嵌入式系统的以太网接口设计及linux驱动

1 以太网概述
    以太网(Ethernet)是当今局域网采用的最通用的通信协议标准。在以太网中，所有计算机被连接在一条电缆上，采用带冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA／CD)方法，采用竞争机制和总线拓扑结构。基本上，以太网由共享传输媒体，如双绞线电缆或同轴电缆、多端口集线器、网桥或交换机构成。
    按照OSI(Open System Interconnection Reference Model，开放式系统互联参考模型)7层参考模型，以太网定义的是物理层(PHY)和数据链路层(对应以太网的MAC层)的标准。

2 嵌入式处理器上扩展以太网接口
    以太网接口控制器主要包括MAC乘PHY两部分，如图1所示为嵌入式处理器集成MAC层控制器。

    MAC层控制器和PHY的连接是通过MII、RMII等接口实现的。在IEEE802的标准系列中，数据链路层包括LLC和MAC两个子层。其中MAC负责完成数据帧的封装、解封、发送和接受功能。PHY层的结构随着传输速率的不同而有一定的差异。对于1OBaseT等网络，从以太网PHY芯片输出的就是传输所需的差分信号。但是还需要一个网络隔离变压器组成图2的结构。网络隔离变压器可起到抑制共模干扰、隔离线路以及阻抗匹配等作用。
    本文介绍一种新款网络接口芯片DM9000A，它可以很方便的实现与嵌入式CPU的接口，实现扩展以太网口的功能。DM9000A是中国台湾DAVICOM公司推出的一款高速以太网接口芯片，其基本特征是：集成10／100M物理层接口；内部带有16K字节SRAM用作接收发送的FIFO缓存；支持8／16bit两种主机工作模式：通过HP认证的AUTO-Mdix(支持直接互连自动翻转)功能；支持TCP／IP加速，减轻CPU负担，提高整机效能；10ns I／O读写时间。DM9000A以太网控制器遵循IEEE颁布的802．3以太网传输协议。该电路还集成了EEPROM接口，自举时通过EEPROM接口输入到芯片中，从而实现自动初始化。
    芯片和处理器的连接原理图就不列图表示了，处理器这里选择AT91RM9200，DM9000A与处理器连接时要注意：
    ◆总线宽度读／写等待周期、时序匹配问题
    ◆CS8900A芯片复位后，在总线上的默认地址如何配置与保存
    ◆默认的中断号及中断触发模式问题(上升沿，还是下降沿；低电平，还是高电平触发)
    系统上电时，AT91RM9200通过总线配置DM9000A
内部网络控制寄存器(NCR)、中断寄存器(ISR)等，完成DM9000A的初始化。随后，DM9000A进入数据收发等待状态。当AT91RM9200向以太网发送数据时，先将数据打包成UDP或IP数据包，并通过16 bit总线发送到DM9000A的数据发送缓存中，然后将数据长度等信息填充到DM9000A的相应寄存器内，使能发送。当DM9000A接收到外部网络送来的以太网数据时，首先检测数据帧的合法性，如果帧头标志有误或存在CRC校验错误，则将该帧数据丢弃。否则将数据帧缓存到内部RAM，并通过中断标志位通知AT91RM9200，由AT91RM9200对DM9000A接收到的数据进行处理。

3 Linux网络驱动程序
3．1 Linux网络驱动程序体系结构
    Linux的网络系统主要是基于BSD UNIX的套接字(socket)机制。在系统和驱动程序之间定义有专门的数据结构(sk_buff)进行数据传输。系统支持对发送数据缓存，提供流量控制机制，提供对多协议的支持。Linux网络驱动程序的体系结构可划分为图2所示的4个层次．Linux内核中提供了网络设备接口及以上层次的代码，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，主要是包括数据的接收，发送等控制。[!--empirenews.page--]

