基于Linux 2.4和PXA255處理器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用方案

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用到了社會生活的各個(gè)角落。后PC時(shí)代是嵌入式和網(wǎng)絡(luò)化的時(shí)代，將分散在各處的嵌入式設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)成為近年來以及未來的發(fā)展趨勢，隨時(shí)隨地都能通過網(wǎng)絡(luò)去控制這些智能設(shè)備，在多種嵌入式設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，例如信息終端、信息家電等。

用戶可以通過信息終端從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商提供的服務(wù)中搜索并瀏覽有用的信息，實(shí)現(xiàn)全面交流和互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)新型的信息金融終端的概念，同時(shí)，用戶也可享受到網(wǎng)上金融信息、網(wǎng)上購物、視頻會議等其他服務(wù)。

本文提出了一種基于Linux 2.4操作系統(tǒng)平臺和Intel PXA255處理器的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案，分析了其軟硬件實(shí)現(xiàn)以及Linux下網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的特性。

1 網(wǎng)卡設(shè)備

本方案使用的CS8900A是一款低功耗的網(wǎng)絡(luò)控制器，包含一塊片上 RAM、10BASE-T接收和發(fā)送濾波器、ISA總線接口，提供了多種性能和配置選項(xiàng)，它獨(dú)立的包頁（packet page）體系結(jié)構(gòu)能自適應(yīng)改變網(wǎng)絡(luò)通信模式和可用的系統(tǒng)資源，提高了系統(tǒng)效率。該控制器支持IEEE 802.3的10 Mbit／s模式，全雙工單片以太網(wǎng)解決方案。主要模塊有：一個(gè)直接ISA總線接口；一個(gè)802.3 MAC引擎，處理以太網(wǎng)幀發(fā)送和接收的各個(gè)方面；集成4 kB的頁可緩沖存儲器，將發(fā)送和接收的幀完全緩沖在網(wǎng)卡中；一個(gè)串口EEPROM接口；完全模擬前端10BASE-T（10 Mbit／s）和AUI（粗纜網(wǎng)卡接口）。

2 Linux驅(qū)動(dòng)

Linux驅(qū)動(dòng)分為字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)。字符設(shè)備是能夠像字節(jié)流一樣被訪問的設(shè)備，大多數(shù)字符設(shè)備只能被順序訪問。塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供面向塊的設(shè)備的訪問，這種設(shè)備以隨機(jī)訪問的方式傳輸數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)總是具有固定大小的塊，這些塊中包含了2的幾次冪字節(jié)的數(shù)據(jù)，硬盤就是典型的塊設(shè)備。

在Linux中，字符設(shè)備和塊設(shè)備都是通過文件系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)被訪問，塊驅(qū)動(dòng)程序除了向內(nèi)核提供與字符驅(qū)動(dòng)程序相同的接口外，還提供了專門面向塊驅(qū)動(dòng)設(shè)備的接口。

網(wǎng)絡(luò)接口在系統(tǒng)中的角色與一個(gè)已掛裝的塊設(shè)備非常相似。塊設(shè)備將自己注冊到blk_dev數(shù)組以及其他內(nèi)核結(jié)構(gòu)中，然后通過自己的request函數(shù)在發(fā)生請求時(shí)“發(fā)送”和“接收”數(shù)據(jù)塊。同樣，網(wǎng)絡(luò)接口也必須在特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中注冊自己，以便在與外界交換數(shù)據(jù)包時(shí)被調(diào)用。但是，塊設(shè)備接口與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包發(fā)送接口之間存在不同。普通的文件操作對網(wǎng)絡(luò)接口來說沒有任何意義，因此，Unix的“所有東西都是文件”這一思想無法應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)接口。這樣，網(wǎng)絡(luò)接口存在于它們自己的名字空間中，同時(shí)導(dǎo)出一組不同的操作。同一網(wǎng)絡(luò)接口可以由幾百個(gè)套接字同時(shí)復(fù)用。塊沒備驅(qū)動(dòng)只對來自內(nèi)核的請求做出響應(yīng)，而網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序卻異步地接收來自外界的數(shù)據(jù)包。

