LM3S9B96的μDMA高速網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
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引言
LM3S9B96是德州儀器針對(duì)工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)的Cortex—M3核的微控制器,應(yīng)用領(lǐng)域包括遠(yuǎn)程監(jiān)控、電子販?zhǔn)蹤C(jī)、測(cè)試和測(cè)量設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和交換機(jī)、工廠自動(dòng)化以及火警安防等。LM3S9B96的主頻最高為80 MHz,性能可達(dá)100 DMIPS,其以太網(wǎng)控制器集成了媒體訪問(wèn)控制器和物理層接口,以太網(wǎng)控制器遵循IEEE 802.3規(guī)范,完全支持10BASE—T和100BASE—TX標(biāo)準(zhǔn)。
德州儀器為微控制器LM3S9B96提供了輕量級(jí)TCP/IP協(xié)議lwIP下的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序,該驅(qū)動(dòng)程序使用數(shù)據(jù)拷貝方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層與發(fā)送FIFO(TX FIFO)和接收FIFO(RX FIFO)之間的數(shù)據(jù)交換,效率低,無(wú)法滿(mǎn)足高速網(wǎng)絡(luò)通信的要求。文中詳細(xì)描述了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS—II環(huán)境下,基于微型直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)(Micro Direct Memory Access,μDMA)傳輸?shù)腖M3S9B96網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì),以提高網(wǎng)絡(luò)層與底層FIFO之間數(shù)據(jù)交換的效率,實(shí)現(xiàn)高速網(wǎng)絡(luò)通信。
1 LM3S9B96的以太網(wǎng)控制器
LM3S9B96的以太網(wǎng)控制器包含媒體訪問(wèn)控制器(Media Access Controller,MAC)層和網(wǎng)絡(luò)物理層(Network Physical,PHY)2個(gè)部分,如圖1所示,以太網(wǎng)控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。
LM3S9B96的以太網(wǎng)控制器包含了網(wǎng)絡(luò)物理層的自動(dòng)交叉校驗(yàn)MDIX、自動(dòng)協(xié)商、時(shí)鐘參考、MAC LED控制、媒體獨(dú)立接口(Media Indepen dent Interface,MII)寄存器組、發(fā)送編碼、脈沖整形、時(shí)鐘恢復(fù)、接收解碼、載波感應(yīng)和沖突檢測(cè)等單元,用于實(shí)現(xiàn)10 BASE—T/100BA SETX的自動(dòng)協(xié)商、MDI與MDIX校驗(yàn)、數(shù)據(jù)的編碼發(fā)送和解碼接收,以及網(wǎng)絡(luò)接口指示燈的控制;也包含了MAC層的TX FIFO、RX FIFO、接收控制、發(fā)送控制、數(shù)據(jù)訪問(wèn)、獨(dú)體媒體接口控制、定時(shí)器支持、MAC地址寄存器、中斷控制等單元,用于實(shí)現(xiàn)MAC地址的設(shè)置、物理層MII寄存器組的設(shè)置、中斷的產(chǎn)生和控制、網(wǎng)絡(luò)層與MAC層FIFO之間數(shù)據(jù)的傳輸。
2 網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序的作用
網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序是網(wǎng)絡(luò)層與物理層硬件的直接接口,它屏蔽了物理層硬件的細(xì)節(jié),利用物理層硬件,為網(wǎng)絡(luò)層提供了接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的接口,如圖3所示。
網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí),網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序從網(wǎng)絡(luò)層接收數(shù)據(jù)包后,檢查數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖隊(duì)列和TX FIFO是否為空,若均為空,程序會(huì)通過(guò)TX FIFO發(fā)送數(shù)據(jù)包;否則將數(shù)據(jù)包放入發(fā)送緩沖隊(duì)列,等待TX FIFO為空時(shí),網(wǎng)絡(luò)中斷觸發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收時(shí),RX FIFO從物理層接收數(shù)據(jù)包后,觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)接收中斷,網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序從RX FIFO讀取數(shù)據(jù)包,并交由網(wǎng)絡(luò)層處理。
