S3C44B0X+μcLinux的嵌入式以太網(wǎng)設計與分析

　　隨著(zhù)半導體技術(shù)的飛速發(fā)展，嵌入式產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應用于軍事、消費電子、網(wǎng)絡(luò )通信、工業(yè)控制等各個(gè)領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò )化是嵌入式系統發(fā)展的必然趨勢。嵌入式Linux 作為具有開(kāi)放的源代碼、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò )性能、可裁減等諸多優(yōu)點(diǎn)的操作系統，非常適合用于具有網(wǎng)絡(luò )功能的嵌入式系統。本文介紹了以S3C44B0X 的ARM處理器和RTL8019AS 以太網(wǎng)控制器為基礎的網(wǎng)絡(luò )接口設計，并闡述了怎樣在嵌入式操作系統μcLinux 下實(shí)現對網(wǎng)卡的驅動(dòng)。

　　S3C44B0X 處理器介紹

　　ARM是業(yè)界著(zhù)名的芯片設計IP 供應商，其32 位RISC 微處理器占據了全球80%以上的市場(chǎng)份額。ARM7 系列處理器也是目前市場(chǎng)上最成熟、應用最廣的處理器。SAMSUNG 公司推出的S3C44B0X 就是以ARM7TDMI 為內核的一款16/32 位RISC 處理器。它采用0.25μm CMOS 工藝制造，為手持設備和一般應用提供了高性?xún)r(jià)比和高性能的微處理器解決方案。S3C44B0X 通過(guò)提供全面的、通用的片上外設，大大減少了外圍的元器件配置，從而使系統成本大為降低。S3C44B0X 芯片的內部結構如圖1 所示。

網(wǎng)絡(luò )接口的電路設計

　　在介紹電路設計之前，先簡(jiǎn)要介紹一下網(wǎng)絡(luò )控制器RTL8019AS 的情況。RTL8019AS 是臺灣REALTEK公司生產(chǎn)的一款性?xún)r(jià)比很高的、帶有即插即用功能的全雙工以太網(wǎng)控制器。它內部集成了兩塊RAM，一塊16KB，地址為0x4000~0x7FFF；一塊32 字節，地址為0x0000～0x001F。16K 的RAM用作收發(fā)數據的緩沖區，一般將0x4000～0x46FF 作為發(fā)送緩沖區，0x4700～0x7FFF 作為接收緩沖區。圖2 是針對S3C44B0X，用RTL8019AS、74LV138（3- 8 譯碼器）、FB2022（網(wǎng)卡變壓器）設計的以太網(wǎng)接口電路。

　　該電路數據寬度為16 位，使用外部中斷EXINT3。處理器的片選信號nGCS1 和A16、A17、A18 通過(guò)74LV138 輸出為網(wǎng)卡的使能控制端。nOE 和nWE控制網(wǎng)卡的讀寫(xiě)，nRESET 控制網(wǎng)卡的復位，FB2022起變壓濾波的作用。

μcLinux 操作系統和網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)開(kāi)發(fā)介紹

本系統為什么要選擇μcLinux

　　Linux以其開(kāi)放的源代碼、強大的網(wǎng)絡(luò )功能等諸多優(yōu)點(diǎn)而成為當今流行的操作系統之一。μcLinux 從Linux 內核派生而來(lái)，沿襲了Linux 的大部分特性，專(zhuān)門(mén)針對沒(méi)有MMU（存儲器管理單元）的CPU，并且為嵌入式系統做了很多小型化工作，它內核小，但功能強大，系統健壯，并且具有廣泛的硬件支持特性，是一個(gè)優(yōu)秀的嵌入式操作系統。S3C44B0X 正是一款沒(méi)有MMU 的處理器，所以在該系統中，操作系統選擇μcLinux 是非常合適的。

μcLinux 下網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)介

　　μcLinux 和Linux 下驅動(dòng)的實(shí)現過(guò)程基本相同。linux 將所有的設備看作具體的文件，通過(guò)文件系統層對設備進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。所以在linux/uclinux 的框架結構中，和設備相關(guān)的處理可以分為兩個(gè)層次— —文件系統層和設備驅動(dòng)層。設備驅動(dòng)層屏蔽具體設備的細節，文件系統層則向用戶(hù)提供一組統一的規范的用戶(hù)接口。這種設備管理方法可以很好的做到“設備無(wú)關(guān)性”，使linux/uclinux 可以根據硬件外設的發(fā)展進(jìn)行方便的擴展，比如要實(shí)現一個(gè)設備驅動(dòng)程序，只要根據具體的硬件特性向文件系統提供一組訪(fǎng)問(wèn)接口即可。整個(gè)設備管理子系統的結構如圖3 所示。