網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序同時(shí)必須支持大量的管理任務(wù)，例如設(shè)置地址、修改傳輸參數(shù)以及維護(hù)流量和錯(cuò)誤統(tǒng)計(jì)等。網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序的API反映了這種需求。此外，網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序與內(nèi)核其余部分之間每次交互處理的是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，因此，驅(qū)動(dòng)程序無需關(guān)心協(xié)議問題。

3 實(shí)現(xiàn)方案

3.1 硬件連接

硬件平臺使用Intel PXA255處理器作為主機(jī)，工作頻率400 MHz，網(wǎng)卡的品振為20 MHz，網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)線和地址線通過緩沖后與CPU直接相連。

網(wǎng)卡的讀寫使能引腳IOR／IOW信號主要由CPU采用Flash存儲器的方式給出，與PWE和MOE兩個(gè)引腳分別連接，其有效時(shí)間由CPU內(nèi)部的寄存器配置而得。

網(wǎng)卡內(nèi)部寄存器使能引腳AEN由CPU片選腳E_CS組合得出，而網(wǎng)卡復(fù)位引腳則通過CPU的一個(gè)GPIO口給出。

從電路中可以看出只使用了4根地址線，因此，對網(wǎng)卡中的寄存器的訪問采用packet page寄存器間接尋址，即通過地址線先對packet page訪問，將欲訪問的寄存器R的偏移地址送到packet page寄存器中，然后通過數(shù)據(jù)線去讀或者寫此寄存器。

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)可看做是連接網(wǎng)絡(luò)層與實(shí)際網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的一個(gè)軟件層。在網(wǎng)卡設(shè)備驅(qū)動(dòng)中，通過維護(hù)一個(gè)名為net_device結(jié)構(gòu)的dev指針來實(shí)現(xiàn)上層對驅(qū)動(dòng)程序的訪問。這個(gè)結(jié)構(gòu)包括了對管理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備所必須完成的操作，包括設(shè)備的打開、關(guān)閉、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)、獲得狀態(tài)、設(shè)置網(wǎng)卡地址、處理超時(shí)等。

以下主要介紹這些操作的實(shí)現(xiàn)，包括設(shè)備的初始化和注銷、對中斷事件的處理。

3.2.1 設(shè)備初始化

由于需要通過Memory模式訪問網(wǎng)卡設(shè)備，因此需要配置存儲器控制寄存器VLIO（Variable Latency）模式。關(guān)聯(lián)設(shè)備的初始化探測函數(shù)cirrus_probe，在cirrus_probe函數(shù)中主要是填充該設(shè)備的Dev結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)接口探測方式不同，所以不能在編澤階段進(jìn)行Dev結(jié)構(gòu)的設(shè)置。這樣從Dev→init返回時(shí)，Dev結(jié)構(gòu)中就應(yīng)該填充正確的值。Dev結(jié)構(gòu)中包含相關(guān)的網(wǎng)卡操作函數(shù)的指針，為上層調(diào)用網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)提供方法。內(nèi)核提供了ethr_setup函數(shù)，可處理以太網(wǎng)的某些缺省設(shè)置。在探測函數(shù)中還要分配net_device的priv字段，該字段所指向的數(shù)據(jù)項(xiàng)通常包含接口上的統(tǒng)計(jì)信息。用戶可以在任何時(shí)刻通過調(diào)用ifconfig獲得統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，向內(nèi)核注冊網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