3 基于μDMA的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)
LM3S9896內(nèi)置一個(gè)直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)(Direct Memory Access,DMA)控制器,稱(chēng)之為微型DMA(μDMA)控制器。μDMA控制器所提供的工作方式能夠分載處理器參與的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù),從而更加高效地使用內(nèi)核以及總線(xiàn)帶寬。
LM3S9B96的以太網(wǎng)控制器支持μDMA功能,具有專(zhuān)用的μDMA通道,通過(guò)合理的編程配置,通過(guò)μDMA控制器,當(dāng)需要時(shí)自動(dòng)在網(wǎng)絡(luò)控制器的TX FIFO、RXFIFO與存儲(chǔ)器之間傳輸數(shù)據(jù),使得以太網(wǎng)MAC具有更高的性能,并大大減輕LM3S9B96內(nèi)核的數(shù)據(jù)傳輸負(fù)擔(dān)。
LM3S9B96的μDMA網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序主要包含4個(gè)單元:初始化程序、數(shù)據(jù)包發(fā)送程序、數(shù)據(jù)包接收程序和中斷處理程序。
3.1 初始化程序
網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)初始化程序主要用于初始化網(wǎng)絡(luò)接口、設(shè)置μDMA參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)中斷,具體工作如下:
①初始化網(wǎng)絡(luò)接口結(jié)構(gòu)體的各個(gè)參數(shù),如網(wǎng)絡(luò)接口名稱(chēng)、MAC地址、接口層發(fā)送函數(shù)地址等。
②設(shè)置MAC地址及其長(zhǎng)度、最大傳輸單元大小、網(wǎng)絡(luò)接口時(shí)鐘。
③配置以太網(wǎng)控制器操作參數(shù),此處需要使能雙工傳輸、發(fā)送填充、自動(dòng)CRC校驗(yàn)產(chǎn)生、多播數(shù)據(jù)接收等。
④使能μDMA單元并設(shè)置μDMA控制表基地址。
⑤禁止以太網(wǎng)發(fā)送通道μDMA,并設(shè)置該通道μDMA控制參數(shù)一一傳輸大小32位,源地址以32位大小自增,目標(biāo)地址不增加,仲裁大小8位。
⑥禁止以太網(wǎng)接收通道μDMA,并設(shè)置該通道μDMA控制參數(shù)——傳輸大小32位,源地址不增加,目標(biāo)地址以32位大小自增,仲裁大小8位。
⑦設(shè)置網(wǎng)絡(luò)中斷類(lèi)型,并使能網(wǎng)絡(luò)中斷等功能,為了簡(jiǎn)化中斷處理,此處僅使能網(wǎng)絡(luò)接收和發(fā)送中斷,禁止發(fā)送錯(cuò)誤、接收錯(cuò)誤、接收溢出等其他中斷類(lèi)型。
3.2 數(shù)據(jù)包發(fā)送程序
網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的發(fā)送,是在中斷處理程序的協(xié)助下由網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包發(fā)送程序?qū)崿F(xiàn)。
數(shù)據(jù)包發(fā)送程序主要包含2個(gè)函數(shù):網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)輸出函數(shù)stellarisif_output()和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)stellarisif_transmit(),函數(shù)流程如圖4(a)、(b)所示。
stellarisif_output()函數(shù)并不進(jìn)行實(shí)際的數(shù)據(jù)發(fā)送,它只是將數(shù)據(jù)包放入緩沖隊(duì)列,或者是調(diào)用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。如圖4(a)中標(biāo)注,該函數(shù)需要注意:
①一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包,必須檢查當(dāng)前發(fā)送緩沖區(qū)是否為空。如果發(fā)送緩沖區(qū)不為空,即使TX FIFO為空,也要把待發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包放入發(fā)送緩沖區(qū),這樣才能保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)先進(jìn)先出的發(fā)送次序。
②表明實(shí)際進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送的是stellarisif_transmit()函數(shù)。
