嵌入式系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)及l(fā)inux驅(qū)動(dòng)

1 以太網(wǎng)概述
    以太網(wǎng)(Ethernet)是當(dāng)今局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。在以太網(wǎng)中，所有計(jì)算機(jī)被連接在一條電纜上，采用帶沖突檢測(cè)的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)(CSMA／CD)方法，采用競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制和總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?；旧?，以太網(wǎng)由共享傳輸媒體，如雙絞線電纜或同軸電纜、多端口集線器、網(wǎng)橋或交換機(jī)構(gòu)成。
    按照OSI(Open System Interconnection Reference Model，開放式系統(tǒng)互聯(lián)參考模型)7層參考模型，以太網(wǎng)定義的是物理層(PHY)和數(shù)據(jù)鏈路層(對(duì)應(yīng)以太網(wǎng)的MAC層)的標(biāo)準(zhǔn)。

2 嵌入式處理器上擴(kuò)展以太網(wǎng)接口
    以太網(wǎng)接口控制器主要包括MAC乘PHY兩部分，如圖1所示為嵌入式處理器集成MAC層控制器。

    MAC層控制器和PHY的連接是通過(guò)MII、RMII等接口實(shí)現(xiàn)的。在IEEE802的標(biāo)準(zhǔn)系列中，數(shù)據(jù)鏈路層包括LLC和MAC兩個(gè)子層。其中MAC負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)幀的封裝、解封、發(fā)送和接受功能。PHY層的結(jié)構(gòu)隨著傳輸速率的不同而有一定的差異。對(duì)于1OBaseT等網(wǎng)絡(luò)，從以太網(wǎng)PHY芯片輸出的就是傳輸所需的差分信號(hào)。但是還需要一個(gè)網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器組成圖2的結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器可起到抑制共模干擾、隔離線路以及阻抗匹配等作用。
    本文介紹一種新款網(wǎng)絡(luò)接口芯片DM9000A，它可以很方便的實(shí)現(xiàn)與嵌入式CPU的接口，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展以太網(wǎng)口的功能。DM9000A是中國(guó)臺(tái)灣DAVICOM公司推出的一款高速以太網(wǎng)接口芯片，其基本特征是：集成10／100M物理層接口；內(nèi)部帶有16K字節(jié)SRAM用作接收發(fā)送的FIFO緩存；支持8／16bit兩種主機(jī)工作模式：通過(guò)HP認(rèn)證的AUTO-Mdix(支持直接互連自動(dòng)翻轉(zhuǎn))功能；支持TCP／IP加速，減輕CPU負(fù)擔(dān)，提高整機(jī)效能；10ns I／O讀寫時(shí)間。DM9000A以太網(wǎng)控制器遵循IEEE頒布的802．3以太網(wǎng)傳輸協(xié)議。該電路還集成了EEPROM接口，自舉時(shí)通過(guò)EEPROM接口輸入到芯片中，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)初始化。
    芯片和處理器的連接原理圖就不列圖表示了，處理器這里選擇AT91RM9200，DM9000A與處理器連接時(shí)要注意：
    ◆總線寬度讀／寫等待周期、時(shí)序匹配問(wèn)題
    ◆CS8900A芯片復(fù)位后，在總線上的默認(rèn)地址如何配置與保存
    ◆默認(rèn)的中斷號(hào)及中斷觸發(fā)模式問(wèn)題(上升沿，還是下降沿；低電平，還是高電平觸發(fā))
    系統(tǒng)上電時(shí)，AT91RM9200通過(guò)總線配置DM9000A
內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)控制寄存器(NCR)、中斷寄存器(ISR)等，完成DM9000A的初始化。隨后，DM9000A進(jìn)入數(shù)據(jù)收發(fā)等待狀態(tài)。當(dāng)AT91RM9200向以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先將數(shù)據(jù)打包成UDP或IP數(shù)據(jù)包，并通過(guò)16 bit總線發(fā)送到DM9000A的數(shù)據(jù)發(fā)送緩存中，然后將數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等信息填充到DM9000A的相應(yīng)寄存器內(nèi)，使能發(fā)送。當(dāng)DM9000A接收到外部網(wǎng)絡(luò)送來(lái)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)時(shí)，首先檢測(cè)數(shù)據(jù)幀的合法性，如果幀頭標(biāo)志有誤或存在CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤，則將該幀數(shù)據(jù)丟棄。否則將數(shù)據(jù)幀緩存到內(nèi)部RAM，并通過(guò)中斷標(biāo)志位通知AT91RM9200，由AT91RM9200對(duì)DM9000A接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

