基于S3C44B0X+μcLinux的嵌入式以太網設計
隨著半導體技術的飛速發展，嵌入式產品已經廣泛應用于軍事、消費電子、網絡通信、工業控制等各個領域，網絡化是嵌入式系統發展的必然趨勢。嵌入式Linux 作為具有開放的源代碼、優秀的網絡性能、可裁減等諸多優點的操作系統，非常適合用于具有網絡功能的嵌入式系統。本文介紹了以S3C44B0X 的ARM處理器和RTL8019AS 以太網控制器為基礎的網絡接口設計，并闡述了怎樣在嵌入式操作系統μcLinux 下實現對網卡的驅動。
S3C44B0X 處理器介紹
ARM是業界著名的芯片設計IP 供應商，其32 位RISC 微處理器占據了全球80%以上的市場份額。ARM7 系列處理器也是目前市場上最成熟、應用最廣的處理器。SAMSUNG 公司推出的S3C44B0X 就是以ARM7TDMI 為內核的一款16/32 位RISC 處理器。它采用0.25μm CMOS 工藝制造，為手持設備和一般應用提供了高性價比和高性能的微處理器解決方案。S3C44B0X 通過提供全面的、通用的片上外設，大大減少了外圍的元器件配置，
從而使系統成本大為降低。S3C44B0X 芯片的內部結構如圖1 所示。
網絡接口的電路設計
在介紹電路設計之前，先簡要介紹一下網絡控制器RTL8019AS 的情況。RTL8019AS 是臺灣REALTEK公司生產的一款性價比很高的、帶有即插即用功能的全雙工以太網控制器。它內部集成了兩塊RAM，一塊16KB，地址為0x4000~0x7FFF；一塊32 字節，地址為0x0000～0x001F。16K 的RAM用作收發數據的緩沖區，一般將0x4000～0x46FF 作為發送緩沖區，0x4700～0x7FFF 作為接收緩沖區。圖2 是針對S3C44B0X，用RTL8019AS、74LV138（3- 8 譯碼器）、FB2022（網卡變壓器）設計的以太網接口電路。
該電路數據寬度為16 位，使用外部中斷EXINT3。處理器的片選信號nGCS1 和A16、A17、A18 通過74LV138 輸出為網卡的使能控制端。nOE 和nWE控制網卡的讀寫，nRESET 控制網卡的復位，FB2022起變壓濾波的作用。
μcLinux 操作系統和網絡驅動開發介紹
本系統為什么要選擇μcLinux
Linux以其開放的源代碼、強大的網絡功能等諸多優點而成為當今流行的操作系統之一。μcLinux 從Linux 內核派生而來，沿襲了Linux 的大部分特性，專門針對沒有MMU（存儲器管理單元）的CPU，并且為嵌入式系統做了很多小型化工作，它內核小，但功能強大，系統健壯，并且具有廣泛的硬件支持特性，是一個優秀的嵌入式操作系統。S3C44B0X 正是一款沒有MMU 的處理器，所以在該系統中，操作系統選擇μcLinux 是非常合適的。
μcLinux 下網絡驅動開發簡介
μcLinux 和Linux 下驅動的實現過程基本相同。linux 將所有的設備看作具體的文件，通過文件系統層對設備進行訪問。所以在linux/uclinux 的框架結構中，和設備相關的處理可以分為兩個層次— —文件系統層和設備驅動層。設備驅動層屏蔽具體設備的細節，文件系統層則向用戶提供一組統一的規范的用戶接口。這種設備管理方法可以很好的做到“設備無關性”，使linux/uclinux 可以根據硬件外設的發展進行方便的擴展，比如要實現一個設備驅動程序，只要根據具體的硬件特性向文件系統提供一組訪問接口即可。整個設備管理子系統的結構如圖3 所示。
在Linux/μclinux 中，整個網絡接口驅動程序的框架可分為四層，從上到下分別為協議接口層、網絡設備接口層、提供實際功能的設備驅動功能層、以及網絡設備和網絡媒介層。這個框架在內核網絡模塊中已經搭建好了，我們在設計網絡驅動程序時，要做的主要工作就是根據上層網絡設備接口層定義的net_device結構和底層具體的硬件特性，完成設備驅動的功能。在網絡驅動程序部分主要有兩個數據結構，一個是sk_buff，TCP/IP 中不同協議層間以及和網絡驅動程序之間數據包的傳遞都是通過這個結構體來完成的，這個結構體主要包括傳輸層、網絡層、連接層需要的變量，決定數據區位置和大小的指針，以及發送接收數據包所用到的具體設備信息等。它的詳細定義可參閱內核源代碼。
