基于S3C44B0X+μcLinux的嵌入式以太網(wǎng)設(shè)計(jì)與分析

　　隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，嵌入式產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事、消費(fèi)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(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。嵌入式Linux 作為具有開放的源代碼、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(tǒng)，非常適合用于具有網(wǎng)絡(luò)功能的嵌入式系統(tǒng)。本文介紹了以S3C44B0X 的ARM處理器和RTL8019AS 以太網(wǎng)控制器為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)，并闡述了怎樣在嵌入式操作系統(tǒng)μcLinux 下實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)。

　　S3C44B0X 處理器介紹

　　ARM是業(yè)界著名的芯片設(shè)計(jì)IP 供應(yīng)商，其32 位RISC 微處理器占據(jù)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(yīng)用最廣的處理器。SAMSUNG 公司推出的S3C44B0X 就是以ARM7TDMI 為內(nèi)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(shè)備和一般應(yīng)用提供了高性價(jià)比和高性能的微處理器解決方案。S3C44B0X 通過提供全面的、通用的片上外設(shè)，大大減少了外圍的元器件配置，從而使系統(tǒng)成本大為降低。S3C44B0X 芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

　　網(wǎng)絡(luò)接口的電路設(shè)計(jì)

　　在介紹電路設(shè)計(jì)之前，先簡(jiǎn)要介紹一下網(wǎng)絡(luò)控制器RTL8019AS 的情況。RTL8019AS 是臺(tái)灣REALTEK公司生產(chǎn)的一款性價(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(nèi)部集成了兩塊RAM，一塊16KB，地址為 0x4000~0x7FFF；一塊32 字節(jié)，地址為0x0000～0x001F。16K 的RAM用作收發(fā)數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，一般將0x4000～0x46FF 作為發(fā)送緩沖區(qū)，0x4700～0x7FFF 作為接收緩沖區(qū)。圖2 是針對(duì)S3C44B0X，用RTL8019AS、74LV138（3- 8 譯碼器）、FB2022（網(wǎng)卡變壓器）設(shè)計(jì)的以太網(wǎng)接口電路。

　　該電路數(shù)據(jù)寬度為16 位，使用外部中斷EXINT3。處理器的片選信號(hào)nGCS1 和A16、A17、A18 通過74LV138 輸出為網(wǎng)卡的使能控制端。nOE 和nWE控制網(wǎng)卡的讀寫，nRESET 控制網(wǎng)卡的復(fù)位，F(xiàn)B2022起變壓濾波的作用。

　　μcLinux 操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)開發(fā)介紹

　　本系統(tǒng)為什么要選擇μcLinux

　　Linux以其開放的源代碼、強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能等諸多優(yōu)點(diǎn)而成為當(dāng)今流行的操作系統(tǒng)之一。μcLinux 從Linux 內(nèi)核派生而來，沿襲了Linux 的大部分特性，專門針對(duì)沒有MMU（存儲(chǔ)器管理單元）的CPU，并且為嵌入式系統(tǒng)做了很多小型化工作，它內(nèi)核小，但功能強(qiáng)大，系統(tǒng)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(tǒng)。S3C44B0X 正是一款沒有MMU 的處理器，所以在該系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)選擇μcLinux 是非常合適的。

　　μcLinux 下網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)開發(fā)簡(jiǎn)介

　　μcLinux 和Linux 下驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)過程基本相同。linux 將所有的設(shè)備看作具體的文件，通過文件系統(tǒng)層對(duì)設(shè)備進(jìn)行訪問。所以在linux/uclinux 的框架結(jié)構(gòu)中，和設(shè)備相關(guān)的處理可以分為兩個(gè)層次— —文件系統(tǒng)層和設(shè)備驅(qū)動(dòng)層。設(shè)備驅(qū)動(dòng)層屏蔽具體設(shè)備的細(xì)節(jié)，文件系統(tǒng)層則向用戶提供一組統(tǒng)一的規(guī)范的用戶接口。這種設(shè)備管理方法可以很好的做到“設(shè)備無關(guān)性”，使linux/uclinux 可以根據(jù)硬件外設(shè)的發(fā)展進(jìn)行方便的擴(kuò)展，比如要實(shí)現(xiàn)一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，只要根據(jù)具體的硬件特性向文件系統(tǒng)提供一組訪問接口即可。整個(gè)設(shè)備管理子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

