SOHO路由器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：利用ucLinux對(duì)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持，提出了一種利用ucLinux來構(gòu)建基于ARM9 CPU的SOHO路由器的設(shè)計(jì)思想。該方案的硬件平臺(tái)核心采用美國MARVELL公司生產(chǎn)的88E6218微處理器芯片。文中詳細(xì)描述了SOHO路由器的軟、硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)流程。
關(guān)鍵詞：SOHO路由器；ucLinux；ARM9；以太網(wǎng)

O 引言
    作為互聯(lián)網(wǎng)的核心設(shè)備，路由器市場(chǎng)也越來越廣闊。網(wǎng)絡(luò)向家庭和辦公室的不斷普及，帶動(dòng)了小型路由器(即SOHO路由器)的需求?，F(xiàn)在，市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了大量面向SOHO的網(wǎng)絡(luò)通信產(chǎn)品。其中ARM9系列微處理器以性能優(yōu)越、價(jià)格低廉且技術(shù)成熟而成為目前路由器配置的首選。本文以ARM9核心芯片結(jié)合uclinux操作系統(tǒng)開發(fā)模式，詳細(xì)介紹了一種SOHO路由器的設(shè)計(jì)和技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程。

1 SOH0路由器設(shè)計(jì)思路
    路南器是一種嵌入式設(shè)備，它離不開硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)的支持，對(duì)其開發(fā)一般可以理解成三層模型：硬件設(shè)備、操作系統(tǒng)以及運(yùn)行操作系統(tǒng)之上的應(yīng)用程序。硬件設(shè)備主要由微處理器和圍繞微處理器芯片的元件電路組成，它是設(shè)備功能實(shí)現(xiàn)的硬件基礎(chǔ)；中間層就是操作系統(tǒng)，它可連接硬件部分和應(yīng)用程序，操作系統(tǒng)既要完成對(duì)底層硬件的基本操作，又應(yīng)為應(yīng)用程序提供運(yùn)行環(huán)境支持；操作系統(tǒng)之上就是應(yīng)用程序，是負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)針對(duì)性應(yīng)用的程序代碼，對(duì)應(yīng)于路由器的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和通信協(xié)議等功能模塊。

2 硬件實(shí)現(xiàn)
    SOH0路由器的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中的核心是一顆美國MARVELL公司生產(chǎn)的88E6218高性能16／32位微處理器。該芯片是專門為SOHO路由器和以太網(wǎng)交換機(jī)而設(shè)計(jì)的，相對(duì)于目前市場(chǎng)上的網(wǎng)絡(luò)通信處理器。88E6218具有性能高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。此外，該處理器還帶有DSP指令擴(kuò)展的ARM946E高性能CPU核，其工作頻率達(dá)133／150 MHz，采用16／32位RISC體系，帶有8 KB指令CACHE、8 KB數(shù)據(jù)CACHE和8 KB數(shù)據(jù)RAM，可支持uclinux和Vxwork操作系統(tǒng)內(nèi)存管理，而且內(nèi)置32位ARM指令系統(tǒng)和16位指令集。

    88E6218具有集成的以太網(wǎng)接口和交換功能，它內(nèi)部帶有一個(gè)UNIMAC結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)基于QOS機(jī)制的快速以太網(wǎng)交換功能。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。88E6218芯片具有5個(gè)支持IEEE802．3的自適應(yīng)以太網(wǎng)接口和MAC地址端口，其中包括4個(gè)10／100BASE-TX的LAN端口和1個(gè)10／100BA-SE-TX或者100BASE-FX可選擇模式的WAN端口。這些端口可支持802模式的各種路由的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，也支持10／100 Mbps二種傳輸速率以及全／半雙工傳輸功能。每個(gè)端口都有CRC效驗(yàn)、判斷、轉(zhuǎn)移功能，并具有片上數(shù)據(jù)包緩沖存儲(chǔ)器，且符合IEEE 802．3ab，802．3x，802．p，802．-1Q標(biāo)準(zhǔn)的管理功能。此外，該器件還具有IEEE 802．1p流量優(yōu)先權(quán)序列能力，可提供IEEE 802．1Q VALN功能且能夠無阻塞交換。

