó nó có thể thực hiện theo các phần khác nhau Nhưng nó cũng trở nên khó khăn khi hệ thống chỉ có 8bit điều khiển, với vài trăm byte RAM và giới hạn bộ nhớ chương trình sử dụng Thêm vào đó là truy cập hệ thống điều khiển, người dùng phải đặc biệt chú ý ứng dụng chính Một TCP/IP Stack nó kết hợp chặt chẽ với ứng dụng chính là tương... /MOSI, /MISO  Ở W5100, SPI_EN là chân dùng để điều khiển SPI 1.3.2.1.6 Một số ứng dụng W5100  Thiết bị mạng gia đình: Hộp nối, PVRs, chuyển đổi nguồn số  Bộ nối tiếp tới ethernet: Bộ điều khiển truy cập, LED hiện thị, Rơle AT không giây… Nguyễn Thanh Hiệp 20 ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp _  Bộ song song tới ethernet: Máy...  USB ethernet: Thiết bị lưu trữ, máy in mạng  GPIO ethernet: Các cảm biến mạng gia đình  Hệ thống bảo vệ: DVRs, camera giám sát thông qua mạng  Sản xuất và chế tạo tự động  Các thiết bị điều khiển ứng dụng trong y tế  Các hệ thống cố định Nguyễn Thanh Hiệp 21 ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp _ Chương 2: Vi Điều Khiển 2.1... 1.3.2.1.5 Thông tin ứng dụng  Việc truyền thông giữa vi điều khiển với chíp ethernet W5100 cung cấp hướng kết nối sau: Theo phương pháp trực tiếp, phương pháp gián tiếp và SPI phương pháp  Truyền thông dùng Ethernet PHY(MAC) a Dùng các phương pháp kết nối trực tiếp  Dùng 15bit địa chỉ và 8bit dữ liệu: /CS, /RD, /WR, /INT Nguyễn Thanh Hiệp 19 ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp ... thống và thường được sử dụng để điều khiển hệ thống đa nhiệm hoặc là không Nguyễn Thanh Hiệp 13 ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp _ Hình 4 : Biểu diễn sở đồ TCP/IP stack cho vi điều khiển 1.3.2 Hardwired TCP/IP 1.3.2.1.Giới thiệu về chip Ethernet W5100 Nguyễn Thanh Hiệp 14 ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa luận tốt nghiệp ... không đúng thứ tự hoặc bị mất mà không có thông báo Tuy nhiên UDP nhanh và hiệu quả hơn đối với các mục tiêu như kích thước nhỏ và yêu cầu khắt khe về thời gian Do bản chất không trạng thái của nó nên nó hữu dụng đối với việc trả lời các truy vấn nhỏ với số lượng lớn người yêu cầu  Những ứng dụng phổ biến sử dụng UDP như DNS (Domain Name System), ứng dụng streaming media, Voice over IP, Trivial File... luận tốt nghiệp _ Phần lớn các chương trình được viết bằng ngôn ngữ “C” Nó phụ thuộc vào chương trình biên dịch để nó tự động thay đổi các file nguồn Giả sử TCP/IP Stack được thiết kế cho họ vi điều khiển PIC 18 thì nó có thể dễ dàng chạy trong các thiết bị phần cứng của vi điều khiển PIC 18 Cũng giống như TCP/IP chuẩn, TCP/IP Stack cho vi điều. .. TCP/IP Properties Router được ghi rõ tại địa chỉ Default Gateway sau đó sẽ chịu trách nhiệm đưa gói tin đến Mạng 1 cách chính xác 1.3 TCP/IP cho vi điều khiển 1.3.1.TCP/IP stack TCP/IP stack cho vi điều khiển là một bộ chương trình nhằm cung cấp những ứng dụng cơ bản về TCP/IP như HTTP Server, mail client … Nhiều sự bổ sung TCP/IP đều đi theo một cấu trúc phần mềm Phần mềm đó được chia thành nhiều lớp, . TRƯỜNG …………………. KHOA………………………. [[ BÁO CÁO TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: Nghiên cứu ứng dụng chíp điều khiển ethernet W5100 MỤC LỤC Lời mở đầu 0 Chương 1: Tổng Quan. mạng. Do vậy, trong khóa luận này, tôi chọn đề tài Nghiên cứu ứng dụng chíp điều khiển ethernet W5100 , tìm hiểu về một số ứng dụng của chíp liên quan tới mạng. Qua đây, tôi xin gửi lời cảm. những ứng dụng to lớn về Internet mà ngày nay các nhà sản xuất chíp đã thiết kế ra nhiều loại chíp tích hợp nhiều ứng dụng liên quan tới mạng. Do vậy, trong khóa luận này, tôi chọn đề tài “Nghiên