千兆網(wǎng)絡(luò)接口在S3C2440A系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：本文介紹了一種在ARM 微處理器S3C2440A應(yīng)用系統(tǒng)中加入千兆以太網(wǎng)接口的設(shè)計(jì)方案，闡述了總體設(shè)計(jì)方法，分析了在設(shè)計(jì)過程中需要解決的一些技術(shù)問題和難點(diǎn),重點(diǎn)分析了系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：S3C2440A；嵌入式系統(tǒng)；千兆以太網(wǎng)；Linux；驅(qū)動(dòng)

嵌入式系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在工業(yè)測(cè)控、智能儀表、智能家庭等很多領(lǐng)域。隨著嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的日益普及，使得越來越多的嵌入式系統(tǒng)需要網(wǎng)絡(luò)功能。三星公司S3C2440A是國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的嵌入式微處理器之一，在S3C2440A應(yīng)用系統(tǒng)中，目前只支持10/100M的網(wǎng)絡(luò)接口，有很大的實(shí)用價(jià)值，既可以拓展S3C2440A的應(yīng)用領(lǐng)域，也可以給其它嵌入式系統(tǒng)高速接入網(wǎng)絡(luò)提供一種簡(jiǎn)單易行的參考。

設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)主要由S3C2440A、存儲(chǔ)器、AX88180、千兆PHY芯片88E1111、嵌入式Linux、網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序等組成(見圖1)。嵌入式Linux內(nèi)核負(fù)責(zé)系統(tǒng)任務(wù)的管理并集成TCP/IP協(xié)議，方便實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能控制。S3C2440A負(fù)責(zé)整個(gè)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(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)AX88180內(nèi)部寄存器編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，從而完成網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。AX88180與88E1111之間采用RGMII接口方式互連，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳送底層協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。
這里簡(jiǎn)要介紹一下S3C2440A與AX88180器件，這兩個(gè)器件是通信控制的主體。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

S3C2440A是基于ARM920T 核的16/32 位RISC微處理器，運(yùn)行頻率高達(dá)500MHz，主要面向手持設(shè)備以及高性價(jià)比、低功耗的應(yīng)用，適用于開發(fā)各類高端手持、小型終端以及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用產(chǎn)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(tái)灣亞信公司推出的一款Non-PCI千兆以太網(wǎng)控制芯片，內(nèi)置1000Mbps以太網(wǎng)媒體存取控制器(MAC)；有40KBytes SRAM網(wǎng)絡(luò)封包緩存器；硬件支持IP/TCP/UDP checksum offloads。它可以十分方便地實(shí)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(wǎng)絡(luò)、高頻寬傳輸?shù)阮I(lǐng)域，如數(shù)字媒體、家用網(wǎng)關(guān)及IP電視等。

硬件設(shè)計(jì)

由于硬件電路比較復(fù)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(shù)據(jù)總線D0-D31、讀寫信號(hào)等可以直接連接，AX88180的40M~100M時(shí)鐘信號(hào)由S3C2440A提供，AX88180中斷信號(hào)與S3C2440A EINT11相連，整個(gè)接口電路無需外加電路；AX88180與PHY芯片之間采用簡(jiǎn)化的千兆比特媒體獨(dú)立接口RGMII接口，信號(hào)一一對(duì)應(yīng)直接相連即可。

圖2 S2C2440A、AX88180與88E1111接口電路

軟件設(shè)計(jì)

從整體角度考慮，Linux網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以分為硬件層、設(shè)備驅(qū)動(dòng)層、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層和應(yīng)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(yīng)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(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)。

在嵌入式Linux中，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序的框架可分為四層，分別為協(xié)議接口層、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口層、設(shè)備驅(qū)動(dòng)功能層、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)媒介層，這個(gè)框架在內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)模塊中已經(jīng)搭建完成，在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序的時(shí)候，要做的主要工作就是根據(jù)上層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口層定義的device結(jié)構(gòu)和底層具體的硬件特性，來完成設(shè)備驅(qū)動(dòng)的功能。驅(qū)動(dòng)程序主要由初始化、打開、關(guān)閉、數(shù)據(jù)接收及發(fā)送等函數(shù)組成。

初始化函數(shù) 

初始化函數(shù)完成網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的初始化，由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)device中的init函數(shù)指針來調(diào)用，加載AX88180驅(qū)動(dòng)模塊后，就會(huì)調(diào)用初始化過程。該首先通過檢測(cè)物理設(shè)備的硬件特征來檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)物理設(shè)備是否存在，之后配置設(shè)備所需要的資源,比如中斷等。這些過程完成后，就要構(gòu)造設(shè)備設(shè)備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用檢測(cè)到的數(shù)據(jù)初始化其相關(guān)變量，最后向Linux內(nèi)核注冊(cè)設(shè)備并申請(qǐng)內(nèi)存空間。

打開函數(shù)

打開函數(shù)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中是在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備狀態(tài)由down狀態(tài)轉(zhuǎn)為up狀態(tài)時(shí)，即被激活的時(shí)候被調(diào)用,有很多AX88180及88E1111的初始化工作可以放在這里做。在驅(qū)動(dòng)程序作為一個(gè)模塊被裝入時(shí),打開函數(shù)還要防止模塊卸載時(shí)設(shè)備處于打開狀態(tài)。

關(guān)閉函數(shù)

關(guān)閉函數(shù)和打開函數(shù)做相反的工作,是在設(shè)備狀態(tài)由up轉(zhuǎn)為down時(shí)被調(diào)用的，作用是釋放資源以減少系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。在驅(qū)動(dòng)程序作為模塊裝入時(shí)，關(guān)閉函數(shù)還要減少設(shè)備被引用的次數(shù)，以便卸載驅(qū)動(dòng)程序。

發(fā)送函數(shù)

發(fā)送函數(shù)是網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序的關(guān)鍵過程之一，它與dev->hard_start_xmit連接，在內(nèi)核通過設(shè)備向外發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)調(diào)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(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的xmit時(shí)，發(fā)送的數(shù)據(jù)放在一個(gè)sk_buff結(jié)構(gòu)中，發(fā)送到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)地址，再由AX88180發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。如果發(fā)送成功，hard_start_xmit釋放sk_buff，返回0；如果設(shè)備暫時(shí)無法處理，則返回1。硬件在發(fā)送結(jié)束后產(chǎn)生中斷。

中斷和接收函數(shù)

中斷和接收函數(shù)也是驅(qū)動(dòng)程序的關(guān)鍵過程之一，如果有數(shù)據(jù)收到，AX88180會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷通知系統(tǒng)，在中斷處理程序中驅(qū)動(dòng)程序申請(qǐng)一塊sk_buff()，從AX88180讀出數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，然后丟棄幀頭。之后還要設(shè)置skb->pkt_type，標(biāo)明鏈路層數(shù)據(jù)類型，最后調(diào)用netif_rx()把數(shù)據(jù)傳送給協(xié)議層。

下面是發(fā)送函數(shù)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(jié)語

本文介紹的千兆網(wǎng)絡(luò)接口在S3C2440A系統(tǒng)中的應(yīng)用方案已經(jīng)得以實(shí)現(xiàn)，1000 Full- duplex模式下，數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到200Mbp，在使用FTP下載數(shù)據(jù)時(shí)，速度可以達(dá)到4Mbps以上，是使用100M網(wǎng)絡(luò)接口的5~6倍。如果使用其它更高速度的微處理器，網(wǎng)絡(luò)接口的速度會(huì)更高。■

參考文獻(xiàn):
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3. Allan Chou. Ax88180.c.ASIX Electronics Corporation.2005