3 Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序
3．1 Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序體系結(jié)構(gòu)
    Linux的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要是基于BSD UNIX的套接字(socket)機(jī)制。在系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)程序之間定義有專門的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(sk_buff)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)支持對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)緩存，提供流量控制機(jī)制，提供對(duì)多協(xié)議的支持。Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序的體系結(jié)構(gòu)可劃分為圖2所示的4個(gè)層次．Linux內(nèi)核中提供了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口及以上層次的代碼，所以移植(或編寫)特定網(wǎng)絡(luò)硬件的驅(qū)動(dòng)程序最主要的工作就是完成設(shè)備驅(qū)動(dòng)功能層，主要是包括數(shù)據(jù)的接收，發(fā)送等控制。[!--empirenews.page--]

    Linux中所有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都抽象為一個(gè)接口，有結(jié)構(gòu)體struct net_device來(lái)表示網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在內(nèi)核中的運(yùn)行情況，即網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口，此結(jié)構(gòu)體位于網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)層的核心地位。net_device中有很多供系訪問(wèn)和協(xié)議層調(diào)用的設(shè)備方法。網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)就是要實(shí)現(xiàn)這些具體的設(shè)備方法。
3．2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的初始化
    由結(jié)構(gòu)體net_device中的init函數(shù)指針?biāo)赶虻某跏蓟瘮?shù)來(lái)完成。網(wǎng)絡(luò)的初始化是設(shè)備工作的第一步。當(dāng)系統(tǒng)加載網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)模塊的時(shí)候，就會(huì)調(diào)用初始化過(guò)程。首先利用函數(shù)：request_mem_region映射DM9000A的數(shù)據(jù)、地址端口，通過(guò)dmfe_probe函數(shù)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)物理設(shè)備是否存在，檢測(cè)DM9000A內(nèi)部串行NIC的值是否正確，然后再對(duì)設(shè)備進(jìn)行資源配置，構(gòu)造設(shè)備的net_device數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。包括一些低層硬件信息：base_addr(網(wǎng)絡(luò)接口的I／O基地址)，irq(安排的中斷號(hào))等。
3．3 打開設(shè)備和關(guān)閉設(shè)備
    open方法在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備被激活的時(shí)被調(diào)用，具體DM9000A的硬件初始化工作放到這里來(lái)做。對(duì)于DMOOOOA需要完成的初始化包括：對(duì)DM9000A內(nèi)部上電，軟件復(fù)位，通過(guò)NCR寄存器設(shè)置網(wǎng)絡(luò)工作模式，可以選擇設(shè)置內(nèi)部或者外部PHY、全雙工或者半雙工模式、使能喚醒事件等網(wǎng)絡(luò)操作，對(duì)RX／TX中斷使能，使能數(shù)據(jù)接收功能。調(diào)用request_jrq()申請(qǐng)中斷號(hào)登記中斷處理函數(shù)，調(diào)用netif_carrier_on偵測(cè)連接狀態(tài)。啟動(dòng)定時(shí)器，調(diào)用netif_start_queue激活設(shè)備發(fā)送隊(duì)列。
    這里對(duì)DM9000A的中斷設(shè)計(jì)做了一個(gè)特殊處理：通常AT91RM9200提供最多32個(gè)中斷源，默認(rèn)提供7個(gè)外部中斷源，但對(duì)于較復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)，可能會(huì)面臨中斷源不夠用的情況。由于AT9lRM9200的PIO可以實(shí)現(xiàn)功能復(fù)用，因此可以把多余的IO引腳配置為可用的中斷源。故本系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)DM9000A中斷源與AT91RM9200外部I／O口PD8引腳相連。一個(gè)PIO端口的32個(gè)引腳共享一個(gè)中斷ID，只需要在中斷狀態(tài)寄存器中區(qū)分具體哪個(gè)引腳引起中斷，然后轉(zhuǎn)向特定的中斷處理函數(shù)執(zhí)行操作，就可以實(shí)現(xiàn)中斷處理。close所做的工作和open相反，主要釋放open獲得的資源，以減少系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。
3．4 數(shù)據(jù)包發(fā)送
    數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收是實(shí)現(xiàn)Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序中兩個(gè)最關(guān)鍵的過(guò)程，對(duì)這兩個(gè)過(guò)程處理的好壞將直接影響到驅(qū)動(dòng)程序的整體運(yùn)行質(zhì)量。
    數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)hard_start_xmit函數(shù)實(shí)現(xiàn)，首先把存放在套接字緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)芯片DM9000A內(nèi)部的TX FIFO SRAM中，該緩沖區(qū)是由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)sk buff表示，把要傳送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度寫入DM9000A中的傳輸包長(zhǎng)度寄存器TXPLL和TXPLH中。然后使能傳輸。如果數(shù)據(jù)發(fā)送成功，則會(huì)觸發(fā)一次中斷。實(shí)際中會(huì)出現(xiàn)多個(gè)數(shù)據(jù)幀傳輸，需要考慮做并發(fā)處理。在發(fā)送時(shí)檢測(cè)傳輸隊(duì)例暫時(shí)滿載時(shí)就要通過(guò)netif_stop_queue來(lái)暫停，當(dāng)發(fā)送完成觸發(fā)中斷處理時(shí)，調(diào)用netif_wake_queue函數(shù)來(lái)重新啟動(dòng)傳輸隊(duì)例。網(wǎng)絡(luò)傳輸由于系統(tǒng)忙或硬件的問(wèn)題發(fā)生延遲，則會(huì)調(diào)用傳送超時(shí)處理函數(shù)tx_timeout，對(duì)硬件復(fù)位操作。
3．5 數(shù)據(jù)包接收
    數(shù)據(jù)包的接收是通過(guò)中斷處理，當(dāng)有數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，就產(chǎn)生中斷信號(hào)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)功能層就調(diào)用數(shù)據(jù)包接收程序來(lái)處理數(shù)據(jù)包的接收，然后網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接口層調(diào)用netif_rx函數(shù)把接收到的數(shù)據(jù)包傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)協(xié)議的上層進(jìn)行處理。
    DM9000A接收緩存區(qū)中的每幀數(shù)據(jù)由4字節(jié)長(zhǎng)的首部、有效數(shù)據(jù)和CRC校驗(yàn)序列構(gòu)成。首部4字節(jié)依次是01H、以太網(wǎng)幀狀態(tài)、以太網(wǎng)幀長(zhǎng)度低字節(jié)和長(zhǎng)度高字節(jié)，數(shù)據(jù)包接收程序首先檢測(cè)如果第一個(gè)字節(jié)是01H，則說(shuō)明有數(shù)據(jù)；如果是00H，則說(shuō)明無(wú)數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行復(fù)位。然后調(diào)用函數(shù)dev_alloc_skb申請(qǐng)一塊sK_buff結(jié)構(gòu)緩沖區(qū)，從DM9000A讀出數(shù)據(jù)放置到緩沖區(qū)里，根據(jù)獲取的長(zhǎng)度信息，判斷是否讀完一幀。如果讀完，接著讀下一幀，直到遇到首字節(jié)是00H的幀，說(shuō)明接收數(shù)據(jù)已讀完。接下來(lái)填充sK_buff中的一些信息，使之成為規(guī)范的sk_buff結(jié)構(gòu)，最后調(diào)用netif_rx()函數(shù)將接收到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)協(xié)議的上層。[!--empirenews.page--]
    最后，可通過(guò)兩種方法加載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序：系統(tǒng)內(nèi)核加載和模塊加載。

