SAM4E單片機(jī)之旅——22、GMAC和PHY的介紹與初始化

　　網(wǎng)絡(luò)通信的作用不用多說(shuō)，而這次進(jìn)行的工作即是對(duì)以太網(wǎng)通信過(guò)程中，需要用到的硬件部分進(jìn)行初始化，也介紹了發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的方法。

　　由于較為復(fù)雜，所以使用了ASF框架。但是也會(huì)對(duì)用到的庫(kù)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)做一個(gè)介紹。

　　一、 MAC、PHY和MII

　　IEEE 802.3是現(xiàn)在常用的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，它定義了物理層(Physical Layer， PHY)和介質(zhì)訪問(wèn)控制層(Media Access Control， MAC)的標(biāo)準(zhǔn)。另外，在OSI模型中，MAC則處于數(shù)據(jù)鏈路層的底層。

　　而在硬件實(shí)現(xiàn)上，M4使用的GMAC外設(shè)實(shí)現(xiàn)了802.3中MAC的功能。開發(fā)板攜帶型號(hào)為KSZ8051MNL的PHY芯片以及RJ45接口則實(shí)現(xiàn)了物理層的功能：

　　MAC和PHY之間交互的接口則是介質(zhì)獨(dú)立接口(Media Independent Interface，MII)。MII包含一個(gè)數(shù)據(jù)通信接口，以及一個(gè)管理接口(Management Data Input/Output ，MDIO)。由于PHY的接口是面向MAC的，所以我們需要通過(guò)MAC來(lái)對(duì)PHY進(jìn)行管理及數(shù)據(jù)交互。

　　另外，更早制定的Ethernet II幀則是現(xiàn)在以太網(wǎng)傳輸中常使用的幀格式。

　　二、 GMAC的DMA緩沖區(qū)

　　GMAC使用了一個(gè)DMA接口。和M4的通用DMAC一樣，它也可以自動(dòng)進(jìn)行多次傳輸，但是方式稍微有點(diǎn)區(qū)別。GMAC的DMA 對(duì)發(fā)送和接收使用不同的緩沖區(qū)列表，而緩沖區(qū)描述符列表是一個(gè)數(shù)組，而不是DMAC所使用的鏈表。數(shù)組的起始位置保存在寄存器(GMAC_RBQB、GMAC_TBQB)中，且緩沖區(qū)描述符中有一個(gè)字段(Wrap)指示其是否為數(shù)組中的最后一個(gè)描述符。如接收緩沖區(qū)：

　　在工作過(guò)程中，DMA會(huì)順序訪問(wèn)每個(gè)緩沖區(qū)描述符，而在訪問(wèn)最后一個(gè)描述符時(shí)，就會(huì)重新開始遍歷。

　　對(duì)于接收緩沖，列表中每一個(gè)緩沖區(qū)的長(zhǎng)度是一樣的，這個(gè)長(zhǎng)度由DMA配置寄存器(GMAC_DCFGR)中的DRBS字段指定。在DMA將數(shù)據(jù)寫入接收緩沖時(shí)，也會(huì)設(shè)置描述符相應(yīng)的字段，以表明每幀的起始與結(jié)束;同時(shí)，也會(huì)標(biāo)注相關(guān)的信息，如是否為廣播幀等。

　　對(duì)于發(fā)送緩沖，其幀長(zhǎng)度、是否需要添加CRC等控制信息也均在描述符中表示。在準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)后，向GMAC_NCR寄存器寫入TSTART字段即可觸發(fā)發(fā)送操作。

　　三、 使用ASF初始化GMAC

　　由于PHY是通過(guò)MAC訪問(wèn)的，所有在設(shè)置PHY前要完成GMAC的設(shè)置。

　　GMAC約有94個(gè)寄存器，其中約有40個(gè)為統(tǒng)計(jì)寄存器，約15個(gè)寄存器與1588和PTP相關(guān)，約15個(gè)寄存器與特殊地址和ID有關(guān)。另外，在有些狀態(tài)寄存器中，需要向特定位寫入1才會(huì)清除該位的狀態(tài)。

　　使用的ASF模塊為Ethernet GMAC，然后conf_eth.h中可以設(shè)置MAC地址，IP地址，子網(wǎng)掩碼，網(wǎng)關(guān)以及緩沖區(qū)大小等參數(shù)。

　　然后調(diào)用gmac_dev_init( ) 函數(shù)即可對(duì)GMAC進(jìn)行初始化：

　　pmc_enable_periph_clk(ID_GMAC);

　　// MAC地址

　　uint8_t mac_address[] =

　　{ ETHERNET_CONF_ETHADDR0, ETHERNET_CONF_ETHADDR1,

　　ETHERNET_CONF_ETHADDR2,ETHERNET_CONF_ETHADDR3,

　　ETHERNET_CONF_ETHADDR4, ETHERNET_CONF_ETHADDR5

　　};

　　// GMAC選項(xiàng)

　　gmac_options_t gmac_option;

　　gmac_option.uc_copy_all_frame = 0; //　不拷貝所有幀

　　gmac_option.uc_no_boardcast = 0; //　不忽略廣播

　　memcpy(gmac_option.uc_mac_addr,

　　mac_address, sizeof(mac_address)); //拷貝MAC地址

　　// GMAC驅(qū)動(dòng)設(shè)置

　　gmac_device_t gmac_dev;

　　gs_gmac_dev.p_hw = GMAC; // 指定GMAC寄存器基址

　　// 初始化GMAC

　　gmac_dev_init(GMAC, &gmac_dev, &gmac_option);

　　gmac_dev_init(Gmac* p_gmac, gmac_device_t* p_gmac_dev, gmac_options_t* p_opt) 函數(shù)完成了以下的工作：

