Open Ethernet IP core 介绍
来源:互联网 发布:软媒魔方mac版 编辑:程序博客网 时间:2024/06/05 21:05
Open Ethernet IP core 是一种支持 10M/100Mbps 以太网的 MAC IP core,实现数据链路层的功能,其最大的特点便是公开免费,它不同于常见的 ASIC 网卡芯片,能够很方便的集成到片上系统(SOC)设计中去。
基本结构
MAC, 即 Media Access control, 位于 OSI 七层模型中数据链路部分,主要负责控制与物理层的物理介质通信。Ethernet IP core自身实现MAC收发和控制的功能,本身不具有物理层(PHY)的功能。MAC core 对外接口有两个:和 Host 端采用 Wishbone 总线通信,对外 PHY 芯片采用通用的 MII 接口。
MAC 包含接收,发送和控制模块;
支持 MII 管理 (Media Independent Interface Management),MII 串行信号连接至外部PHY;
主机接口采用开放的 Wishbone 总线。
Wishbone 是一种片上(SOC)总线,常见的片上总线有 ARM 的 AMBA, Altera 公司的 Avalon,以及 Silicon公司的 Wishbone。以上三种总线只有 Wishbone是开放并且完全免费的总线标准。 Wishbone 由 Silicon 开发并目前由 Opencores 组织维护。
MII 实际上可分为两部分,分别是数据流和管理流。MIIM(MII Management) 是用于对外围 PHY 芯片的管理所用的,通过 MIIM 串行接口可以查看 PHY 寄存器状态等信息。
图 1. Ethernet MAC core overview
主要特性
Open Ethernet core 处于 Host(CPU) 和外围 PHY 芯片之间,实现了 MAC 层的所有功能,并且采用开放的 wishbone 总线接口,源码公开便于移植,广泛应用于 FPGA SOC(System On Chip) 设计中,Flextronics Semiconductor 公司在设计中就选用了该IP core。该 IP core 的主要特性如下:
实现 IEEE 802.3 以太网 MAC 功能
10M/100Mbps 速率;
全双工支持;
IEEE 802.3 MII;
Wishbone SOC总线接口;
内部RAM可存放128 TX/RX BD(Buffer Descriptors);
事件触发中断。
MAC registers
MAC register用于MAC操作,提供MAC core控制和状态信息。ucLinux设备驱动需要对这些寄存器进行配置。有关MAC register的操作在后面章节会有描述,在此不再赘述。
Open Ethernet Core在ucLinux-2.6上的设备驱动
目前 ucLinux-2.6已经支持 Open Ethernet MAC,在 make menuconfig 配置菜单中选中
Device driver->Network device support->Ethernet (10 or 100Mbit)->Opencores (Igor) Emac support
这样 Open Ethernet 的设备驱动将会被编译进 ucLinux 内核,负责 MAC 物理网络设备的支持。
图 2. Open Ethernet device driver in ucLinux-2.6
参见 linux/drivers/net/open_eth.c
重要的数据结构
参考 linux-2.6/include/linux/netdevice.h
a) struct net_device;
在 Linux 系统中每一个网络设备接口都对应着一个 net_device 的数据结构体, net_device 记录了网络接口的所有信息,其成员可以分为四类:
全局信息: 接口名字,状态以及初始化函数;
硬件信息:占用内存起始地址,IO 基地址和中断号以及 DMA 使用等;
接口信息:MAC接口本身的信息,比如发送队列长度,MAC地址,和接口标志(UP/BROADCAST/PROMISC) 等;
设备方法:open(), stop(), hard_start_xmit(), tx_timeout(), get_stats(), set_config() 等。
ucLinux 网络设备驱动初始化函数的部分工作便是填充上述结构成员。
b) struct oeth_private是 ucLinux open Ethernet 驱动层用于记录网络数据包的环型缓冲区而建立的数据结构,sk_buff 是用于和上层 TCP/IP 协议处理层交互的,而 oeth_bd 是用于和MAC 硬件层交互的。
struct oeth_private { struct sk_buff *rx_skbuff[OETH_RXBD_NUM]; struct sk_buff *tx_skbuff[OETH_TXBD_NUM]; ushort tx_next; /* Next buffer to be sent */ ushort tx_last; /* Next buffer to be checked if packet sent */ ushort tx_full; /* Buffer ring full indicator */ ushort rx_cur; /* Next buffer to be checked if packet received */ volatile oeth_regs *regs; /* Address of controller registers. */ volatile oeth_bd *rx_bd_base;/* Address of Rx BDs. */ volatile oeth_bd *tx_bd_base;/* Address of Tx BDs. */ struct net_device_stats stats; struct tasklet_struct oeth_rx_tasklet; struct tasklet_struct oeth_tx_tasklet; struct mii_if_info mii; spinlock_t lock;};
