以太網(wǎng)接口芯片DM9000A在嵌入式系統中的應用

　　以太網(wǎng)接口芯片DM9000A在嵌入式系統中的應用

　　目前，網(wǎng)絡(luò )技術(shù)在電子產(chǎn)品中的應用越來(lái)越廣，更多的嵌入式設備需要提供網(wǎng)絡(luò )接口，以方便與外部互聯(lián)通訊?，F在流行的大多數嵌入式CPU(如ARM、PPC)都提供了此類(lèi)接口，但對于一些相對復雜的嵌入式系統來(lái)說(shuō)，可能需要擴展以太網(wǎng)口，以滿(mǎn)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)現與嵌入式CPU的接口，實(shí)現擴展以太網(wǎng)口的功能。

DM9000A

　　DM9000A是中國臺灣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；內部帶有16K字節SRAM用作接收發(fā)送的FIFO緩存；支持8/16bit兩種主機工作模式；通過(guò)HP認證的AUTO-Mdix(支持直接互連自動(dòng)翻轉)功能；支持TCP/IP加速(IPV4 check sum offload)減輕CPU負擔，提高整機效能；10ns I/O讀寫(xiě)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)現自動(dòng)初始化。

硬件接口設計

　　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(xiàn)方式連接，本文設計的系統CPU為AT91RM9200，它是一個(gè)采用ARM核的32位微處理器。二者的接口設計如圖1。

圖1 DM9000A與AT91RM9200硬件連接

　　系統上電時(shí)，AT91RM9200通過(guò)總線(xiàn)配置DM9000A內部網(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)入數據收發(fā)等待狀態(tài)。當AT91RM9200向以太網(wǎng)發(fā)送數據時(shí)，先將數據打包成UDP或IP數據包，并通過(guò)16 bit總線(xiàn)發(fā)送到DM9000A的數據發(fā)送緩存中，然后將數據長(cháng)度等信息填充到DM9000A的相應寄存器內，使能發(fā)送。當DM9000A接收到外部網(wǎng)絡(luò )送來(lái)的以太網(wǎng)數據時(shí)，首先檢測數據幀的合法性，如果幀頭標志有誤或存在CRC校驗錯誤，則將該幀數據丟棄。否則將數據幀緩存到內部RAM，并通過(guò)中斷標志位通知AT91RM9200，由AT91RM9200對DM9000A接收到的數據進(jìn)行處理。

Linux驅動(dòng)實(shí)現

　　Linux網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)體系結構

　　在Linux操作系統中的設備驅動(dòng)，根據各類(lèi)外圍I/O設備的不同，分為三類(lèi)，即字符設備(如鍵盤(pán)、LCD) 驅動(dòng)、塊設備(如硬盤(pán)、CF卡) 驅動(dòng)和網(wǎng)絡(luò )設備(如網(wǎng)卡) 驅動(dòng)。 Linux網(wǎng)絡(luò )設備驅動(dòng)程序結構上由四部分組成(圖2)：網(wǎng)絡(luò )協(xié)議接口，網(wǎng)絡(luò )設備接口，設備驅動(dòng)功能層及網(wǎng)絡(luò )設備介質(zhì)。

圖2 Linux網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)體系結構

　　設計開(kāi)發(fā)Linux網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序時(shí)，最主要的工作就是完成設備驅動(dòng)功能層。類(lèi)似于對字符設備和塊設備的處理，為了屏蔽網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中物理網(wǎng)絡(luò )設備的多樣性，Linux利用面向對象的思想對所有的網(wǎng)絡(luò )物理設備進(jìn)行抽象，定義了一個(gè)統一的接口。對于所有網(wǎng)絡(luò )硬件的訪(fǎng)問(wèn)都是通過(guò)接口進(jìn)行的，接口向用戶(hù)提供了一個(gè)對于所有類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò )硬件一致化的操作集合。Linux內核提供的統一網(wǎng)絡(luò )設備結構為net_device，此結構體位于網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)層的核心地位。

　　net_device 中有很多供系訪(fǎng)問(wèn)和協(xié)議層調用的設備方法，其中包括：

• 　　dev->open：打開(kāi)設備。open方法應當注冊網(wǎng)絡(luò )設備需要的任何系統資源( I/O 口，IRQ， DMA等)，打開(kāi)硬件，進(jìn)行設備要求的其他設置。