    88E6218芯片內(nèi)的外圍功能模塊包括SDRAM／FLASH的控制器、JTAG接口、可編程通用I／O口、UART串口接口、中斷控制器、存儲(chǔ)控制器與及電源調(diào)整引腳等。另外，88E6218還有一個(gè)重要特點(diǎn)就是提供有PHY LED燈的控制器，可以用來指示端口收發(fā)器是否連接、接收、發(fā)送、全雙工等各種工作狀態(tài)，以通過LED顯示判斷網(wǎng)絡(luò)的連接狀態(tài)。[!--empirenews.page--]
    在圖1所示的SOHO路由器中，其核心處理器就選用88E6218。該芯片提供了4個(gè)LNA口，可連接到10／100M以太網(wǎng)，另一個(gè)WAN口連接到廣域網(wǎng)，各端口之間有交換功能。根據(jù)操作系統(tǒng)的存儲(chǔ)和運(yùn)行需要，芯片還設(shè)置了SDRAM存儲(chǔ)器和FLASH存儲(chǔ)器，SDRAM存儲(chǔ)器由一片4×2 Mxl6 B的HY57V281620組成，是操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序運(yùn)行和一些數(shù)據(jù)緩存的空間。FLASH存儲(chǔ)器由一片512Kx8BIT的AM29LV040B組成，用于存放啟動(dòng)程序二進(jìn)制的B00TLEADER文件、操作系統(tǒng)以及應(yīng)用程序。20針的ARM JTAG口用于調(diào)試程序和燒寫FLASH。RS232接口用于提供配置管理功能和反映信息運(yùn)行情況。時(shí)鐘電路由一個(gè)25 MHz的晶振和濾波電容組成，RESERT電路由一塊DSl708TESA芯片加一個(gè)手動(dòng)按扭組成低電平復(fù)位。電源電路的輸入為5 V，通過DC變壓后，可在電源調(diào)整引腳偏壓下提供1．5 V、1．25 V、2．5V、3．3 V電壓給處理芯片，以供芯片順利工作。此外，電路中還有大量的濾波和穩(wěn)壓電容。為了讓使用者能清楚路由器工作狀態(tài)，系統(tǒng)連接了LED指示燈，可通過LED來判斷SOH0路由器的連接狀態(tài)和工作狀態(tài)。

3 軟件設(shè)計(jì)
    SOH0路由器的軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。本硬件平臺(tái)以不含MMU (內(nèi)存管理單元)的88E6218處理器為核心，因此，整個(gè)軟件的開發(fā)可采用不帶MMU的ARM微處理器的嵌入式操作系統(tǒng)uclinux為平臺(tái)。uclinux是專門針對(duì)沒有MMU單元的微處理器而設(shè)計(jì)的，它在標(biāo)準(zhǔn)linux基礎(chǔ)上去除了MMU支持，并進(jìn)行了適當(dāng)緊縮、裁減和優(yōu)化，再加上CGI(圖形用戶界面)，因而可實(shí)現(xiàn)TCP／IP協(xié)議以及眾多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和路由交換功能，可滿足SOHO路由器網(wǎng)絡(luò)通信功能要求。UClinux采用romfs文件格式，它比Linux的ext3文件格式需要的空間更小，其代碼加起來不超過900KB，可放
在ROM、RAM、FLASH中啟動(dòng)。由于uclinux本身是免費(fèi)的，這些源代碼可以直接從網(wǎng)上獲得，只需相對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)的需求作必要的修改即可，因而可以大大減少開發(fā)成本。