c) Buffer Descriptor (BD) 结构是是用于 MAC 控制和数据传递的核心数据结构。每个 BD描述 MAC 层收发的数据包,包括 len_status 和 addr 成员,len_status 描述每个数据包的长度和状态信息;addr 表示数据包存放的 RAM 地址,便于设备驱动的访问。MAC core支持最多128个 BD,每 BD 占用64bit。
struct _oeth_bd { uint len_status; uint addr; /* Buffer address */} oeth_bd;
下面两个表格分别描述了 len_status 和 addr 的位域信息
31302928272625242322212019181716Packet length1514131211109876543210RDIRQWRPADCRCReservedURRTRY[3:0]RLLCDFCSFig.3 len_status in struct _oeth_bd
31302928272625242322212019181716Buffer address[31:16]1514131211109876543210Buffer address[15:0]Fig.4 addr in struct _oeth_bd
oeth_private 包含了数据收发 oeth_bd 单向队列,打开设备时驱动必须给每个 oeth_bd addr 分配 RAM 空间, MAC 层接收到数据包会将数据自动放到 BD addr 指向的内存空间,并设置相应 len_status 状态信息,然后(在中断使能的情况下)产生中断;Linux 需要发送数据时,open Ethernet 接口驱动将从上层 TCP/IP 协议驱动层的 skbuff 数据包转移到发送缓冲 BD 的内存地址空间(BD address), 并设置好 len_status 的长度,这样便会触发 MAC 将数据包适当处理后发送出去,并在发送完成后(在中断使能的情况下)产生中断。
open ethernet 设备初始化(Device initialization)
struct net_device * __init oeth_init(int unit);
oeth_init() 是 open Ethernet 设备驱动的入口,它只会在 Linux 初始化时调用一次,之后其占用的空间会被释放掉。oeth_init() 会调用 oeth_probe() 函数分配 IO 空间(通过 iomap())对 MAC 控制器的相关配置寄存器进行设置,比如工作模式,以太帧最大最小长度,TX/RX BD pointer, 设置 MAC 地址,清除状态标志以及中断使能等;然后会调用 register_netdev() 向 Linux 内核注册该网络设备。
这里主要介绍一下 open Ethernet MAC core 几个重要的寄存器,这几个寄存器的配置正确与否直接决定着该网络设备的工作稳定性。
typedef struct _oeth_regs { uint moder; /* Mode Register */ uint int_src; /* Interrupt Source Register */ uint int_mask; /* Interrupt Mask Register */ uint ipgt; /* Back to Bak Inter Packet Gap Register */ uint ipgr1; /* Non Back to Back Inter Packet Gap Register 1 */ uint ipgr2; /* Non Back to Back Inter Packet Gap Register 2 */ uint packet_len; /* Packet Length Register (min. and max.) */ uint collconf; /* Collision and Retry Configuration Register */ uint tx_bd_num; /* Transmit Buffer Descriptor Number Register */ uint ctrlmoder; /* Control Module Mode Register */ uint miimoder; /* MII Mode Register */ uint miicommand; /* MII Command Register */ uint miiaddress; /* MII Address Register */ uint miitx_data; /* MII Transmit Data Register */ uint miirx_data; /* MII Receive Data Register */ uint miistatus; /* MII Status Register */ uint mac_addr0; /* MAC Individual Address Register 0 */ uint mac_addr1; /* MAC Individual Address Register 1 */ uint hash_addr0; /* Hash Register 0 */ uint hash_addr1; /* Hash Register 1 */ } oeth_regs;
参考 ucLinux 代码 Linux-2.6/drivers/net/open_eth.c 中 oeth_probe() 函数有对上述寄存器具体设置。
这里值得一提的是以 mii* 命名开头的寄存器相关设置。MII Management (MIIM) 用于PHY 寄存器控制和相关状态信息的访问,比如 Link status。 与此相应,PHY 便提供了一些寄存器便于这样的操作。MIIM 物理接口包括一根双向数据线 MDIO(Management Data Input/Output) 和一根时钟线 MDC(Management Data Clock),MIIM 操作的命令和数据便通过这串行接口在 MAC 和 PHY 传递。如果使能了 OETH_SYSFS_MDIO_ACCESS,则在 Linux 用户可通过 sysfs 文件系统实现从 userspace 访问 MIIM 管理数据的访问。
open ethernet 设备方法(Device methods)
网络设备的设备方法可以分为两种,基本方法和可选方法。以下代码是初始化函数调用 oeth_probe() 对 net_device * net 结构体成员的填充。
