千兆網絡接口在S3C2440A系統(tǒng)中的應用

摘要：本文介紹了一種在ARM 微處理器S3C2440A應用系統(tǒng)中加入千兆以太網接口的設計方案，闡述了總體設計方法，分析了在設計過程中需要解決的一些技術問題和難點,重點分析了系統(tǒng)中網絡設備驅動程序的結構及設計。

關鍵詞：S3C2440A；嵌入式系統(tǒng)；千兆以太網；Linux；驅動

嵌入式系統(tǒng)廣泛應用在工業(yè)測控、智能儀表、智能家庭等很多領域。隨著嵌入式系統(tǒng)應用范圍的不斷擴展及網絡應用的日益普及，使得越來越多的嵌入式系統(tǒng)需要網絡功能。三星公司S3C2440A是國內應用較多的嵌入式微處理器之一，在S3C2440A應用系統(tǒng)中，目前只支持10/100M的網絡接口，有很大的實用價值，既可以拓展S3C2440A的應用領域，也可以給其它嵌入式系統(tǒng)高速接入網絡提供一種簡單易行的參考。

設計方案

本系統(tǒng)主要由S3C2440A、存儲器、AX88180、千兆PHY芯片88E1111、嵌入式Linux、網絡驅動程序等組成(見圖1)。嵌入式Linux內核負責系統(tǒng)任務的管理并集成TCP/IP協(xié)議，方便實現(xiàn)網絡功能控制。S3C2440A負責整個系統(tǒng)的控制，它與AX88180以總線方式連接，是通信控制的主體。S3C2440A通過網絡驅動程序實現(xiàn)對AX88180內部寄存器編程，實現(xiàn)對以太網數據的發(fā)送和接收，從而完成網絡與系統(tǒng)之間的數據傳輸。AX88180與88E1111之間采用RGMII接口方式互連，負責數據傳送底層協(xié)議的實現(xiàn)。
這里簡要介紹一下S3C2440A與AX88180器件，這兩個器件是通信控制的主體。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

S3C2440A是基于ARM920T 核的16/32 位RISC微處理器，運行頻率高達500MHz，主要面向手持設備以及高性價比、低功耗的應用，適用于開發(fā)各類高端手持、小型終端以及網絡應用產品，具有非常豐富的片上資源，比如LCD、SDRAM、NAND FLASH、DMA、AD、PWM控制器，以及UART、USB、攝像頭、觸摸屏、IIC、IIS、SPI、SD、MMC、AC97等接口。

AX88180是臺灣亞信公司推出的一款Non-PCI千兆以太網控制芯片，內置1000Mbps以太網媒體存取控制器(MAC)；有40KBytes SRAM網絡封包緩存器；硬件支持IP/TCP/UDP checksum offloads。它可以十分方便地實現(xiàn)與一般16/32位微處理器連接，可以象SRAM一樣被訪問。它符合IEEE 802.3/IEEE 802.3u/IEEE 802.3ab協(xié)議，適用于串流媒體、多媒體網絡、高頻寬傳輸等領域，如數字媒體、家用網關及IP電視等。

硬件設計

由于硬件電路比較復雜，這里只給出核心電路連接，如圖2所示。S3C2440A與AX88180之間采用總線方式相連，地址總線A2-A15、數據總線D0-D31、讀寫信號等可以直接連接，AX88180的40M~100M時鐘信號由S3C2440A提供，AX88180中斷信號與S3C2440A EINT11相連，整個接口電路無需外加電路；AX88180與PHY芯片之間采用簡化的千兆比特媒體獨立接口RGMII接口，信號一一對應直接相連即可。

圖2 S2C2440A、AX88180與88E1111接口電路

軟件設計

從整體角度考慮，Linux網絡系統(tǒng)可以分為硬件層、設備驅動層、網絡協(xié)議層和應用層。在S3C2440A系統(tǒng)上移植有嵌入式Linux、集成TCP/IP等協(xié)議棧，應用層的程序可以自己編寫也可以移植，這里我們主要分析一下設備驅動程序的實現(xiàn)。

在嵌入式Linux中，整個網絡驅動程序的框架可分為四層，分別為協(xié)議接口層、網絡設備接口層、設備驅動功能層、網絡設備和網絡媒介層，這個框架在內核網絡模塊中已經搭建完成，在設計驅動程序的時候，要做的主要工作就是根據上層網絡設備接口層定義的device結構和底層具體的硬件特性，來完成設備驅動的功能。驅動程序主要由初始化、打開、關閉、數據接收及發(fā)送等函數組成。

