聊一聊以太網(wǎng)發(fā)送描述符

以下文章來(lái)源于開(kāi)心果 Need Car ，作者開(kāi)心果 Need Car

相對(duì)于其他總線，以太網(wǎng)的知識(shí)龐雜，當(dāng)然，可獲取的資料也豐富。以太網(wǎng)的知識(shí)從驅(qū)動(dòng)層到上層協(xié)議棧，很難一下消化，所以，不妨從點(diǎn)開(kāi)始，不斷地拓展和鏈接，從而形成完整地以太網(wǎng)知識(shí)框架，進(jìn)而更好地解決工程問(wèn)題。

本文，從通信出發(fā)，聊一聊以太網(wǎng)發(fā)送描述符（Transmit Descriptor）。

提示：基于TC4xx討論。

1、Transmit Descriptor

我們知道：相比與CAN、Lin等總線，以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)吞吐量比較大，eg：1500bytes。如果讓CPU干數(shù)據(jù)搬運(yùn)工作，尤其大量數(shù)據(jù)搬運(yùn)工作，這有點(diǎn)"屈才"。所以，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了最大程度的釋放CPU，在以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)搬運(yùn)中，會(huì)使用專門(mén)的DMA（Direct Memory Access）搬運(yùn)。如果想讓DMA知道如何搬運(yùn)數(shù)據(jù)，就需要提前告知其搬運(yùn)規(guī)則，因此，描述符（Descriptor）應(yīng)用而生。對(duì)于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送，則使用Transmit Descriptor描述以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的發(fā)送規(guī)則。

Transmit Descriptor有兩種格式：Read格式和Write-Back格式。Transmit Descriptor Read Format如下所示：

如上圖，在進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，需要注意字節(jié)序（單片機(jī)一般是小端模式），而如上的描述符可能需要大端處理。

Transmit Normal Descriptor (Write-Back Format)，示意如下：

當(dāng)DMA完成數(shù)據(jù)搬運(yùn)以后，會(huì)對(duì)描述符進(jìn)行寫(xiě)回操作，主要操作TDES3的OWN和DESC STATUS位域，將發(fā)送狀態(tài)反饋給Application。

（一）Application與DMA的"握手"

描述符是Application與DMA之間的紐帶，Application通過(guò)描述符將待發(fā)送的信息填充到Transmit Descriptor中，DMA通過(guò)判斷DES3.OWN獲取發(fā)送請(qǐng)求。即：Application需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將數(shù)據(jù)地址放入Buffer1（對(duì)應(yīng)DES0），同時(shí)，將一些控制信息寫(xiě)入可用的Transmit Descriptor中，最后，設(shè)置DES3.OWN = 1，請(qǐng)求DMA發(fā)送數(shù)據(jù)，這一步可以看作：Application將操作后的發(fā)送描述符控制權(quán)交給DMA；當(dāng)DMA發(fā)送完數(shù)據(jù)以后，將對(duì)應(yīng)發(fā)送描述符的DES3.OWN復(fù)位（=0），這一步可以看作：DMA將目標(biāo)描述符的控制權(quán)返還給Application。通過(guò)DES3.OWN，Application與DMA進(jìn)行交流，也就是"握手"動(dòng)作，進(jìn)而保證數(shù)據(jù)有序交互，示意如下：

DMA發(fā)送完成或者接收完成，一般會(huì)有中斷觸發(fā)，如果有特殊操作，也可以在中斷回調(diào)函數(shù)中處理。

2、描述符鏈表

實(shí)際使用中，常常使用環(huán)形DMA描述符結(jié)構(gòu)（DMA Descriptor Ring），示意如下：

如上結(jié)構(gòu)，大家并不陌生。這里，我們需要注意一些細(xì)節(jié)。

（一）描述符間隔

當(dāng)使用多個(gè)描述符時(shí)，描述符之間可以設(shè)置間隔（eg：DMA_Ch(#i)_Control寄存器的DSL位域，Descriptor Skip Length）。間隔設(shè)置多少需要根據(jù)手冊(cè)要求，本文可以設(shè)置的數(shù)據(jù)間隔：DWord（8 byte）的整數(shù)倍，如果DSL = 0，則意味著描述符間沒(méi)有間隔。