4 網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用及測(cè)試
    通過(guò)讀?。痯roc／net中的信息得到當(dāng)前系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，通過(guò)它來(lái)測(cè)試：
    #cat／proc／net／dev
    Linux網(wǎng)絡(luò)配置可在應(yīng)用程序中通過(guò)ifconfig和router兩個(gè)命令實(shí)現(xiàn)，它們都可以在busybox軟件包中找到?？捎靡韵旅顏?lái)配置ip、網(wǎng)關(guān)、子網(wǎng)掩碼和域名解析服務(wù)器：
    # ifconfig eth0 192.168.0.11O
    # route add -net default gw 192.168.0.254 netmask 255.255.255.0
    # nameserver 202.106.196.115
    最后，通過(guò)Ping命令，來(lái)測(cè)試一下和主機(jī)的通信是否聯(lián)通。在本系統(tǒng)中通過(guò)。
    在嵌入式應(yīng)用程序開發(fā)及調(diào)試中，NFS起著非常重要的應(yīng)用。不但可以通過(guò)NFS文件系統(tǒng)共享遠(yuǎn)程硬盤的文件，我們還可以mount遠(yuǎn)程文件系統(tǒng)直接作為嵌入式的根文件系統(tǒng)。

5 結(jié)論
    本文完成了Linux下擴(kuò)展以太網(wǎng)接口及測(cè)試網(wǎng)絡(luò)接口的研究，采用了以太網(wǎng)芯片DM9000，圍繞太分析了嵌入式Linux 網(wǎng)絡(luò)的基本原理。最后我的嵌入式設(shè)備順利連上網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)本文為移植2.6內(nèi)核的網(wǎng)絡(luò)部分提供了移植方法。