另一個就是net_device 結構，它的定義在中。這個結構是網絡驅動程序的核心，它定義了很多供系統訪問和協議層調用的設備標準的方法，包括供設備初始化和往系統注冊用的init 函數，打開和關閉網絡設備的open 和stop 函數，處理數據包發送的函數hard_start_xmit，以及中斷處理函數等，接口狀態統計函數等。
RTL8019AS 驅動程序的實現
嵌入式系統開發中，設備驅動的編寫會占用很大的工作量。下面詳細介紹在本系統中網卡驅動程序設計的步驟。
* 初始化函數
static int RTL8019_init(struct net_device *dev)
{
調用ether_setup (dev) 函數設置通用的以太網接口；
填充net_device 數據結構的屬性字段；
調用kmalloc 申請需要的內存空間；
手動設置MAC 地址；
}
* 設備打開與關閉函數
static int RTL8019_open(struct net_device *dev)
{
關閉中斷；
注冊中斷號和I/O 地址；
初始化設備的寄存器；
使能中斷；
}
設備關閉函數與打開函數的動作相反。
* 數據包發送函數
static int RTL8019_sen
dpacket(struct sk_buff *skb,
struct net_device *dev)
{
將標志位tbusy 打開；
將數據包寫入RTL8019 的發送緩沖區，啟動DMA 發送功能；
釋放緩沖區；
}
* 數據包接收函數
static int RTL8019_rx( int irq, void *dev_id, structpt_regs *regs)
{
申請skb 緩存區存儲新的數據包；
從硬件中讀取新到達的數據；
調用函數netif_rx()，將新的數據包向網絡協議的上一層傳送；
}
最后，將驅動程序編譯進內核，由于μcLinux 不支持模塊動態加載，因此必須使用靜態編譯的方法。如果一切正常的話，使用ifconfig、route add 命令設置IP地址和子網掩碼，網卡就能正常工作了。
結束語
RTL8019AS 以太網控制器以其優良的性能在嵌入式系統中得到了廣泛的應用，而μcLinux行通信和交換數據。試驗表明，用HPI 接口在C5416和S3C4510B 間通信滿足嵌入式系統的實時性要求。
S3C44B0X 處理器介紹
ARM是業界著名的芯片設計IP 供應商，其32 位RISC 微處理器占據了全球80%以上的市場份額。ARM7 系列處理器也是目前市場上最成熟、應用最廣的處理器。SAMSUNG 公司推出的S3C44B0X 就是以ARM7TDMI 為內核的一款16/32 位RISC 處理器。它采用0.25μm CMOS 工藝制造，為手持設備和一般應用提供了高性價比和高性能的微處理器解決方案。S3C44B0X 通過提供全面的、通用的片上外設，大大減少了外圍的元器件配置，
從而使系統成本大為降低。S3C44B0X 芯片的內部結構如圖1 所示。
網絡接口的電路設計
在介紹電路設計之前，先簡要介紹一下網絡控制器RTL8019AS 的情況。RTL8019AS 是臺灣REALTEK公司生產的一款性價比很高的、帶有即插即用功能的全雙工以太網控制器。它內部集成了兩塊RAM，一塊16KB，地址為0x4000~0x7FFF；一塊32 字節，地址為0x0000～0x001F。16K 的RAM用作收發數據的緩沖區，一般將0x4000～0x46FF 作為發送緩沖區，0x4700～0x7FFF 作為接收緩沖區。圖2 是針對S3C44B0X，用RTL8019AS、74LV138（3- 8 譯碼器）、FB2022（網卡變壓器）設計的以太網接口電路。
該電路數據寬度為16 位，使用外部中斷EXINT3。處理器的片選信號nGCS1 和A16、A17、A18 通過74LV138 輸出為網卡的使能控制端。nOE 和nWE控制網卡的讀寫，nRESET 控制網卡的復位，FB2022起變壓濾波的作用。
μcLinux 操作系統和網絡驅動開發介紹
本系統為什么要選擇μcLinux
