基于ARM和DM9000的網(wǎng)卡接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：針對(duì)ARM CPU S3C2410的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)開發(fā)了外圍網(wǎng)卡接口平臺(tái)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序?qū)σ蕴W(wǎng)控制芯片DM9000的控制，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸功能。硬件方面主要涉及以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口的設(shè)計(jì)，軟件方面主要是設(shè)計(jì)以太網(wǎng)控制芯片驅(qū)動(dòng)程序。該嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接入方案具有硬件接口簡(jiǎn)單、外圍器件少、價(jià)格低廉、開發(fā)周期短等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：ARM; DM9000; 網(wǎng)卡

引言

要實(shí)現(xiàn)小型嵌入式設(shè)備的Internet接入，TCP/IP首先要解決的是底層硬件問(wèn)題，即協(xié)議的物理層。Ethernet具有成熟的技術(shù)、低廉的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品、豐富的開發(fā)工具和技術(shù)支持，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展遇到阻礙時(shí)，以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以其明顯的優(yōu)勢(shì)得到了迅猛的發(fā)展，并逐漸形成了現(xiàn)場(chǎng)總線的新標(biāo)準(zhǔn)——Ethernet?？紤]到國(guó)內(nèi)局域網(wǎng)大部分是以太網(wǎng)，隨著交換式網(wǎng)絡(luò)、寬帶網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，基于以太網(wǎng)的嵌入式設(shè)備Internet接入應(yīng)用有著現(xiàn)實(shí)意義。

在現(xiàn)有嵌入式系統(tǒng)中，大多數(shù)選用的是10Mb/s的以太網(wǎng)卡，其傳輸速率慢，已不能再適應(yīng)現(xiàn)在人們的要求。而其它10/100Mb/s網(wǎng)卡芯片或工藝復(fù)雜或成本較高，不適應(yīng)工業(yè)制造。而DM9000是完全綜合的、成本較低的單一快速以太網(wǎng)控制器芯片，具有通用的處理器接口。它被設(shè)計(jì)為低功耗、高處理性能，而其設(shè)計(jì)又非常簡(jiǎn)單，所以可以容易的完成不同系統(tǒng)的軟件驅(qū)動(dòng)開發(fā)。

DM9000——DAVICOM公司的10/100Mb/s自適應(yīng)以太網(wǎng)芯片。其特點(diǎn)是：支持8位、16位、32位數(shù)據(jù)總線寬度；寄存器操作簡(jiǎn)單有效，有成熟的Linux驅(qū)動(dòng)程序支持；3.3V接口電平；成本相當(dāng)?shù)土?；還可以使用MII接口和PHY芯片連接。

1         DM9000與S3C2410的連接

1.1   硬件整體電路設(shè)計(jì)

硬件上要完成DM9000與ARM芯片S3C2410三大總線連接，以及DM9000與以太網(wǎng)水晶接頭RJ45的連接?；贏RM 嵌入式系統(tǒng)和以太網(wǎng)的接口如圖1。

圖1 ARM 嵌入式系統(tǒng)與以太網(wǎng)的接口電路示意圖

1.2 DM9000與S3C2410連接

實(shí)現(xiàn)DM9000與S3C2410連接，必須對(duì)兩者間的數(shù)據(jù)、地址、控制三大總線進(jìn)行連接和轉(zhuǎn)換。S3C2410是32位微處理器，有32根地址線，支持4GB存儲(chǔ)空間。其中0—40000000的1G空間被分為8塊128M 空間，分別由NGCS0—NGCS7片選。DM9000為16位以太網(wǎng)控制芯片。圖2給出了S3C2410與DM9000的連接方法。

圖2 S3C2410與DM9000的邏輯連接

對(duì)DM9000讀寫操作，首先對(duì)DM9000正確尋址。AEN (地址允許)是輸入引腳片選信號(hào)。SA4～SA9是地址總線4～9位，當(dāng)AEN低且SA9和SA8高，而SA7、SA6、SA5、SA4為低時(shí)，則DM9000被選中。

圖3 S3C2410與DM9000的連接電路

DM9000 默認(rèn)I/0 基地址為300H。CMD 引腳用于設(shè)置COMMAND 模式，CMD為高時(shí)，選擇數(shù)據(jù)端口。CMD為低時(shí)，選地址端口。數(shù)據(jù)端口和地址端口的地址碼由下式?jīng)Q定：