　　在Linux/μclinux 中，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )接口驅動(dòng)程序的框架可分為四層，從上到下分別為協(xié)議接口層、網(wǎng)絡(luò )設備接口層、提供實(shí)際功能的設備驅動(dòng)功能層、以及網(wǎng)絡(luò )設備和網(wǎng)絡(luò )媒介層。這個(gè)框架在內核網(wǎng)絡(luò )模塊中已經(jīng)搭建好了，我們在設計網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序時(shí)，要做的主要工作就是根據上層網(wǎng)絡(luò )設備接口層定義的net_device結構和底層具體的硬件特性，完成設備驅動(dòng)的功能。在網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序部分主要有兩個(gè)數據結構，一個(gè)是sk_buff，TCP/IP 中不同協(xié)議層間以及和網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序之間數據包的傳遞都是通過(guò)這個(gè)結構體來(lái)完成的，這個(gè)結構體主要包括傳輸層、網(wǎng)絡(luò )層、連接層需要的變量，決定數據區位置和大小的指針，以及發(fā)送接收數據包所用到的具體設備信息等。它的詳細定義可參閱內核源代碼。

　　另一個(gè)就是net_device 結構，它的定義在中。這個(gè)結構是網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序的核心，它定義了很多供系統訪(fǎng)問(wèn)和協(xié)議層調用的設備標準的方法，包括供設備初始化和往系統注冊用的init 函數，打開(kāi)和關(guān)閉網(wǎng)絡(luò )設備的open 和stop 函數，處理數據包發(fā)送的函數hard_start_xmit，以及中斷處理函數等，接口狀態(tài)統計函數等。

RTL8019AS 驅動(dòng)程序的實(shí)現

　　嵌入式系統開(kāi)發(fā)中，設備驅動(dòng)的編寫(xiě)會(huì )占用很大的工作量。下面詳細介紹在本系統中網(wǎng)卡驅動(dòng)程序設計的步驟。

　　* 初始化函數

　　static int RTL8019_init(struct net_device *dev)

　　{

　　調用ether_setup (dev) 函數設置通用的以太網(wǎng)接口；

　　填充net_device 數據結構的屬性字段；

　　調用kmalloc 申請需要的內存空間；

　　手動(dòng)設置MAC 地址；

　　}

　　* 設備打開(kāi)與關(guān)閉函數

　　static int RTL8019_open(struct net_device *dev)

　　{

　　關(guān)閉中斷；

　　注冊中斷號和I/O 地址；

　　初始化設備的寄存器；

　　使能中斷；

　　}

　　設備關(guān)閉函數與打開(kāi)函數的動(dòng)作相反。

　　* 數據包發(fā)送函數

　　static int RTL8019_sendpacket(struct sk_buff *skb,

　　struct net_device *dev)

　　{

　　將標志位tbusy 打開(kāi)；

　　將數據包寫(xiě)入RTL8019 的發(fā)送緩沖區，啟動(dòng)DMA 發(fā)送功能；

　　釋放緩沖區；

　　}

　　* 數據包接收函數

　　static int RTL8019_rx( int irq, void *dev_id, structpt_regs *regs)

　　{

　　申請skb 緩存區存儲新的數據包；

　　從硬件中讀取新到達的數據；

　　調用函數netif_rx()，將新的數據包向網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的上一層傳送；

　　}

　　最后，將驅動(dòng)程序編譯進(jìn)內核，由于μcLinux 不支持模塊動(dòng)態(tài)加載，因此必須使用靜態(tài)編譯的方法。如果一切正常的話(huà)，使用ifconfig、route add 命令設置IP地址和子網(wǎng)掩碼，網(wǎng)卡就能正常工作了。

　　結束語(yǔ)

　　RTL8019AS 以太網(wǎng)控制器以其優(yōu)良的性能在嵌入式系統中得到了廣泛的應用，而μcLinux行通信和交換數據。試驗表明，用HPI 接口在C5416和S3C4510B 間通信滿(mǎn)足嵌入式系統的實(shí)時(shí)性要求。