以太網接口芯片DM9000A在嵌入式系統中的應用

目前，網絡技術在電子產品中的應用越來越廣，更多的嵌入式設備需要提供網絡接口，以方便與外部互聯通訊。現在流行的大多數嵌入式CPU(如ARM、PPC)都提供了此類接口，但對于一些相對復雜的嵌入式系統來說，可能需要擴展以太網口，以滿足網絡通訊需要。本文介紹一種新款網絡接口芯片DM9000A，它可以很方便的實現與嵌入式CPU的接口，實現擴展以太網口的功能。

　　DM9000A

　　DM9000A是中國***DAVICOM公司推出的一款高速以太網接口芯片，其基本特征是：集成10/100M物理層接口；內部帶有16K字節SRAM用作接收發送的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)功能；支持TCP/IP加速(IPV4 check sum offload)減輕CPU負擔，提高整機效能；10ns I/O讀寫時間。DM9000A以太網控制器遵循IEEE頒布的802.3以太網傳輸協議。該電路還集成了EEPROM接口，自舉時通過EEPROM接口輸入到芯片中，從而實現自動初始化。

　　硬件接口設計

　　DM9000A可以很方便的與目前主流的嵌入式CPU以8位或16位的總線方式連接，本文設計的系統CPU為AT91RM9200，它是一個采用ARM核的32位微處理器。二者的接口設計如圖1。

圖1  DM9000A與AT91RM9200硬件連接

　　系統上電時，AT91RM9200通過總線配置DM9000A內部網絡控制寄存器(NCR)、中斷寄存器(ISR)等，完成DM9000A的初始化。隨后，DM9000A進入數據收發等待狀態。當AT91RM9200向以太網發送數據時，先將數據打包成UDP或IP數據包，并通過16 bit總線發送到DM9000A的數據發送緩存中，然后將數據長度等信息填充到DM9000A的相應寄存器內，使能發送。當DM9000A接收到外部網絡送來的以太網數據時，首先檢測數據幀的合法性，如果幀頭標志有誤或存在CRC校驗錯誤，則將該幀數據丟棄。否則將數據幀緩存到內部RAM，并通過中斷標志位通知AT91RM9200，由AT91RM9200對DM9000A接收到的數據進行處理。

　　Linux驅動實現

　　Linux網絡驅動體系結構

　　在Linux操作系統中的設備驅動，根據各類外圍I/O設備的不同，分為三類，即字符設備(如鍵盤、LCD) 驅動、塊設備(如硬盤、CF卡) 驅動和網絡設備(如網卡) 驅動。 Linux網絡設備驅動程序結構上由四部分組成(圖2)：網絡協議接口，網絡設備接口，設備驅動功能層及網絡設備介質。

圖2  Linux網絡驅動體系結構

　　設計開發Linux網絡驅動程序時，最主要的工作就是完成設備驅動功能層。類似于對字符設備和塊設備的處理，為了屏蔽網絡環境中物理網絡設備的多樣性，Linux利用面向對象的思想對所有的網絡物理設備進行抽象，定義了一個統一的接口。對于所有網絡硬件的訪問都是通過接口進行的，接口向用戶提供了一個對于所有類型的網絡硬件一致化的操作集合。Linux內核提供的統一網絡設備結構為net_device，此結構體位于網絡驅動層的核心地位。

　　net_device 中有很多供系訪問和協議層調用的設備方法，其中包括： 

• 　　dev->open：打開設備。open方法應當注冊網絡設備需要的任何系統資源( I/O 口，IRQ， DMA等)，打開硬件，進行設備要求的其他設置。
• 　　dev—>stop：停止設備。 該函數應當恢復在打開時進行的操作。
• 　　dev->hard_start_xmit：發送報文。
• 　　dev->tx_timeout：發送超時調用的方法,它應當處理這個問題并恢復報文發送。
• 　　dev->set_mac_address：修改網絡的硬件MAC地址。