這里簡要介紹網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)中兩個(gè)重要的結(jié)構(gòu)體：Linux內(nèi)核提供的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)設(shè)備結(jié)構(gòu)net_device，定義了系統(tǒng)統(tǒng)一的訪問接口，此結(jié)構(gòu)體位于網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)層的核心地位；net_device_stats結(jié)構(gòu)體用來記錄網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)量的統(tǒng)計(jì)信息，例如發(fā)送包的數(shù)目以及丟失包的數(shù)目。當(dāng)應(yīng)用程序需要獲得接口的統(tǒng)計(jì)信息時(shí)，將調(diào)用該方法。

3.2.2 設(shè)備的注銷

設(shè)備的注銷過程與設(shè)備初始化的過程相反，釋放網(wǎng)卡的地址空間及網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)使用的其他相關(guān)資源，注銷網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的Dev結(jié)構(gòu)。

3.2.3 中斷處理

網(wǎng)卡工作有輪循和中斷兩種模式。輪循模式會大量占用CPU資源，影響嵌入式系統(tǒng)性能，因此這里選擇中斷模式。有5種情況會觸發(fā)中斷，每種情況對應(yīng)不同的中斷寄存器，中斷發(fā)生會將某一模式寄存器的相應(yīng)位置位，并且把這種模式寄存器中的內(nèi)容映射到中斷狀態(tài)寄存器。當(dāng)有中斷事件發(fā)生后，進(jìn)入中斷例程，首先讀取中斷狀態(tài)寄存器的內(nèi)容，然后根據(jù)其中的信息判斷是哪種情況觸發(fā)的中斷，最后進(jìn)入相應(yīng)的分支進(jìn)行處理。

3.2.4 對5種中斷狀態(tài)的處理

1） 接收幀

當(dāng)網(wǎng)卡接收到數(shù)據(jù)就會觸發(fā)一次中斷，在中斷例程中調(diào)用接收包的函數(shù)cirrus_receive。首先讀取接收的狀態(tài)和長度，使用dev_alloc_skb分配一段足夠大小的緩沖區(qū)，得到該包的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議ID號，在一個(gè)申請好的sK_buff的緩沖區(qū)中保留一塊空間，這個(gè)空間一般是用做下一層協(xié)議的頭空間；接著將網(wǎng)卡接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)讀到skb緩沖區(qū)中，再使用netif_rx通知上層協(xié)定有新的封包傳人。當(dāng)一個(gè)封包傳送完成后，必須將緩沖區(qū)釋放。

2） 發(fā)送幀

當(dāng)主機(jī)要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)調(diào)用hard_start_xmit方法將數(shù)據(jù)放人外發(fā)隊(duì)列，而此方法關(guān)聯(lián)的函數(shù)就是cirrus_send_start。內(nèi)核處理后的每個(gè)數(shù)據(jù)包位于一個(gè)套接字緩沖區(qū)（struct sK_buff）結(jié)構(gòu)，核心處理的每個(gè)包包含在一個(gè)套接字緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)，輸入輸出緩沖區(qū)都是sk_buff結(jié)構(gòu)的鏈表，傳遞給hard_start_xmit的套接字緩沖區(qū)含有物理包，它具有傳輸層的包頭。接口不需要修改被發(fā)送的數(shù)據(jù)。實(shí)際的硬件接口是異步傳輸數(shù)據(jù)包的，硬件中有緩沖區(qū)以保存要外發(fā)的數(shù)據(jù)包，但是此緩沖空間非常有限。在此函數(shù)中首先通知上層表明硬件緩沖區(qū)已經(jīng)用完不要再送封包下來，然后向網(wǎng)卡發(fā)命令表示要開始發(fā)送數(shù)據(jù)并且指明發(fā)送數(shù)據(jù)的長度，接著讀BusST寄存器判斷當(dāng)前網(wǎng)卡狀態(tài)，如果主機(jī)中的發(fā)送緩沖區(qū)可用，則將SKB中數(shù)據(jù)發(fā)到網(wǎng)卡的緩沖區(qū)中，最后釋放SKB。如果網(wǎng)卡將數(shù)據(jù)發(fā)送成功，則會觸發(fā)一次中斷，在中斷處理例程中將net_device_stats結(jié)構(gòu)體中的tx_packets（表示發(fā)送的包的個(gè)數(shù)）元素遞增并通知上層可繼續(xù)送包下來。