    Linux中所有的网络设备都抽象为一个接口，有结构体struct 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，此结构体位于网络驱动层的核心地位。net_device中有很多供系访问和协议层调用的设备方法。网络驱动就是要实现这些具体的设备方法。
3．2 网络设备的初始化
    由结构体net_device中的init函数指针所指向的初始化函数来完成。网络的初始化是设备工作的第一步。当系统加载网络驱动模块的时候，就会调用初始化过程。首先利用函数：request_mem_region映射DM9000A的数据、地址端口，通过dmfe_probe函数检测网络物理设备是否存在，检测DM9000A内部串行NIC的值是否正确，然后再对设备进行资源配置，构造设备的net_device数据结构。包括一些低层硬件信息：base_addr(网络接口的I／O基地址)，irq(安排的中断号)等。
3．3 打开设备和关闭设备
    open方法在网络设备被激活的时被调用，具体DM9000A的硬件初始化工作放到这里来做。对于DMOOOOA需要完成的初始化包括：对DM9000A内部上电，软件复位，通过NCR寄存器设置网络工作模式，可以选择设置内部或者外部PHY、全双工或者半双工模式、使能唤醒事件等网络操作，对RX／TX中断使能，使能数据接收功能。调用request_jrq()申请中断号登记中断处理函数，调用netif_carrier_on侦测连接状态。启动定时器，调用netif_start_queue激活设备发送队列。
    这里对DM9000A的中断设计做了一个特殊处理：通常AT91RM9200提供最多32个中断源，默认提供7个外部中断源，但对于较复杂的嵌入式系统，可能会面临中断源不够用的情况。由于AT9lRM9200的PIO可以实现功能复用，因此可以把多余的IO引脚配置为可用的中断源。故本系统中，设计DM9000A中断源与AT91RM9200外部I／O口PD8引脚相连。一个PIO端口的32个引脚共享一个中断ID，只需要在中断状态寄存器中区分具体哪个引脚引起中断，然后转向特定的中断处理函数执行操作，就可以实现中断处理。close所做的工作和open相反，主要释放open获得的资源，以减少系统负担。
3．4 数据包发送
    数据包的发送和接收是实现Linux网络驱动程序中两个最关键的过程，对这两个过程处理的好坏将直接影响到驱动程序的整体运行质量。
    数据传输通过hard_start_xmit函数实现，首先把存放在套接字缓冲区中的数据发送到网络芯片DM9000A内部的TX FIFO SRAM中，该缓冲区是由数据结构sk buff表示，把要传送的数据长度写入DM9000A中的传输包长度寄存器TXPLL和TXPLH中。然后使能传输。如果数据发送成功，则会触发一次中断。实际中会出现多个数据帧传输，需要考虑做并发处理。在发送时检测传输队例暂时满载时就要通过netif_stop_queue来暂停，当发送完成触发中断处理时，调用netif_wake_queue函数来重新启动传输队例。网络传输由于系统忙或硬件的问题发生延迟，则会调用传送超时处理函数tx_timeout，对硬件复位操作。
3．5 数据包接收
    数据包的接收是通过中断处理，当有数据到达时，就产生中断信号，网络设备驱动功能层就调用数据包接收程序来处理数据包的接收，然后网络协议接口层调用netif_rx函数把接收到的数据包传输到网络协议的上层进行处理。
    DM9000A接收缓存区中的每帧数据由4字节长的首部、有效数据和CRC校验序列构成。首部4字节依次是01H、以太网帧状态、以太网帧长度低字节和长度高字节，数据包接收程序首先检测如果第一个字节是01H，则说明有数据；如果是00H，则说明无数据，需要进行复位。然后调用函数dev_alloc_skb申请一块sK_buff结构缓冲区，从DM9000A读出数据放置到缓冲区里，根据获取的长度信息，判断是否读完一帧。如果读完，接着读下一帧，直到遇到首字节是00H的帧，说明接收数据已读完。接下来填充sK_buff中的一些信息，使之成为规范的sk_buff结构，最后调用netif_rx()函数将接收到的数据传输到网络协议的上层。[!--empirenews.page--]
    最后，可通过两种方法加载网络设备驱动程序：系统内核加载和模块加载。

4 网络的应用及测试
    通过读取／proc／net中的信息得到当前系统中的网络设备，通过它来测试：
    #cat／proc／net／dev
    Linux网络配置可在应用程序中通过ifconfig和router两个命令实现，它们都可以在busybox软件包中找到。可用以下命令来配置ip、网关、子网掩码和域名解析服务器：
    # 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，通过Ping命令，来测试一下和主机的通信是否联通。在本系统中通过。
    在嵌入式应用程序开发及调试中，NFS起着非常重要的应用。不但可以通过NFS文件系统共享远程硬盘的文件，我们还可以mount远程文件系统直接作为嵌入式的根文件系统。

5 结论
    本文完成了Linux下扩展以太网接口及测试网络接口的研究，采用了以太网芯片DM9000，围绕太分析了嵌入式Linux 网络的基本原理。最后我的嵌入式设备顺利连上网络。同时本文为移植2.6内核的网络部分提供了移植方法。