以太網(wǎng)接口芯片DM9000A在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用

目前，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越廣，更多的嵌入式設(shè)備需要提供網(wǎng)絡(luò)接口，以方便與外部互聯(lián)通訊。現(xiàn)在流行的大多數(shù)嵌入式CPU(如ARM、PPC)都提供了此類接口，但對于一些相對復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)來說，可能需要擴(kuò)展以太網(wǎng)口，以滿足網(wǎng)絡(luò)通訊需要。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

　　DM9000A是中國***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HP認(rèn)證的AUTO-Mdix(支持直接互連自動翻轉(zhuǎn))功能；支持TCP/IP加速(IPV4 check sum offload)減輕CPU負(fù)擔(dān)，提高整機(jī)效能；10ns I/O讀寫時間。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，自舉時通過EEPROM接口輸入到芯片中，從而實(shí)現(xiàn)自動初始化。

　　硬件接口設(shè)計(jì)

　　DM9000A可以很方便的與目前主流的嵌入式CPU以8位或16位的總線方式連接，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)CPU為AT91RM9200，它是一個采用ARM核的32位微處理器。二者的接口設(shè)計(jì)如圖1。

圖1  DM9000A與AT91RM9200硬件連接

　　系統(tǒng)上電時，AT91RM9200通過總線配置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，先將數(shù)據(jù)打包成UDP或IP數(shù)據(jù)包，并通過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)送來的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)時，首先檢測數(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，并通過中斷標(biāo)志位通知AT91RM9200，由AT91RM9200對DM9000A接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

　　Linux驅(qū)動實(shí)現(xiàn)

　　Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動體系結(jié)構(gòu)

　　在Linux操作系統(tǒng)中的設(shè)備驅(qū)動，根據(jù)各類外圍I/O設(shè)備的不同，分為三類，即字符設(shè)備(如鍵盤、LCD) 驅(qū)動、塊設(shè)備(如硬盤、CF卡) 驅(qū)動和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(如網(wǎng)卡) 驅(qū)動。 Linux網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)上由四部分組成(圖2)：網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接口，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口，設(shè)備驅(qū)動功能層及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備介質(zhì)。

圖2  Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動體系結(jié)構(gòu)

　　設(shè)計(jì)開發(fā)Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序時，最主要的工作就是完成設(shè)備驅(qū)動功能層。類似于對字符設(shè)備和塊設(shè)備的處理，為了屏蔽網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的多樣性，Linux利用面向?qū)ο蟮乃枷雽λ械木W(wǎng)絡(luò)物理設(shè)備進(jìn)行抽象，定義了一個統(tǒng)一的接口。對于所有網(wǎng)絡(luò)硬件的訪問都是通過接口進(jìn)行的，接口向用戶提供了一個對于所有類型的網(wǎng)絡(luò)硬件一致化的操作集合。Linux內(nèi)核提供的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)設(shè)備結(jié)構(gòu)為net_device，此結(jié)構(gòu)體位于網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動層的核心地位。

　　net_device 中有很多供系訪問和協(xié)議層調(diào)用的設(shè)備方法，其中包括： 

• 　　dev->open：打開設(shè)備。open方法應(yīng)當(dāng)注冊網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要的任何系統(tǒng)資源( I/O 口，IRQ， DMA等)，打開硬件，進(jìn)行設(shè)備要求的其他設(shè)置。
• 　　dev—>stop：停止設(shè)備。 該函數(shù)應(yīng)當(dāng)恢復(fù)在打開時進(jìn)行的操作。
• 　　dev->hard_start_xmit：發(fā)送報(bào)文。
• 　　dev->tx_timeout：發(fā)送超時調(diào)用的方法,它應(yīng)當(dāng)處理這個問題并恢復(fù)報(bào)文發(fā)送。
• 　　dev->set_mac_address：修改網(wǎng)絡(luò)的硬件MAC地址。

