基于ARM和DM9000的网卡接口设计与实现

摘要：针对ARM CPU S3C2410的特点，设计开发了外围网卡接口平台，通过驱动程序对以太网控制芯片DM9000的控制，实现了网络数据传输功能。硬件方面主要涉及以太网网络接口的设计，软件方面主要是设计以太网控制芯片驱动程序。该嵌入式系统网络接入方案具有硬件接口简单、外围器件少、价格低廉、开发周期短等特点。
关键词：ARM; DM9000; 网卡

引言

要实现小型嵌入式设备的Internet接入，TCP/IP首先要解决的是底层硬件问题，即协议的物理层。Ethernet具有成熟的技术、低廉的网络产品、丰富的开发工具和技术支持，当现场总线的发展遇到阻碍时，以太网控制网络技术以其明显的优势得到了迅猛的发展，并逐渐形成了现场总线的新标准——Ethernet。考虑到国内局域网大部分是以太网，随着交换式网络、宽带网络的发展，基于以太网的嵌入式设备Internet接入应用有着现实意义。

在现有嵌入式系统中，大多数选用的是10Mb/s的以太网卡，其传输速率慢，已不能再适应现在人们的要求。而其它10/100Mb/s网卡芯片或工艺复杂或成本较高，不适应工业制造。而DM9000是完全综合的、成本较低的单一快速以太网控制器芯片，具有通用的处理器接口。它被设计为低功耗、高处理性能，而其设计又非常简单，所以可以容易的完成不同系统的软件驱动开发。

DM9000——DAVICOM公司的10/100Mb/s自适应以太网芯片。其特点是：支持8位、16位、32位数据总线宽度；寄存器操作简单有效，有成熟的Linux驱动程序支持；3.3V接口电平；成本相当低廉；还可以使用MII接口和PHY芯片连接。

1         DM9000与S3C2410的连接

1.1   硬件整体电路设计

硬件上要完成DM9000与ARM芯片S3C2410三大总线连接，以及DM9000与以太网水晶接头RJ45的连接。基于ARM 嵌入式系统和以太网的接口如图1。

图1 ARM 嵌入式系统与以太网的接口电路示意图

1.2 DM9000与S3C2410连接

实现DM9000与S3C2410连接，必须对两者间的数据、地址、控制三大总线进行连接和转换。S3C2410是32位微处理器，有32根地址线，支持4GB存储空间。其中0—40000000的1G空间被分为8块128M 空间，分别由NGCS0—NGCS7片选。DM9000为16位以太网控制芯片。图2给出了S3C2410与DM9000的连接方法。

图2 S3C2410与DM9000的逻辑连接

对DM9000读写操作，首先对DM9000正确寻址。AEN (地址允许)是输入引脚片选信号。SA4～SA9是地址总线4～9位，当AEN低且SA9和SA8高，而SA7、SA6、SA5、SA4为低时，则DM9000被选中。

图3 S3C2410与DM9000的连接电路

DM9000 默认I/0 基地址为300H。CMD 引脚用于设置COMMAND 模式，CMD为高时，选择数据端口。CMD为低时，选地址端口。数据端口和地址端口的地址码由下式决定：

DM9000地址端口=高位片选地址+300H+0H

DM9000数据端口=高位片选地址+300H+4H

其中，高位片选地址由S3C2410的NGCS3提供，即为：0X100000000H。

实际设计电路如图3所示，其中nWAIT为读写等待信号。由于在S3C2410中以太网卡的中断为9号中断，所以 EINT9_ETHERNET为中断信号。RESET为网卡芯片重启信号。25MHz OSCILLATOR为芯片提供25MHz的工作频率。（在本图中省去了S3C2410芯片）SD0～SD15数据总线与S3C2410的数据总线连接。

2        DM9000驱动程序描述

2.1 驱动程序整体设计

Linux网络驱动程序的体系结构可划分为从上到下依次为网络协议接口、网络设备接口层、提供实际功能的设备驱动功能层以及网络设备媒介层。Linux内核中提供了网络设备接口级别以上层次的代码，所以移植（或编写）特定网络硬件的驱动程序最主要的工作就是完成设备驱动功能层，主要包括数据的接收、发送等控制。在Linux中所有网络都抽象为一个接口，由结构体 net_device来表示网络设备在内核中的运行情况，即网络设备接口。它既包括了网络设备接口，如回环（loopback）设备，也包括了硬件网络设备接口，如以太网卡。