初始化函數 

初始化函數完成網絡設備的初始化，由數據結構device中的init函數指針來調用，加載AX88180驅動模塊后，就會調用初始化過程。該首先通過檢測物理設備的硬件特征來檢測網絡物理設備是否存在，之后配置設備所需要的資源,比如中斷等。這些過程完成后，就要構造設備設備數據結構，用檢測到的數據初始化其相關變量，最后向Linux內核注冊設備并申請內存空間。

打開函數

打開函數在網絡設備驅動程序中是在網絡設備狀態(tài)由down狀態(tài)轉為up狀態(tài)時，即被激活的時候被調用,有很多AX88180及88E1111的初始化工作可以放在這里做。在驅動程序作為一個模塊被裝入時,打開函數還要防止模塊卸載時設備處于打開狀態(tài)。

關閉函數

關閉函數和打開函數做相反的工作,是在設備狀態(tài)由up轉為down時被調用的，作用是釋放資源以減少系統(tǒng)負擔。在驅動程序作為模塊裝入時，關閉函數還要減少設備被引用的次數，以便卸載驅動程序。

發(fā)送函數

發(fā)送函數是網絡驅動程序的關鍵過程之一，它與dev->hard_start_xmit連接，在內核通過設備向外發(fā)送數據時調用它。系統(tǒng)給AX88180分配一塊64K的地址空間, 其中8000H-FBFFH作為發(fā)送緩沖區(qū)地址，在系統(tǒng)調用驅動程序的xmit時，發(fā)送的數據放在一個sk_buff結構中，發(fā)送到數據緩沖區(qū)地址，再由AX88180發(fā)送到網絡上。如果發(fā)送成功，hard_start_xmit釋放sk_buff，返回0；如果設備暫時無法處理，則返回1。硬件在發(fā)送結束后產生中斷。

中斷和接收函數

中斷和接收函數也是驅動程序的關鍵過程之一，如果有數據收到，AX88180會產生一個中斷通知系統(tǒng)，在中斷處理程序中驅動程序申請一塊sk_buff()，從AX88180讀出數據并放置到接收緩沖區(qū)地址0000H~7000H里，然后來填充sk_buff中的一些信息，由skb->dev = dev判斷收到幀的協(xié)議類型，填入skb->protocol，再把指針skb->mac.raw指向硬件數據，然后丟棄幀頭。之后還要設置skb->pkt_type，標明鏈路層數據類型，最后調用netif_rx()把數據傳送給協(xié)議層。

下面是發(fā)送函數部分代碼：
static int ax88180_start_xmit (struct sk_buff *skb, struct net_device *global_dev)
{ struct _AX88180_PRIVATE *pax88180_local;
 unsigned char *txdata;
 unsigned long TXDES_addr;
 unsigned long txcmd_txdp, txbs_txdp;
 unsigned long txdes0_val, txdes1_val, txdes2_val, txdes3_val;
 unsigned long tmp_data;
 int i;
 pax88180_local = (struct _AX88180_PRIVATE *) global_dev->priv;
 txdata = skb->data;
 netif_stop_queue(global_dev);
 pax88180_local->FirstTxDesc = pax88180_local->NextTxDesc;
 txbs_txdp = 1 << pax88180_local->FirstTxDesc; i = 0;
 READ_MACREG(TXBS, tmp_data);
 READ_MACREG(TXBS, tmp_data);
  ...
 PRINTK(TX_MSG, "ax88180: ax88180_start_xmit end ..........nn");
 return 0;}[3]

結語

本文介紹的千兆網絡接口在S3C2440A系統(tǒng)中的應用方案已經得以實現(xiàn)，1000 Full- duplex模式下，數據傳輸速率可以達到200Mbp，在使用FTP下載數據時，速度可以達到4Mbps以上，是使用100M網絡接口的5~6倍。如果使用其它更高速度的微處理器，網絡接口的速度會更高?！?/P>

參考文獻:
1. 曲延濱.在TMS320VC5402上實現(xiàn)的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧[J]. 單片機及嵌入式系統(tǒng)應用. 2005
2. 于明.ARM9嵌入式系統(tǒng)設計與開發(fā)教程[M].電子工業(yè)出版社.2006年4月　
3. Allan Chou. Ax88180.c.ASIX Electronics Corporation.2005