• 　　dev—>stop：停止設備。 該函數應當恢復在打開(kāi)時(shí)進(jìn)行的操作。

• 　　dev->hard_start_xmit：發(fā)送報文。

• 　　dev->tx_timeout：發(fā)送超時(shí)調用的方法,它應當處理這個(gè)問(wèn)題并恢復報文發(fā)送。

• 　　dev->set_mac_address：修改網(wǎng)絡(luò )的硬件MAC地址。

　　網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)就是要實(shí)現這些具體的設備方法。

設備初始化

　　網(wǎng)絡(luò )的初始化是設備工作的第一步。當系統加載網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)模塊的時(shí)候，就會(huì )調用初始化過(guò)程。首先利用函數request_mem_region映射DM9000A的數據、地址端口，通過(guò)dmfe_probe函數檢測網(wǎng)絡(luò )物理設備是否存在，檢測DM9000A內部串行NIC的值是否正確，然后再對設備進(jìn)行資源配置，構造設備的net_device數據結構。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 )設備被激活的時(shí)被調用，具體DM9000A的硬件初始化工作放到這里來(lái)做。對于DM9000A需要完成的初始化包括：對DM9000A內部上電，軟件復位，通過(guò)NCR寄存器設置網(wǎng)絡(luò )工作模式,可以選擇設置內部或者外部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，使能數據接收功能。調用request_irq()申請中斷號登記中斷處理函數，調用netif_carrier_on偵測連接狀態(tài)。

　　啟動(dòng)定時(shí)器，調用netif_start_queue激活設備發(fā)送隊列。

　　這里對DM9000A的中斷設計做了一個(gè)特殊處理：通常AT91RM9200提供最多32個(gè)中斷源，默認提供7個(gè)外部中斷源，但對于較復雜的嵌入式系統，可能會(huì )面臨中斷源不夠用的情況。由于A(yíng)T91RM9200的PIO可以實(shí)現功能復用，因此可以把多余的IO引腳配置為可用的中斷源。故本系統中，設計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)寄存器中區分具體哪個(gè)引腳引起中斷，然后轉向特定的中斷處理函數執行操作，就可以實(shí)現中斷處理。

　　close所做的工作和open相反，主要釋放open獲得的資源，以減少系統負擔。

數據包發(fā)送

　　數據包的發(fā)送和接收是實(shí)現Linux網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序中兩個(gè)最關(guān)鍵的過(guò)程，對這兩個(gè)過(guò)程處理的好壞將直接影響到驅動(dòng)程序的整體運行質(zhì)量。

　　數據傳輸通過(guò)hard_start_xmit函數實(shí)現，首先把存放在套接字緩沖區中的數據發(fā)送到網(wǎng)絡(luò )芯片DM9000A內部的TX FIFO SRAM中，該緩沖區是由數據結構sk_buff表示，把要傳送的數據長(cháng)度寫(xiě)入DM9000A中的傳輸包長(cháng)度寄存器TXPLL和TXPLH中。然后使能傳輸。如果數據發(fā)送成功，則會(huì )觸發(fā)一次中斷。

　　實(shí)際中會(huì )出現多個(gè)數據幀傳輸，需要考慮做并發(fā)處理。在發(fā)送時(shí)檢測傳輸隊例暫時(shí)滿(mǎn)載時(shí)就要通過(guò)netif_stop_queue來(lái)暫停，當發(fā)送完成觸發(fā)中斷處理時(shí)，調用netif_wake_queue函數來(lái)重新啟動(dòng)傳輸隊例。

　　網(wǎng)絡(luò )傳輸由于系統忙或硬件的問(wèn)題發(fā)生延遲，則會(huì )調用傳送超時(shí)處理函數tx_timeout，對硬件復位操作。

數據包接收

　　數據包的接收是通過(guò)中斷處理，當有數據到達時(shí)，就產(chǎn)生中斷信號，網(wǎng)絡(luò )設備驅動(dòng)功能層就調用數據包接收程序來(lái)處理數據包的接收，然后網(wǎng)絡(luò )協(xié)議接口層調用netif_rx函數把接收到的數據包傳輸到網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的上層進(jìn)行處理。

　　DM9000A接收緩存區中的每幀數據由4字節長(cháng)的首部、有效數據和CRC校驗序列構成。首部4字節依次是01H、以太網(wǎng)幀狀態(tài)、以太網(wǎng)幀長(cháng)度低字節和長(cháng)度高字節，數據包接收程序首先檢測如果第一個(gè)字節是01H，則說(shuō)明有數據；如果是00H，則說(shuō)明無(wú)數據，需要進(jìn)行復位。然后調用函數dev_alloc_skb申請一塊sk_buff結構緩沖區，從DM9000A讀出數據放置到緩沖區里，根據獲取的長(cháng)度信息，判斷是否讀完一幀。如果讀完，接著(zhù)讀下一幀，直到遇到首字節是00H的幀，說(shuō)明接收數據已讀完。接下來(lái)填充sk_buff中的一些信息，使之成為規范的sk_buff結構，最后調用netif_rx()函數將接收到的數據傳輸到網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的上層。

結語(yǔ)

　　該設計成功用于某網(wǎng)絡(luò )測試設備的主控模塊上，可以通過(guò)以太網(wǎng)接入Internet，從而實(shí)現從Internet上監控嵌入式設備。

參考文獻：

　　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 )驅動(dòng)程序的研究與實(shí)現，現代電子技術(shù)，2005，16

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

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