    圖3所示是SOHO路由器的軟件平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)。圖中的這些協(xié)議基本上覆蓋了所有路由器交換協(xié)議，并在管理模塊方面加入通過SNMP、WEB，故可方便地對(duì)路由器進(jìn)行設(shè)置。這些交換協(xié)議可基本滿足SOHO路由器的網(wǎng)絡(luò)通信要求。
    該SOHO路由器的軟件平臺(tái)由系統(tǒng)引導(dǎo)程序Bootloader、uCLinux內(nèi)核、應(yīng)用文件系統(tǒng)等組成。其中嵌入式系統(tǒng)引導(dǎo)程序bootloader的作用類似于PC機(jī)的BIOS的作用，但它比PC機(jī)的BIOS運(yùn)行任務(wù)更多的地方是還要將內(nèi)核映像從硬盤上讀到RAM中，然后跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的入口點(diǎn)去運(yùn)行，即啟動(dòng)操作系統(tǒng)。
3．1 系統(tǒng)引導(dǎo)
    系統(tǒng)引導(dǎo)程序主要執(zhí)行以下三個(gè)步驟：
    首先是讓PC指向復(fù)位地址入口處，即Ox200000處的Bootloader代碼。由Bootloader初始化硬件設(shè)備，建立內(nèi)存空間的映射圖，以將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。
    其次由Bootloader將控制權(quán)交給操作系統(tǒng)內(nèi)核的引導(dǎo)程序，并在設(shè)置好uCLinux內(nèi)核的啟動(dòng)參數(shù)后，開始uCLinux內(nèi)核的加載；
    最后在uCLinux內(nèi)核加載引導(dǎo)完成后啟動(dòng)init進(jìn)程，以完成系統(tǒng)的引導(dǎo)過程。
3．2 對(duì)系統(tǒng)源碼的修改
    由于Bootloader依賴于具體的嵌入式板級(jí)設(shè)備配置，所以，通常需要修改Bootloader的源程序。本例在廠方提供的Bootloader源碼里，對(duì)mvFlash．h中的static unsigned int mvFlashTypes[]函數(shù)的設(shè)置進(jìn)行了修改，并將FLASH的型號(hào)換成上述硬件平臺(tái)中的FLASH，同時(shí)重新設(shè)置了INTEL_FLASH。其三個(gè)初始化、讀、寫功能模塊，即對(duì)應(yīng)函數(shù)為unsigned int mvFlashlnit(unsigned int flashBaseAddress，unsig-ned int flashWidth，F(xiàn)LASH_DEV_MODE flashMode)，unsigned int mvFlashWriteBlock(unsigned int offset，unsigned int numOfByte，char*blockAddress)，unsigned int mvFlashReadBlock(unsigned int offset，unsigned int numOfByte．char*blockAddress)中的循環(huán)次數(shù)和執(zhí)行條件設(shè)置參數(shù)也相應(yīng)進(jìn)行了修改，只有使Bootloader初始化的硬件和具體設(shè)計(jì)硬件平臺(tái)的器件對(duì)應(yīng)起來，才能正確的驅(qū)動(dòng)硬件。
3．3 uCLinux內(nèi)核的編譯和生成
    在uCLinux內(nèi)核編譯之前，首先要對(duì)內(nèi)核進(jìn)行配置。目錄的修改一般都是在config里面進(jìn)行的，可以用make menuconfig進(jìn)入編譯界面進(jìn)行選擇編譯選項(xiàng)的配置?？筛鶕?jù)硬件平臺(tái)的構(gòu)造參數(shù)將必要選項(xiàng)選中，并將沒有必要的選項(xiàng)去掉。系統(tǒng)類型的配置應(yīng)選擇相應(yīng)的內(nèi)核然后是塊設(shè)備選擇和配置以及在塊設(shè)備選擇和配置之上的文件系統(tǒng)配置。一旦串口驅(qū)動(dòng)和uCLinux文件系統(tǒng)以及應(yīng)用系統(tǒng)等設(shè)置好，就可以完成uCL-inux內(nèi)核的配置，修改好后就可以編譯內(nèi)核。接下去執(zhí)行命令make dep，make clean，make lib_only，make user onlv，make romfs，make image．共6個(gè)步驟，最終在image目錄下生成2個(gè)文件zImage和romfs，(分別為內(nèi)核映象文件和文件系統(tǒng)的映象文件)。這就是最后要燒錄到硬件平臺(tái)里FLASH中的文件。這樣就完成了uCLinux的移植。

4 結(jié)束語
    本文較為具體地介紹了基于嵌入式ARM9SOHO路由器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法，并詳細(xì)闡明了它的硬件結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)敘述了該路由器的軟件設(shè)計(jì)思路和方法(包括操作系統(tǒng)的移植)。當(dāng)然，路由器具有很多相應(yīng)的功能，都需要通過軟件開發(fā)來實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在最新的uclinux已經(jīng)是2．6內(nèi)核了，可以用它實(shí)現(xiàn)更多網(wǎng)絡(luò)功能。