DM9000地址端口=高位片選地址+300H+0H

DM9000數(shù)據(jù)端口=高位片選地址+300H+4H

其中，高位片選地址由S3C2410的NGCS3提供，即為：0X100000000H。

實(shí)際設(shè)計(jì)電路如圖3所示，其中nWAIT為讀寫等待信號(hào)。由于在S3C2410中以太網(wǎng)卡的中斷為9號(hào)中斷，所以 EINT9_ETHERNET為中斷信號(hào)。RESET為網(wǎng)卡芯片重啟信號(hào)。25MHz OSCILLATOR為芯片提供25MHz的工作頻率。（在本圖中省去了S3C2410芯片）SD0～SD15數(shù)據(jù)總線與S3C2410的數(shù)據(jù)總線連接。

2        DM9000驅(qū)動(dòng)程序描述

2.1 驅(qū)動(dòng)程序整體設(shè)計(jì)

Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序的體系結(jié)構(gòu)可劃分為從上到下依次為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接口、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)備媒介層。Linux內(nèi)核中提供了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口級(jí)別以上層次的代碼，所以移植（或編寫）特定網(wǎng)絡(luò)硬件的驅(qū)動(dòng)程序最主要的工作就是完成設(shè)備驅(qū)動(dòng)功能層，主要包括數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送等控制。在Linux中所有網(wǎng)絡(luò)都抽象為一個(gè)接口，由結(jié)構(gòu)體 net_device來(lái)表示網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在內(nèi)核中的運(yùn)行情況，即網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口。它既包括了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口，如回環(huán)（loopback）設(shè)備，也包括了硬件網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口，如以太網(wǎng)卡。

驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行時(shí)，操作系統(tǒng)先調(diào)用檢測(cè)例程以發(fā)現(xiàn)安裝的網(wǎng)卡，如網(wǎng)卡支持即插即用，檢測(cè)例程自動(dòng)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)卡參數(shù)。否則，驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行前，設(shè)置好網(wǎng)卡參數(shù)供驅(qū)動(dòng)程序使用。核心發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的發(fā)送例程。將數(shù)據(jù)寫入空間，再激活物理發(fā)送過(guò)程。面向物理層接口程序中斷處理例程。當(dāng)網(wǎng)卡接收數(shù)據(jù)、發(fā)送過(guò)程結(jié)束或出錯(cuò)時(shí)，網(wǎng)卡產(chǎn)生中斷，核心調(diào)用中斷處理例程，再判斷中斷發(fā)生原因，并進(jìn)行處理。

驅(qū)動(dòng)程序流程如圖4，分為主程序和中斷服務(wù)程序，主程序進(jìn)行DM9000的初始化和網(wǎng)卡檢測(cè)、網(wǎng)卡參數(shù)獲取。中斷服務(wù)程序以程序查詢方式識(shí)別中斷源，完成相應(yīng)處理。具體分別如圖4(a)和(b)。

圖4 DM9000驅(qū)動(dòng)程序流程

在整個(gè)過(guò)程中，首先要通過(guò)檢測(cè)物理設(shè)備的硬件特征判斷網(wǎng)絡(luò)物理設(shè)備是否存在，然后決定是否啟動(dòng)這個(gè)驅(qū)動(dòng)程序。接著會(huì)對(duì)設(shè)備進(jìn)行資源配置，比如，即插即用的硬件就可在這個(gè)時(shí)候進(jìn)行配置；而在本嵌入式平臺(tái)上，以太網(wǎng)的MAC地址也在這里指定。配置好硬件占用的資源后，就可向系統(tǒng)申請(qǐng)這些資源，如中斷、I/O空間等。最后，對(duì)結(jié)構(gòu)體net_device相應(yīng)的成員變量初始化，使得一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可被系統(tǒng)使用。