3） BufEvent

Buffer事件當(dāng)RxMiss置位表示由于數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)中搬移到主機(jī)速度較慢而丟失了一些接收的幀，讀寄存器獲取丟失的包的數(shù)目。當(dāng)TxUnderrun置位表示在幀結(jié)束前網(wǎng)卡運(yùn)行已過時(shí)。改變網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)結(jié)構(gòu)體中對應(yīng)元素的值，接著通知上層可往下發(fā)送包數(shù)據(jù)。

4） TxCOL

當(dāng)傳輸出現(xiàn)沖突錯(cuò)誤時(shí)，通過讀寄存器值得到當(dāng)前沖突的個(gè)數(shù)，加到統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)體中的對應(yīng)元素值上。

5） RxMISS

讀寄存器獲取丟失幀的個(gè)數(shù)。

3.2.5 傳輸超時(shí)的處理

驅(qū)動(dòng)程序要處理硬件不能正確響應(yīng)的情況，比如中斷丟失或者接口工作異常等。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)使用大量定時(shí)器控制的多個(gè)狀態(tài)機(jī)之間流轉(zhuǎn)來檢測傳輸超時(shí)，因此本驅(qū)動(dòng)程序中無需自己檢測超時(shí)間題而只是通過net_device結(jié)構(gòu)的watchdog_timeo字段設(shè)置超時(shí)劇期為10 ms，對于一般的傳輸超時(shí)，此值能滿足要求。當(dāng)檢測到系統(tǒng)時(shí)間超過設(shè)備傳輸開始的時(shí)間至少1個(gè)超時(shí)周期，網(wǎng)絡(luò)層將調(diào)用cirrus_transmit_timeout方法，解決超時(shí)所要做的工作，主要是在統(tǒng)計(jì)信息中標(biāo)記該錯(cuò)誤，同時(shí)調(diào)用netif_wake_queue重新啟動(dòng)傳輸隊(duì)列。

3.2.6 測試結(jié)果

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)測試主要從底層硬件測試和上層網(wǎng)絡(luò)測試兩個(gè)方面進(jìn)行。底層硬件測試使用如下方法：在內(nèi)存中開辟兩塊區(qū)域M1、M2，并按照網(wǎng)絡(luò)包的格式設(shè)置初始值，將M1中的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)卡發(fā)送出去，但是以回環(huán)方式，最終還是由主機(jī)端接收到，存放到M2中，再將M2中的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)卡發(fā)送出去，并接收回來。經(jīng)過多次循環(huán)，比較最終的數(shù)據(jù)包和先前設(shè)置的數(shù)據(jù)包是否一致，經(jīng)過此項(xiàng)測試表明在最底層數(shù)據(jù)發(fā)送和接收無誤。上層網(wǎng)絡(luò)測試使用如下方法：目標(biāo)機(jī)和PC端通過網(wǎng)線相連，目標(biāo)機(jī)端丌啟pure-ftp服務(wù)，主機(jī)端使用FlashFXP軟件，從主機(jī)分別傳送不同大?。◤? MB到20 MB）文件到目標(biāo)機(jī)，再從目標(biāo)機(jī)傳送到主機(jī)，執(zhí)行多次比較傳送文件是否有誤，并計(jì)算網(wǎng)絡(luò)傳送速度。測試結(jié)果表明網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)能較好地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的功能，速度達(dá)到2 Mbit／s～5 Mbit／s。

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于嵌入式Linux的網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方案，并介紹了Linux下網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的一些特性。此方案已應(yīng)用到基于Intel PXA255處理器的金融信息終端研發(fā)中，使用和測試表明此方案穩(wěn)定可靠，也可為其他嵌人式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備開發(fā)提供一定的參考。

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