stellarisif_transmit()函數(shù)進(jìn)行實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送,它以DMA方式復(fù)制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)到TX FIFO,標(biāo)識(shí)中斷處理程序設(shè)置網(wǎng)絡(luò)發(fā)送標(biāo)志,啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的物理層傳輸;或以?xún)?nèi)核執(zhí)行拷貝方式復(fù)制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)到TX FIFO,并置位網(wǎng)絡(luò)發(fā)送標(biāo)志,啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的物理層傳輸。如圖4(b)中標(biāo)注,需要注意:
③由于以太網(wǎng)發(fā)送通道μDMA的傳輸大小被初始化32位(即傳輸數(shù)據(jù)寬度為4個(gè)字節(jié)),而μDMA傳輸要求源地址、目的地址必須按照傳輸數(shù)據(jù)寬度對(duì)齊。因此進(jìn)行μDMA傳輸前,應(yīng)首先判斷數(shù)據(jù)的源地址(即被傳輸?shù)膬艉蓴?shù)據(jù)地址)是否為4字節(jié)邊界對(duì)齊(以太網(wǎng)發(fā)送通道μDMA的目的地址為T(mén)X FIFO的地址,即0x40048010,已為4字節(jié)對(duì)齊,無(wú)需檢查)。若為4字節(jié)地址對(duì)齊,才能進(jìn)行μDMA數(shù)據(jù)傳輸,否則不能進(jìn)行μDMA傳輸,只能進(jìn)行由LM3S9B96內(nèi)核執(zhí)行的數(shù)據(jù)拷貝。需要說(shuō)明的是,通過(guò)合理分配LWIP協(xié)議棧的堆內(nèi)存、緩沖及待發(fā)送數(shù)據(jù)的地址,是可以保證凈荷數(shù)據(jù)地址為4字節(jié)對(duì)齊的。
④設(shè)置μDMA通道為以太網(wǎng)發(fā)送通道,自動(dòng)傳輸模式,源地址為凈荷數(shù)據(jù)地址,目的地址為T(mén)X FIFO地址,傳輸長(zhǎng)度(以傳輸數(shù)據(jù)寬度為單位,即以32位或4字節(jié)為單位,實(shí)際傳輸?shù)淖止?jié)總長(zhǎng)度=傳輸長(zhǎng)度x傳輸數(shù)據(jù)寬度)。
3.3 數(shù)據(jù)包接收程序
網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收,是在中斷處理程序的協(xié)助下,由網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包接收程序(主要由網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收函數(shù)stellarisif_receive()構(gòu)成)實(shí)現(xiàn)。
stellarisif_receive()函數(shù)負(fù)責(zé)以μDMA或內(nèi)核執(zhí)行拷貝方式,從RX FIFO讀取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀到接收緩沖區(qū)pbuf。其流程如圖4(c)所示,該函數(shù)實(shí)現(xiàn)需要以下說(shuō)明:
⑤即使分配接收緩沖區(qū)pbuf失敗,也需要從RX FIFO中清空該數(shù)據(jù)幀,以免影響后續(xù)的數(shù)據(jù)幀接收。
⑥進(jìn)行以太網(wǎng)接收通道的μDMA傳輸前,也需要檢查接收緩沖區(qū)pbuf的地址是否為4字節(jié)邊界對(duì)齊。在LWIP協(xié)議棧的堆內(nèi)存、緩沖分配合理時(shí),每次都以4字節(jié)整數(shù)倍的長(zhǎng)度申請(qǐng)分配接收緩沖區(qū)pbuf,是能保證pbuf地址為4字節(jié)邊界對(duì)齊的,從而實(shí)現(xiàn)每次網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收都通過(guò)μDMA實(shí)現(xiàn)RX FIFO至pbuf數(shù)據(jù)拷貝,無(wú)需LM3S9B96內(nèi)核參與。
⑦設(shè)置μDMA通道為以太網(wǎng)接收通道,自動(dòng)傳輸模式,源地址為T(mén)X FIFO地址,目的地址為接收緩沖區(qū)pbuf地址,傳輸長(zhǎng)度(以傳輸數(shù)據(jù)寬度為單位,即以32位或4字節(jié)為單位,實(shí)際傳輸?shù)淖止?jié)總長(zhǎng)度=傳輸長(zhǎng)度×傳輸數(shù)據(jù)寬度)。
⑧需要等待中斷處理程序發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)接收μDMA傳輸結(jié)束信號(hào)量,成功獲取該信號(hào)量,才能標(biāo)志此次μDMA傳輸?shù)慕Y(jié)束。
3.4 中斷處理程序
中斷處理程序?yàn)閘wIP協(xié)議棧處理以太網(wǎng)中斷,從底層接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包,提交給上一層來(lái)處理,檢查網(wǎng)絡(luò)發(fā)送緩沖隊(duì)列、通過(guò)以太網(wǎng)MAC層進(jìn)行數(shù)據(jù)包發(fā)送。
中斷處理程序主要包括2個(gè)部分:以太網(wǎng)中斷服務(wù)程序lwIPEthernetIntHandler()和以太網(wǎng)中斷任務(wù)lwIPInterruptTask(),流程如圖5所示。