　　網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動就是要實(shí)現(xiàn)這些具體的設(shè)備方法。

　　設(shè)備初始化

　　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)動模塊的時候，就會調(diào)用初始化過程。首先利用函數(shù)request_mem_region映射DM9000A的數(shù)據(jù)、地址端口，通過dmfe_probe函數(shù)檢測網(wǎng)絡(luò)物理設(shè)備是否存在，檢測DM9000A內(nèi)部串行NIC的值是否正確，然后再對設(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)等。

open方法在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備被激活的時被調(diào)用，具體DM9000A的硬件初始化工作放到這里來做。對于DM9000A需要完成的初始化包括：對DM9000A內(nèi)部上電，軟件復(fù)位，通過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RX／TX中斷使能，使能數(shù)據(jù)接收功能。調(diào)用request_irq()申請中斷號登記中斷處理函數(shù)，調(diào)用netif_carrier_on偵測連接狀態(tài)。

　　啟動定時器，調(diào)用netif_start_queue激活設(shè)備發(fā)送隊(duì)列。

　　這里對DM9000A的中斷設(shè)計(jì)做了一個特殊處理：通常AT91RM9200提供最多32個中斷源，默認(rèn)提供7個外部中斷源，但對于較復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)，可能會面臨中斷源不夠用的情況。由于AT91RM9200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PIO端口的32個引腳共享一個中斷ID，只需要在中斷狀態(tài)寄存器中區(qū)分具體哪個引腳引起中斷，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)。

　　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)動程序中兩個最關(guān)鍵的過程，對這兩個過程處理的好壞將直接影響到驅(qū)動程序的整體運(yùn)行質(zhì)量。

　　數(shù)據(jù)傳輸通過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)長度寫入DM9000A中的傳輸包長度寄存器TXPLL和TXPLH中。然后使能傳輸。如果數(shù)據(jù)發(fā)送成功，則會觸發(fā)一次中斷。

　　實(shí)際中會出現(xiàn)多個數(shù)據(jù)幀傳輸，需要考慮做并發(fā)處理。在發(fā)送時檢測傳輸隊(duì)例暫時滿載時就要通過netif_stop_queue來暫停，當(dāng)發(fā)送完成觸發(fā)中斷處理時，調(diào)用netif_wake_queue函數(shù)來重新啟動傳輸隊(duì)例。

　　網(wǎng)絡(luò)傳輸由于系統(tǒng)忙或硬件的問題發(fā)生延遲，則會調(diào)用傳送超時處理函數(shù)tx_timeout，對硬件復(fù)位操作。

　　數(shù)據(jù)包接收

　　數(shù)據(jù)包的接收是通過中斷處理，當(dāng)有數(shù)據(jù)到達(dá)時，就產(chǎn)生中斷信號，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動功能層就調(diào)用數(shù)據(jù)包接收程序來處理數(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)幀長度低字節(jié)和長度高字節(jié)，數(shù)據(jù)包接收程序首先檢測如果第一個字節(jié)是01H，則說明有數(shù)據(jù)；如果是00H，則說明無數(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，說明接收數(shù)據(jù)已讀完。接下來填充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。

　　結(jié)語

　　該設(shè)計(jì)成功用于某網(wǎng)絡(luò)測試設(shè)備的主控模塊上，可以通過以太網(wǎng)接入Internet，從而實(shí)現(xiàn)從Internet上監(jiān)控嵌入式設(shè)備。

　　參考文獻(xiàn)：

　　1. Davicom Corporation,DM9000A Application Notes V1.20, 2005

　　2. Lessandro Rubini,Jonathan Corbet. Linux Device Drivers, second  edition，O’Reilly & Associates,2002

　　3. 李方軍、金煒東，嵌入式Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序的研究與實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)代電子技術(shù)，2005，16

　　4. Atmel Corporation, AT91RM9200 Datasheet, version E, 2005