dev->open = oeth_open; dev->hard_start_xmit = oeth_start_xmit; dev->stop = oeth_close; dev->get_stats = oeth_get_stats; dev->set_multicast_list = oeth_set_multicast_list; dev->set_mac_address = oeth_set_mac_add; bmcr_val = eth_mdread(dev, PHY_ADDRESS, MII_BMCR); dev->do_ioctl = mii_ioctl; cep->mii.dev = dev; cep->mii.mdio_read = eth_mdread; cep->mii.mdio_write = eth_mdwrite;
oeth_open() 打开该网络接口。用户命令 ifconfig 激活该网络接口时,该接口函数会被调用。Oeth_open() 向系统注册内存使用空间,申请中断号注册中断处理函数等。中断号宏 MACIRQ_NUM 和寄存器基地址 ETH_BASE_ADD 根据实际的硬件设计相应的设置。
/*Install eth interrupt handler*/request_irq(MACIRQ_NUM, oeth_interrupt, 0, "eth", (void *)dev); /*Enable receiver and transmitter */ regs->moder |= OETH_MODER_RXEN | OETH_MODER_TXEN; /*set tasklet for receiver and transmitter*/tasklet_init(&cep->oeth_rx_tasklet, oeth_rx, (unsigned long)dev); tasklet_init(&cep->oeth_tx_tasklet, oeth_tx, (unsigned long)dev);
通常对于10/100M 的网卡设备,驱动会采用中断方式(对于更高速(10Gb) 的网卡,采用通常意义的中断方式效率较低)。中断处理函数 (ISR) oeth_interrupt 必须精短,只需要做最少的事情,而具体的数据包处理由 taskelet 去完成。在这里, oeth_interrupt 的任务就是根据中断事件标志调度数据收发相应的 tasklet, 如下:
/* Handle receive event in its own function.*/ if (int_events & (OETH_INT_RXF | OETH_INT_RXE | OETH_INT_BUSY)) tasklet_schedule(&cep->oeth_rx_tasklet); /* Handle transmit event in its own function. */ if (int_events & (OETH_INT_TXB | OETH_INT_TXE)) tasklet_schedule(&cep->oeth_tx_tasklet);
图 3. oeth interrupt service routine
oeth_start_xmit() 是由设备驱动发起数据包的传送。
图 4. oeth_start_xmit()
oeth_get_stats() 返回网络接口的统计状态,譬如接收和发送字节数,以及错误丢包等信息。用户用“ifconfig” 命令可以查看到这些统计信息。
此外,还提供了 MIIM 相关的设备方法用于对 PHY 的访问控制。
cep->mii.mdio_read = eth_mdread;//读PHY寄存器 cep->mii.mdio_write = eth_mdwrite;//写PHY寄存器 cep->mii.phy_id_mask = 0x1f; cep->mii.reg_num_mask = 0x1f; cep->mii.phy_id = PHY_ADDRESS;
ucLinux 也提供了通用的 MII 访问方法用于访问修改 PHY 收发器的工作模式,参见 unLinux 源代码<linux/mii.h>
结束语
在嵌入式领域通常需要涉及到软硬件接口的问题,open ethernet MAC core 是一个开放公开的结构,不光是软件可以开源,硬件设计也可以开放,开源,这种硬件的公开性为软件开放提供更多便利性,可以为软件需要定制特定硬件,譬如 TOE(TCP/IP Offload Engine) 技术将传统的 TCP/IP 协议从软件处理搬移到网卡 (NIC) 硬件完成,这种软硬件的开放性必然促进IT技术,尤其是嵌入式系统的创新。
- Open Ethernet IP core 介绍
- Ethernet IP Core介绍
- Open Ethernet IP core 介绍及其 ucLinux 驱动
- EtherNet/IP
- Ethernet/IP
- 工业以太网协议 (Ethernet/IP)
- Ethernet,TCP,IP协议简介
- Ethernet/IP 学习笔记一
- Ethernet/IP 学习笔记二
- Ethernet/IP 学习笔记三
- Ethernet/IP 学习笔记四
- Ethernet/IP 学习笔记五
- Ethernet/IP 学习笔记六
- IETF/RFC--TCP/IP/Ethernet--IP分片
- Ethernet帧格式介绍大全
- Xilinx FFT IP core V9.0的介绍和使用
- IP core / IP block
- ETHERNET数据包格式( IP & UDP & ICMP & ARP )
- 第一章 -- 第二节
- TIB自动化测试快讯 -- 自动化测试空间一周精选(2011-11-27)
- 类设计规则
- jquery获取和设置radio,check,select选项
- Java GUI之GraphicsEnvironment
- Open Ethernet IP core 介绍
- hdu 1225 Football Score
- 动态规划之最大子段和问题
- 菜鸟也能用SqlLite数据库开发了,看了就会 呵呵
- 从2-3-4树谈到Red-Black Tree(红黑树)
- 世说新语:什么是面向对象(之二 继承)
- 冒泡排序算法分析
- 关于java中初始化顺序的总结及其势力代码!希望高手们可以帮助补充
- VS2010和数据库的那些事儿(一)