（二）發(fā)送描述符操作的寄存器

理解以太網(wǎng)發(fā)送，還需要理解與描述符操作相關(guān)的寄存器。本文聚焦發(fā)送相關(guān)的幾個(gè)DMA寄存器：

DMA_CHi_TXDESC_LIST_ADDRESS：發(fā)送描述符的基地址，指向發(fā)送描述符鏈表的第一個(gè)描述符，初始化時(shí)賦值；

DMA_CHi_CURRENT_APP_TXDESC：當(dāng)前發(fā)送描述符，指向DMA當(dāng)前可用的描述符；

DMA_CHi_TXDESC_RING_LENGTH：存放發(fā)送描述符長(zhǎng)度，可使用長(zhǎng)度 = n + 1（n是寄存器中存儲(chǔ)的實(shí)際值）；

DMA_CHi_TXDESC_TAIL_POINTER：發(fā)送描述符尾指針，每次請(qǐng)求發(fā)送以太網(wǎng)Frame后，需要Application更新Transmit Descriptor地址，即：指向下一個(gè)可用的空閑描述符地址。

如果Current Descriptor Pointer == Descriptor Tail Pointer，則DMA會(huì)自動(dòng)掛起(Suspend)，停止數(shù)據(jù)搬運(yùn)。當(dāng)Application再次請(qǐng)求數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，需要向Descriptor Tail Pointer中寫(xiě)入發(fā)送信息，偏移Descriptor Tail Pointer，使其滿足：Current Descriptor Pointer < Descriptor Tail Pointer。如果Descriptor Tail Pointer偏移到尾部，則重新回到Descriptor Base Address。

3、以太網(wǎng)幀發(fā)送流程

以太網(wǎng)Frame的發(fā)送流程，示意如下：

具體發(fā)送流程解讀：

1、Application通過(guò)DMA_CHi_CURRENT_APP_TXDESC寄存器獲取當(dāng)前可用的發(fā)送描述符地址，將發(fā)送信息填充到可用的發(fā)送描述符中，即：告知DMA搬運(yùn)規(guī)則。之后，Application將TDES3.OWN置位（=1），請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)；

2、DMA能否搬運(yùn)數(shù)據(jù)，需要判斷DMA的工作模式，如果DMA處于Stop模式，需要重新啟動(dòng)DMA。通過(guò)判斷DMA_CHj_Status (j=0-7)的TPS（Transmit Process Stopped）位域確認(rèn)其是否處于Stop模式。具體描述：如果TPS == 1，表示DMA處于Stop模式，需要向TPS位域?qū)?清除，同時(shí)，進(jìn)行DMA使能操作。當(dāng)然，還可以進(jìn)一步的檢查其他信息，eg：TBU（Transmit Buffer Unavailable）；

3、當(dāng)Application將描述符的控制權(quán)交給DMA以后，還需要Transmit Poll Demand，即：向DMA_CHi_TXDESC_TAIL_POINTER寄存器寫(xiě)入信息，一般寫(xiě)入下一個(gè)可用發(fā)送描述符地址，讓DMA脫離掛起狀態(tài)，去查詢待處理的發(fā)送描述符信息；

4、當(dāng)DMA發(fā)送完數(shù)據(jù)以后，DMA_CHi_CURRENT_APP_TXDESC寄存器的發(fā)送描述符地址自動(dòng)偏移一個(gè)，如果Current Descriptor Pointer < Descriptor Tail Pointer，DMA繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)；如果Current Descriptor Pointer == Descriptor Tail Pointer，DMA隨即掛起(Suspend)，停止數(shù)據(jù)搬運(yùn)，同時(shí)，數(shù)據(jù)的發(fā)送狀態(tài)回寫(xiě)（write-back）到TDES3中。

數(shù)據(jù)的發(fā)送流程關(guān)鍵步驟如上，理解了數(shù)據(jù)發(fā)送，也就不難理解數(shù)據(jù)的接收過(guò)程。

（一）DMA狀態(tài)變化流程

1、以太網(wǎng)專用DMA初始化以后，如果沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送，進(jìn)入Suspend狀態(tài)。此時(shí)，DMA_CHi_TXDESC_TAIL_POINTER指向空，示意如下：

2、Application請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，從DMA_CHi_CURRENT_APP_TXDESC寄存器獲取可用的發(fā)送描述符地址，填充發(fā)送規(guī)則。向DMA_CHi_TXDESC_TAIL_POINTER寄存器寫(xiě)入下一個(gè)可用描述符地址，使其滿足Current Descriptor Pointer < Descriptor Tail Pointer，即：觸發(fā)DMA發(fā)送，示意如下：

3、Frame發(fā)送完成以后，DMA_CHi_CURRENT_APP_TXDESC寄存器中的可用描述符地址，自動(dòng)向后偏移一個(gè)，使得Current Descriptor Pointer == Descriptor Tail Pointer，DMA隨即掛起(Suspend)，示意如下：