LM3S9B96的以太網(wǎng)中斷產(chǎn)生時(shí),內(nèi)核自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至中斷向量表的57號(hào)處(LM3S9B96的以太網(wǎng)中斷向量號(hào)),該處定義了“DCD lwIPEthernet IntHandler”,進(jìn)而轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序lwIPEthernetIntHandler()執(zhí)行。如圖5(a)中標(biāo)注,此程序根據(jù)3種不同類(lèi)型的中斷源進(jìn)行相應(yīng)的處理:
①處理網(wǎng)絡(luò)接收和發(fā)送中斷。網(wǎng)絡(luò)接收、發(fā)送中斷產(chǎn)生后,程序釋放一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中斷服務(wù)信號(hào)量,以太網(wǎng)中斷任務(wù)獲取該信號(hào)量后,調(diào)用stellarisif_receive()函數(shù)讀取數(shù)據(jù)幀,或調(diào)用stellarisif_transmit()函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)幀。
②處理網(wǎng)絡(luò)接收通道的μDMA中斷。該中斷產(chǎn)生,表明從RX FIFO至接收緩沖區(qū)pbuf的μDMA傳輸結(jié)束,此時(shí)應(yīng)釋放傳輸結(jié)束信號(hào)量,以解除stellarisif_receive()函數(shù)的傳輸結(jié)束等待。
③處理網(wǎng)絡(luò)發(fā)送通道的μDMA中斷。該中斷產(chǎn)生,表明從發(fā)送緩沖區(qū)pbuf至TX FIFO的μDMA傳輸結(jié)束,此時(shí)應(yīng)置位網(wǎng)絡(luò)發(fā)送請(qǐng)求標(biāo)志,啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的物理層傳輸。
lwIPinterruptTask()函數(shù)負(fù)責(zé)從RX FIFO讀取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀,并提交上層協(xié)議處理;或者從發(fā)送緩沖隊(duì)列讀取并調(diào)用stellarisif_trans mit()函數(shù)發(fā)送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀,其流程如圖5(b)所示,該函數(shù)實(shí)現(xiàn)也需要注意:
④以太網(wǎng)中斷任務(wù)以阻塞模式等待網(wǎng)絡(luò)中斷服務(wù)信號(hào)量,直至網(wǎng)絡(luò)接收或發(fā)送中斷產(chǎn)生時(shí),lwIPEthernetIntHandler()釋放該信號(hào)量,任務(wù)才解除阻塞,開(kāi)始執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀的接收、發(fā)送操作。
⑤無(wú)論以太網(wǎng)中斷源為接收中斷,還是發(fā)送中斷,以太網(wǎng)中斷任務(wù)總是首先調(diào)用stellarisif_receive()函數(shù)讀取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀(若成功讀取數(shù)據(jù)幀,則提交上層協(xié)議處理),然后檢查T(mén)XFIFO和網(wǎng)絡(luò)發(fā)送緩沖隊(duì)列,滿(mǎn)足發(fā)送條件時(shí),進(jìn)行數(shù)據(jù)幀發(fā)送操作。此種處理方式,貌似沒(méi)有對(duì)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送與接收中斷進(jìn)行有效地區(qū)分處理,但事實(shí)上,在同時(shí)處理大量網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送時(shí),具有極高的執(zhí)行效率。
結(jié)語(yǔ)
本文針對(duì)德州儀器的微控制器LM3S9B96,提出了一種面向高速網(wǎng)絡(luò)的、基于μDMA的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)方案,該設(shè)計(jì)方案充分利用了LM3S 9B96的μDMA、網(wǎng)絡(luò)中斷等資源,大大提高了TCP/IP協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)層與底層FIFO之間數(shù)據(jù)交換的效率。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明,該網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案較之內(nèi)核拷貝方式實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序,通信效率提高了十余倍。
由于大多數(shù)德州儀器Cortex—M3核的微控制器的以太網(wǎng)控制器結(jié)構(gòu)都非常相似,因此文中針對(duì)微控制器LM3S9B96提出的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)方案,可適用于大多數(shù)德州儀器Cortex—M3核的微控制器的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。