　　在Linux/μclinux 中，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口驅(qū)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(shè)備接口層、提供實(shí)際功能的設(shè)備驅(qū)動(dòng)功能層、以及網(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)搭建好了，我們?cè)谠O(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，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net_device結(jié)構(gòu)和底層具體的硬件特性，完成設(shè)備驅(qū)動(dòng)的功能。在網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序部分主要有兩個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，一個(gè)是sk_buff，TCP/IP 中不同協(xié)議層間以及和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序之間數(shù)據(jù)包的傳遞都是通過這個(gè)結(jié)構(gòu)體來完成的，這個(gè)結(jié)構(gòu)體主要包括傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、連接層需要的變量，決定數(shù)據(jù)區(qū)位置和大小的指針，以及發(fā)送接收數(shù)據(jù)包所用到的具體設(shè)備信息等。它的詳細(xì)定義可參閱內(nèi)核源代碼。

　　另一個(gè)就是net_device 結(jié)構(gòu)，它的定義在中。這個(gè)結(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序的核心，它定義了很多供系統(tǒng)訪問和協(xié)議層調(diào)用的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的方法，包括供設(shè)備初始化和往系統(tǒng)注冊(cè)用的init 函數(shù)，打開和關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的open 和stop 函數(shù)，處理數(shù)據(jù)包發(fā)送的函數(shù)hard_start_xmit，以及中斷處理函數(shù)等，接口狀態(tài)統(tǒng)計(jì)函數(shù)等。

　　RTL8019AS 驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)

　　嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)的編寫會(huì)占用很大的工作量。下面詳細(xì)介紹在本系統(tǒng)中網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的步驟。

　　* 初始化函數(shù)

　　static int RTL8019_init(struct net_device *dev)

　　{

　　調(diào)用ether_setup (dev) 函數(shù)設(shè)置通用的以太網(wǎng)接口；

　　填充net_device 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的屬性字段；

　　調(diào)用kmalloc 申請(qǐng)需要的內(nèi)存空間；

　　手動(dòng)設(shè)置MAC 地址；

　　}

　　* 設(shè)備打開與關(guān)閉函數(shù)

　　static int RTL8019_open(struct net_device *dev)

　　{

　　關(guān)閉中斷；

　　注冊(cè)中斷號(hào)和I/O 地址；

　　初始化設(shè)備的寄存器；

　　使能中斷；

　　}

　　設(shè)備關(guān)閉函數(shù)與打開函數(shù)的動(dòng)作相反。

　　* 數(shù)據(jù)包發(fā)送函數(shù)

　　static int RTL8019_sendpacket(struct sk_buff *skb,

　　struct net_device *dev)

　　{

　　將標(biāo)志位tbusy 打開；

　　將數(shù)據(jù)包寫入RTL8019 的發(fā)送緩沖區(qū)，啟動(dòng)DMA 發(fā)送功能；

　　釋放緩沖區(qū)；

　　}

　　* 數(shù)據(jù)包接收函數(shù)

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

　　{

　　申請(qǐng)skb 緩存區(qū)存儲(chǔ)新的數(shù)據(jù)包；

　　從硬件中讀取新到達(dá)的數(shù)據(jù)；

　　調(diào)用函數(shù)netif_rx()，將新的數(shù)據(jù)包向網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的上一層傳送；

　　}

　　最后，將驅(qū)動(dòng)程序編譯進(jìn)內(nèi)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，使用ifconfig、route add 命令設(shè)置IP地址和子網(wǎng)掩碼，網(wǎng)卡就能正常工作了。

　　結(jié)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(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，而μcLinux行通信和交換數(shù)據(jù)。試驗(yàn)表明，用HPI 接口在C5416和S3C4510B 間通信滿足嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。