驱动程序运行时，操作系统先调用检测例程以发现安装的网卡，如网卡支持即插即用，检测例程自动发现网卡参数。否则，驱动程序运行前，设置好网卡参数供驱动程序使用。核心发送数据时，调用驱动程序的发送例程。将数据写入空间，再激活物理发送过程。面向物理层接口程序中断处理例程。当网卡接收数据、发送过程结束或出错时，网卡产生中断，核心调用中断处理例程，再判断中断发生原因，并进行处理。

驱动程序流程如图4，分为主程序和中断服务程序，主程序进行DM9000的初始化和网卡检测、网卡参数获取。中断服务程序以程序查询方式识别中断源，完成相应处理。具体分别如图4(a)和(b)。

图4 DM9000驱动程序流程

在整个过程中，首先要通过检测物理设备的硬件特征判断网络物理设备是否存在，然后决定是否启动这个驱动程序。接着会对设备进行资源配置，比如，即插即用的硬件就可在这个时候进行配置；而在本嵌入式平台上，以太网的MAC地址也在这里指定。配置好硬件占用的资源后，就可向系统申请这些资源，如中断、I/O空间等。最后，对结构体net_device相应的成员变量初始化，使得一个网络设备可被系统使用。

数据包的发送和接收是实现Linux网络驱动程序中关键的过程，对这两个过程处理的好坏将直接影响到网络的整体运行质量。驱动程序中并不存在一个接收方法。应由底层驱动程序来通知系统有数据收到。一般情况下，设备收到数据后都会产生一个中断，在中断处理程序中驱动程序申请一块sk_buff（如定义为skb），从硬件读出数据放到申请好的缓冲区中。

3        DM9000驱动程序测试

3.1   测试环境

在调试过程中，可以先建立可下载的镜像文件。在目标板上先烧入vivi。通过vivi将内核映像下载到目标板运行。而网络驱动是属于BSP的一部分所以会在下载地过程中一同写入目标板。

(1)主机环境  主机环境是在Fedora上运行的Linux的集成交叉开发环境及相关的测试用软件。

(2)目标机环境  目标机的硬件环境是要作为海信商机使用的SBC2410A(ARM920T内核)开发板。

由主机和目标机共同组成了网络驱动程序的测试环境，两者通过串口及网线相连，在调试网络驱动之前要通过串口加载程序。加载了程序之后就可以针对以太网接口来进行相关的测试工作。

3.2   硬件测试

当成功的将DM9000网络芯片的驱动程序加载到Linux内核中后，就要对其进行测试。首先，要进行的就是硬件的测试。因为DM9000有4个GPIO端口，这里我们只要对这4个端口进行测试，如果它们能够正常读写，则可说明DM9000网卡应工作在正常状态下。

在测试程序进行编译运后，运行过程中，用万用表分别测量4个所对应引脚的电压，经测试为3.3V，说明该引脚硬件正常，则芯片工作在正常状态下。

3.3   驱动程序测试

测试过程中在目标机上编写基于TCP协议的tcpServer()任务作为测试用程序，其功能是实现最简单TCP服务器端程序。上位机运行相应的Client客户端程序，由两端组成TCP的Client-Sever系统进行网络接口的速度测试和可靠性的测试。

表4-1 测试项目及结果

测试结论：通过对网络驱动程序的测试，证明所开发的网络驱动程序实现了所有先期设计功能，并在速度上得到了验证，能够满足大批量数据的传输工作。

传送3个包到202.108.9.39，从202.108.9.39接收3个包，无丢失。

本文创新点：S3C2410A内部没有内嵌的专用网卡控制器，因此在以S3C2410A为硬件平台的嵌入式设备中增设网卡模块，必须自行设计接口电路并进行相应的驱动开发，本文使用SBC2410（ARM920T内核)开发板，作为软硬件运行的硬件平台，设计DM9000快速以太网网卡硬件电路并进行驱动程序的开发与实现。

采用此方案设计的网卡接口电路可应用到多种嵌入式设备中，在税控收款机应用中直接经济效益可达20余万元。

参考文献

[1]葛立明，范多旺，陈光武．基于ARM嵌入式以太网接口设计与实现［J］．微计算机信息，2007，5-2：22

[2]于明，范书瑞,曾祥烨ARM9嵌入式系统设计与开发教程[M]. 北京：电子工业出版社，2006

[3]王学龙. ARM微控制器基础与实战[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2003

[4]周立功等..嵌入式设计及Linux驱动开发指南—基于ARM9处理器[M]. 北京：电子工业出版社，2005.2