以太網(wǎng)概述

以太網(wǎng)(Ethernet)是當今局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標準。在以太網(wǎng)中，所有計算機被連接在一條電纜上，采用帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問(CSMA/CD)方法，采用競爭機制和總線拓撲結(jié)構(gòu)?；旧?，以太網(wǎng)由共享傳輸媒體，如雙絞線電纜或同軸電纜、多端口集線器、網(wǎng)橋或交換機構(gòu)成。

按照OSI(Open System Interconnection Reference Model，開放式系統(tǒng)互聯(lián)參考模型)7層參考模型，以太網(wǎng)定義的是物理層(PHY)和數(shù)據(jù)鏈路層(對應以太網(wǎng)的MAC層)的標準。

2 嵌入式處理器上擴展以太網(wǎng)接口

以太網(wǎng)接口控制器主要包括MAC乘PHY兩部分，如圖1所示為嵌入式處理器集成MAC層控制器。

MAC層控制器和PHY的連接是通過MII、RMII等接口實現(xiàn)的。在IEEE802的標準系列中，數(shù)據(jù)鏈路層包括LLC和MAC兩個子層。其中MAC負責完成數(shù)據(jù)幀的封裝、解封、發(fā)送和接受功能。PHY層的結(jié)構(gòu)隨著傳輸速率的不同而有一定的差異。對于1OBaseT等網(wǎng)絡(luò)，從以太網(wǎng)PHY芯片輸出的就是傳輸所需的差分信號。但是還需要一個網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器組成圖2的結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器可起到抑制共模干擾、隔離線路以及阻抗匹配等作用。

本文介紹一種新款網(wǎng)絡(luò)接口芯片DM9000A，它可以很方便的實現(xiàn)與嵌入式CPU的接口，實現(xiàn)擴展以太網(wǎng)口的功能。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(nèi)部帶有16K字節(jié)SRAM用作接收發(fā)送的FIFO緩存;支持8/16bit兩種主機工作模式：通過HP認證的AUTO-Mdix(支持直接互連自動翻轉(zhuǎn))功能;支持TCP/IP加速，減輕CPU負擔，提高整機效能;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，從而實現(xiàn)自動初始化。

芯片和處理器的連接原理圖就不列圖表示了，處理器這里選擇AT91RM9200，DM9000A與處理器連接時要注意：

◆總線寬度讀/寫等待周期、時序匹配問題

◆CS8900A芯片復位后，在總線上的默認地址如何配置與保存

◆默認的中斷號及中斷觸發(fā)模式問題(上升沿，還是下降沿;低電平，還是高電平觸發(fā))

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進入數(shù)據(jù)收發(fā)等待狀態(tài)。當 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的相應寄存器內(nèi)，使能發(fā)送。當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，如果幀頭標志有誤或存在CRC校驗錯誤，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，并通過中斷標志位通知AT91RM9200，由AT91RM9200對DM9000A接收到的數(shù)據(jù)進行處理。

3 Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序

3.1 Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序體系結(jié)構(gòu)

Linux的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要是基于BSD UNIX的套接字(socket)機制。在系統(tǒng)和驅(qū)動程序之間定義有專門的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(sk_buff)進行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)支持對發(fā)送數(shù)據(jù)緩存，提供流量控制機制，提供對多協(xié)議的支持。Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序的體系結(jié)構(gòu)可劃分為圖2所示的4個層次.Linux內(nèi)核中提供了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口及以上層次的代碼，所以移植(或編寫)特定網(wǎng)絡(luò)硬件的驅(qū)動程序最主要的工作就是完成設(shè)備驅(qū)動功能層，主要是包括數(shù)據(jù)的接收，發(fā)送等控制。

Linux中所有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都抽象為一個接口，有結(jié)構(gòu)體struct net_device來表示網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在內(nèi)核中的運行情況，即網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口，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。網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動就是要實現(xiàn)這些具體的設(shè)備方法。

3.2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的初始化

由結(jié)構(gòu)體net_device中的init函數(shù)指針所指向的初始化函數(shù)來完成。網(wǎng)絡(luò)的初始化是設(shè)備工作的第一步。當系統(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。

3.3 打開設(shè)備和關(guān)閉設(shè)備

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DMOOOOA需要完成的初始化包括：對DM9000A內(nèi)部上電，軟件復位，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_jrq()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)送隊列。

這里對DM9000A的中斷設(shè)計做了一個特殊處理：通常AT91RM9200提供最多32個中斷源，默認提供7個外部中斷源，但對于較復雜的嵌入式系統(tǒng)，可能會面臨中斷源不夠用的情況。由于AT9lRM9200的PIO可以實現(xiàn)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(tǒng)中，設(shè)計 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)負擔。

3.4 數(shù)據(jù)包發(fā)送

數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收是實現(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)動程序的整體運行質(zhì)量。

數(shù)據(jù)傳輸通過hard_start_xmit函數(shù)實現(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)送時檢測傳輸隊例暫時滿載時就要通過netif_stop_queue來暫停，當發(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，對硬件復位操作。[!--empirenews.page--]

3.5 數(shù)據(jù)包接收

數(shù)據(jù)包的接收是通過中斷處理，當有數(shù)據(jù)到達時，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)，需要進行復位。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。

最后，可通過兩種方法加載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序：系統(tǒng)內(nèi)核加載和模塊加載。

4 網(wǎng)絡(luò)的應用及測試

通過讀取/proc/net中的信息得到當前系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，通過它來測試：

#cat/proc/net/dev

Linux網(wǎng)絡(luò)配置可在應用程序中通過ifconfig和router兩個命令實現(xiàn)，它們都可以在busybox軟件包中找到。可用以下命令來配置ip、網(wǎng)關(guān)、子網(wǎng)掩碼和域名解析服務(wù)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，通過Ping命令，來測試一下和主機的通信是否聯(lián)通。在本系統(tǒng)中通過。

在嵌入式應用程序開發(fā)及調(diào)試中，NFS起著非常重要的應用。不但可以通過NFS文件系統(tǒng)共享遠程硬盤的文件，我們還可以mount遠程文件系統(tǒng)直接作為嵌入式的根文件系統(tǒng)。

5 結(jié)論

本文完成了Linux下擴展以太網(wǎng)接口及測試網(wǎng)絡(luò)接口的研究，采用了以太網(wǎng)芯片DM9000，圍繞太分析了嵌入式Linux 網(wǎng)絡(luò)的基本原理。最后我的嵌入式設(shè)備順利連上網(wǎng)絡(luò)。同時本文為移植2.6內(nèi)核的網(wǎng)絡(luò)部分提供了移植方法。