　　禁用發(fā)送接收，禁用GMAC所有中斷;清除統(tǒng)計(jì)寄存器，以及發(fā)送接受狀態(tài)寄存器。

　　設(shè)置GMAC_NCFGR寄存器。根據(jù)p_opt，判斷是否拷貝所有幀，以及是否忽略廣播。同時(shí)，追加GMAC_NCFGR_PEN 和 GMAC_NCFGR_IRXFCS位。(我覺(jué)得這里應(yīng)該是個(gè)BUG，從其注釋判斷需要追加的應(yīng)該是GMAC_NCFGR_RFCS位)

　　設(shè)置好DMA緩沖，然后調(diào)用gmac_init_mem( ) 對(duì)緩沖區(qū)描述符等進(jìn)行初始化。這個(gè)函數(shù)里也會(huì)使能發(fā)送和接收，同時(shí)也會(huì)啟用一系列的中斷。設(shè)置完成后，DMA緩沖的信息將儲(chǔ)存在p_gmac_dev中。

　　將MAC地址寫入特別地址寄存器1。

　　四、 PHY的地址

　　在MDIO通信過(guò)程中，每個(gè)PHY都會(huì)有一個(gè)4位的地址。而開發(fā)板攜帶的KSZ8051MNL芯片，可以在上電或復(fù)位時(shí)，根據(jù)引腳設(shè)置地址的低3位：

　　在開發(fā)板中，上電時(shí)PHYAD[2:0]的值為001，即其地址為0x1。

　　特別指出，地址0可作為該芯片的廣播地址，而開發(fā)板也做了這樣的配置。另外，在ASF中，錯(cuò)誤地將PHY的地址定義成了0。這樣能正確工作的原因僅是0為廣播地址，而開發(fā)板只有一個(gè)PHY芯片。嚴(yán)謹(jǐn)起見，將這個(gè)地址修改為正確的值：

　　#ifdef BOARD_GMAC_PHY_ADDR

　　#undef BOARD_GMAC_PHY_ADDR

　　#endif

　　#define BOARD_GMAC_PHY_ADDR 1

　　五、 在ASF中使用PHY

　　使用的模塊為Ethernet Physical Transceiver。需要在conf_board.h 中聲明宏：

　　/* 使用 ETH PHY: KSZ8051MNL */

　　#define CONF_BOARD_KSZ8051MNL

　　初始化。

　　在PHY上電后，需要等待一段時(shí)間讓其運(yùn)行穩(wěn)定。之后就可以對(duì)其進(jìn)行初始化了：

　　if (ethernet_phy_init(GMAC, BOARD_GMAC_PHY_ADDR,sysclk_get_cpu_hz())

　　!= GMAC_OK) {

　　puts("PHY Initialize ERROR!r");

　　return -1;

　　}

　　在該ethernet_phy_init( ) 函數(shù)中，完成了以下工作：

　　設(shè)置MDIO的時(shí)鐘MDC。

　　通過(guò)MDIO向PHY發(fā)送重置命令。

　　檢查地址是否正確。檢查的邏輯是先讀取PHY的PHYID1的內(nèi)容，再判斷讀出的內(nèi)容是否正確。KSZ8051MNL芯片中，該寄存器的值是0x22。

　　如果地址無(wú)效的話，因?yàn)镸DIO有效地址只有32個(gè)，就遍歷這些地址。然后使用檢查出的新地址重新發(fā)送一次重置命令。

　　如果初始化成功，則返回GMAC_OK。

　　自協(xié)商。

　　然后需要讓PHY協(xié)商通信速率、雙工模式：

　　ethernet_phy_auto_negotiate(GMAC, BOARD_GMAC_PHY_ADDR);

　　if (ethernet_phy_set_link(GMAC, BOARD_GMAC_PHY_ADDR, 0)

　　!= GMAC_OK) {

　　puts("Set link ERROR!r");

　　return -1;

　　}

　　ethernet_phy_auto_negotiate() 函數(shù)就會(huì)完成PHY的協(xié)商工作，然后根據(jù)協(xié)商的結(jié)果設(shè)置GMAC的速率、雙工模式。ethernet_phy_set_link() 函數(shù)則會(huì)檢查鏈路的狀態(tài)，同時(shí)可以根據(jù)參數(shù)(第3個(gè))應(yīng)用PHY的自協(xié)商結(jié)果至GMAC中。

　　中斷處理。

　　ASF的GMAC模塊需要獲取相關(guān)的中斷，以進(jìn)行相關(guān)的工作：如更新發(fā)送緩沖區(qū)描述符相關(guān)的信息，或是調(diào)用用戶定義的回調(diào)函數(shù)等。

　　// 需要在NVIC中啟用相關(guān)中斷

　　void GMAC_Handler(void)

　　{

　　gmac_handler(&gs_gmac_dev);

　　}

　　數(shù)據(jù)接收。

　　先準(zhǔn)備好一個(gè)緩沖，然后就可以調(diào)用gmac_dev_read() 讀取出接收到的幀的內(nèi)容。

　　//#define GMAC_FRAME_LENTGH_MAX 1536

　　uint8_t eth_buffer[GMAC_FRAME_LENTGH_MAX];

　　uint32_t frm_size;

　　gmac_dev_read(&gmac_dev, (uint8_t *) eth_buffer,

　　sizeof(eth_buffer), &frm_size);

　　數(shù)據(jù)發(fā)送。

　　gmac_dev_write(&gmac_dev, (uint8_t *)eth_buffer, frm_size, NULL);

　　通過(guò)該函數(shù)即可使用GMAC發(fā)送數(shù)據(jù)，第4個(gè)參數(shù)是發(fā)送完成后的回調(diào)函數(shù)。該回調(diào)函數(shù)時(shí)是在gmac_handler() 中被調(diào)用的。