Linux以其開放的源代碼、強大的網絡功能等諸多優點而成為當今流行的操作系統之一。μcLinux 從Linux 內核派生而來，沿襲了Linux 的大部分特性，專門針對沒有MMU（存儲器管理單元）的CPU，并且為嵌入式系統做了很多小型化工作，它內核小，但功能強大，系統健壯，并且具有廣泛的硬件支持特性，是一個優秀的嵌入式操作系統。S3C44B0X 正是一款沒有MMU 的處理器，所以在該系統中，操作系統選擇μcLinux 是非常合適的。
μcLinux 下網絡驅動開發簡介
μcLinux 和Linux 下驅動的實現過程基本相同。linux 將所有的設備看作具體的文件，通過文件系統層對設備進行訪問。所以在linux/uclinux 的框架結構中，和設備相關的處理可以分為兩個層次— —文件系統層和設備驅動層。設備驅動層屏蔽具體設備的細節，文件系統層則向用戶提供一組統一的規范的用戶接口。這種設備管理方法可以很好的做到“設備無關性”，使linux/uclinux 可以根據硬件外設的發展進行方便的擴展，比如要實現一個設備驅動程序，只要根據具體的硬件特性向文件系統提供一組訪問接口即可。整個設備管理子系統的結構如圖3 所示。
在Linux/μclinux 中，整個網絡接口驅動程序的框架可分為四層，從上到下分別為協議接口層、網絡設備接口層、提供實際功能的設備驅動功能層、以及網絡設備和網絡媒介層。這個框架在內核網絡模塊中已經搭建好了，我們在設計網絡驅動程序時，要做的主要工作就是根據上層網絡設備接口層定義的net_device結構和底層具體的硬件特性，完成設備驅動的功能。在網絡驅動程序部分主要有兩個數據結構，一個是sk_buff，TCP/IP 中不同協議層間以及和網絡驅動程序之間數據包的傳遞都是通過這個結構體來完成的，這個結構體主要包括傳輸層、網絡層、連接層需要的變量，決定數據區位置和大小的指針，以及發送接收數據包所用到的具體設備信息等。它的詳細定義可參閱內核源代碼。
另一個就是net_device 結構，它的定義在中。這個結構是網絡驅動程序的核心，它定義了很多供系統訪問和協議層調用的設備標準的方法，包括供設備初始化和往系統注冊用的init 函數，打開和關閉網絡設備的open 和stop 函數，處理數據包發送的函數hard_start_xmit，以及中斷處理函數等，接口狀態統計函數等。
RTL8019AS 驅動程序的實現
嵌入式系統開發中，設備驅動的編寫會占用很大的工作量。下面詳細介紹在本系統中網卡驅動程序設計的步驟。
* 初始化函數
static int RTL8019_init(struct net_device *dev)
{
調用ether_setup (dev) 函數設置通用的以太網接口；
填充net_device 數據結構的屬性字段；
調用kmalloc 申請需要的內存空間；
手動設置MAC 地址；
}
* 設備打開與關閉函數
static int RTL8019_open(struct net_device *dev)
{
關閉中斷；
注冊中斷號和I/O 地址；
初始化設備的寄存器；
使能中斷；
}
設備關閉函數與打開函數的動作相反。
* 數據包發送函數
static int RTL8019_sen
dpacket(struct sk_buff *skb,
struct net_device *dev)
{
將標志位tbusy 打開；
將數據包寫入RTL8019 的發送緩沖區，啟動DMA 發送功能；
釋放緩沖區；
}
* 數據包接收函數
static int RTL8019_rx( int irq, void *dev_id, structpt_regs *regs)
{
申請skb 緩存區存儲新的數據包；
從硬件中讀取新到達的數據；
調用函數netif_rx()，將新的數據包向網絡協議的上一層傳送；
}
最后，將驅動程序編譯進內核，由于μcLinux 不支持模塊動態加載，因此必須使用靜態編譯的方法。如果一切正常的話，使用ifconfig、route add 命令設置IP地址和子網掩碼，網卡就能正常工作了。
結束語
RTL8019AS 以太網控制器以其優良的性能在嵌入式系統中得到了廣泛的應用，而μcLinux行通信和交換數據。試驗表明，用HPI 接口在C5416和S3C4510B 間通信滿足嵌入式系統的實時性要求。
文章版權歸西部工控xbgk所有，未經許可不得轉載。
服務咨詢