數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收是實(shí)現(xiàn)Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序中關(guān)鍵的過(guò)程，對(duì)這兩個(gè)過(guò)程處理的好壞將直接影響到網(wǎng)絡(luò)的整體運(yùn)行質(zhì)量。驅(qū)動(dòng)程序中并不存在一個(gè)接收方法。應(yīng)由底層驅(qū)動(dòng)程序來(lái)通知系統(tǒng)有數(shù)據(jù)收到。一般情況下，設(shè)備收到數(shù)據(jù)后都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷，在中斷處理程序中驅(qū)動(dòng)程序申請(qǐng)一塊sk_buff（如定義為skb），從硬件讀出數(shù)據(jù)放到申請(qǐng)好的緩沖區(qū)中。

3        DM9000驅(qū)動(dòng)程序測(cè)試

3.1   測(cè)試環(huán)境

在調(diào)試過(guò)程中，可以先建立可下載的鏡像文件。在目標(biāo)板上先燒入vivi。通過(guò)vivi將內(nèi)核映像下載到目標(biāo)板運(yùn)行。而網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)是屬于BSP的一部分所以會(huì)在下載地過(guò)程中一同寫入目標(biāo)板。

(1)主機(jī)環(huán)境  主機(jī)環(huán)境是在Fedora上運(yùn)行的Linux的集成交叉開發(fā)環(huán)境及相關(guān)的測(cè)試用軟件。

(2)目標(biāo)機(jī)環(huán)境  目標(biāo)機(jī)的硬件環(huán)境是要作為海信商機(jī)使用的SBC2410A(ARM920T內(nèi)核)開發(fā)板。

由主機(jī)和目標(biāo)機(jī)共同組成了網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序的測(cè)試環(huán)境，兩者通過(guò)串口及網(wǎng)線相連，在調(diào)試網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)之前要通過(guò)串口加載程序。加載了程序之后就可以針對(duì)以太網(wǎng)接口來(lái)進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試工作。

3.2   硬件測(cè)試

當(dāng)成功的將DM9000網(wǎng)絡(luò)芯片的驅(qū)動(dòng)程序加載到Linux內(nèi)核中后，就要對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。首先，要進(jìn)行的就是硬件的測(cè)試。因?yàn)镈M9000有4個(gè)GPIO端口，這里我們只要對(duì)這4個(gè)端口進(jìn)行測(cè)試，如果它們能夠正常讀寫，則可說(shuō)明DM9000網(wǎng)卡應(yīng)工作在正常狀態(tài)下。

在測(cè)試程序進(jìn)行編譯運(yùn)后，運(yùn)行過(guò)程中，用萬(wàn)用表分別測(cè)量4個(gè)所對(duì)應(yīng)引腳的電壓，經(jīng)測(cè)試為3.3V，說(shuō)明該引腳硬件正常，則芯片工作在正常狀態(tài)下。

3.3   驅(qū)動(dòng)程序測(cè)試

測(cè)試過(guò)程中在目標(biāo)機(jī)上編寫基于TCP協(xié)議的tcpServer()任務(wù)作為測(cè)試用程序，其功能是實(shí)現(xiàn)最簡(jiǎn)單TCP服務(wù)器端程序。上位機(jī)運(yùn)行相應(yīng)的Client客戶端程序，由兩端組成TCP的Client-Sever系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)接口的速度測(cè)試和可靠性的測(cè)試。

表4-1 測(cè)試項(xiàng)目及結(jié)果

測(cè)試結(jié)論：通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序的測(cè)試，證明所開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)了所有先期設(shè)計(jì)功能，并在速度上得到了驗(yàn)證，能夠滿足大批量數(shù)據(jù)的傳輸工作。

傳送3個(gè)包到202.108.9.39，從202.108.9.39接收3個(gè)包，無(wú)丟失。

本文創(chuàng)新點(diǎn)：S3C2410A內(nèi)部沒(méi)有內(nèi)嵌的專用網(wǎng)卡控制器，因此在以S3C2410A為硬件平臺(tái)的嵌入式設(shè)備中增設(shè)網(wǎng)卡模塊，必須自行設(shè)計(jì)接口電路并進(jìn)行相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)開發(fā)，本文使用SBC2410（ARM920T內(nèi)核)開發(fā)板，作為軟硬件運(yùn)行的硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)DM9000快速以太網(wǎng)網(wǎng)卡硬件電路并進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)。

采用此方案設(shè)計(jì)的網(wǎng)卡接口電路可應(yīng)用到多種嵌入式設(shè)備中，在稅控收款機(jī)應(yīng)用中直接經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)20余萬(wàn)元。

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