　　網絡驅動就是要實現這些具體的設備方法。

　　設備初始化

　　網絡的初始化是設備工作的第一步。當系統加載網絡驅動模塊的時候，就會調用初始化過程。首先利用函數request_mem_region映射DM9000A的數據、地址端口，通過dmfe_probe函數檢測網絡物理設備是否存在，檢測DM9000A內部串行NIC的值是否正確，然后再對設備進行資源配置，構造設備的net_device數據結構。包括一些低層硬件信息：base_addr(網絡接口的 I/O 基地址)，irq(安排的中斷號)等。

open方法在網絡設備被激活的時被調用，具體DM9000A的硬件初始化工作放到這里來做。對于DM9000A需要完成的初始化包括：對DM9000A內部上電，軟件復位，通過NCR寄存器設置網絡工作模式,可以選擇設置內部或者外部PHY、全雙工或者半雙工模式、使能喚醒事件等網絡操作，對RX／TX中斷使能，使能數據接收功能。調用request_irq()申請中斷號登記中斷處理函數，調用netif_carrier_on偵測連接狀態。

　　啟動定時器，調用netif_start_queue激活設備發送隊列。

　　這里對DM9000A的中斷設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，可能會面臨中斷源不夠用的情況。由于AT91RM9200的PIO可以實現功能復用，因此可以把多余的IO引腳配置為可用的中斷源。故本系統中，設計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，只需要在中斷狀態寄存器中區分具體哪個引腳引起中斷，然后轉向特定的中斷處理函數執行操作，就可以實現中斷處理。

　　close所做的工作和open相反，主要釋放open獲得的資源，以減少系統負擔。

　　數據包發送

　　數據包的發送和接收是實現Linux網絡驅動程序中兩個最關鍵的過程，對這兩個過程處理的好壞將直接影響到驅動程序的整體運行質量。

　　數據傳輸通過hard_start_xmit函數實現，首先把存放在套接字緩沖區中的數據發送到網絡芯片DM9000A內部的TX FIFO SRAM中，該緩沖區是由數據結構sk_buff表示，把要傳送的數據長度寫入DM9000A中的傳輸包長度寄存器TXPLL和TXPLH中。然后使能傳輸。如果數據發送成功，則會觸發一次中斷。

　　實際中會出現多個數據幀傳輸，需要考慮做并發處理。在發送時檢測傳輸隊例暫時滿載時就要通過netif_stop_queue來暫停，當發送完成觸發中斷處理時，調用netif_wake_queue函數來重新啟動傳輸隊例。

　　網絡傳輸由于系統忙或硬件的問題發生延遲，則會調用傳送超時處理函數tx_timeout，對硬件復位操作。

　　數據包接收

　　數據包的接收是通過中斷處理，當有數據到達時，就產生中斷信號，網絡設備驅動功能層就調用數據包接收程序來處理數據包的接收，然后網絡協議接口層調用netif_rx函數把接收到的數據包傳輸到網絡協議的上層進行處理。

　　DM9000A接收緩存區中的每幀數據由4字節長的首部、有效數據和CRC校驗序列構成。首部4字節依次是01H、以太網幀狀態、以太網幀長度低字節和長度高字節，數據包接收程序首先檢測如果第一個字節是01H，則說明有數據；如果是00H，則說明無數據，需要進行復位。然后調用函數dev_alloc_skb申請一塊sk_buff結構緩沖區，從DM9000A讀出數據放置到緩沖區里，根據獲取的長度信息，判斷是否讀完一幀。如果讀完，接著讀下一幀，直到遇到首字節是00H的幀，說明接收數據已讀完。接下來填充sk_buff中的一些信息，使之成為規范的sk_buff結構，最后調用netif_rx()函數將接收到的數據傳輸到網絡協議的上層。

　　結語

　　該設計成功用于某網絡測試設備的主控模塊上，可以通過以太網接入Internet，從而實現從Internet上監控嵌入式設備。

　　參考文獻：

　　1. Davicom Corporation,DM9000A Application Notes V1.20, 2005

　　2. Lessandro Rubini,Jonathan Corbet. Linux Device Drivers, second  edition，O’Reilly & Associates,2002

　　3. 李方軍、金煒東，嵌入式Linux網絡驅動程序的研究與實現，現代電子技術，2005，16

　　4. Atmel Corporation, AT91RM9200 Datasheet, version E, 2005