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基于ARM和DM9000的网卡接口设计与实现

发布时间:2020-06-30 18:15:38 阅读: 来源:三角龙骨厂家

摘要:针对ARMCPUS3C2410的特点,设计开发了外围网卡接口平台,通过驱动程序对以太网控制芯片DM9000的控制,实现了网络数据传输功能。硬件方面主要涉及以太网网络接口的设计,软件方面主要是设计以太网控制芯片驱动程序。该嵌入式系统网络接入方案具有硬件接口简单、外围器件少、价格低廉、开发周期短等特点。 关键词:ARM;DM9000;网卡

引言

要实现小型嵌入式设备的Internet接入,TCP/IP首先要解决的是底层硬件问题,即协议的物理层。Ethernet具有成熟的技术、低廉的网络产品、丰富的开发工具和技术支持,当现场总线的发展遇到阻碍时,以太网控制网络技术以其明显的优势得到了迅猛的发展,并逐渐形成了现场总线的新标准――Ethernet。考虑到国内局域网大部分是以太网,随着交换式网络、宽带网络的发展,基于以太网的嵌入式设备Internet接入应用有着现实意义。

在现有嵌入式系统中,大多数选用的是10Mb/s的以太网卡,其传输速率慢,已不能再适应现在人们的要求。而其它10/100Mb/s网卡芯片或工艺复杂或成本较高,不适应工业制造。而DM9000是完全综合的、成本较低的单一快速以太网控制器芯片,具有通用的处理器接口。它被设计为低功耗、高处理性能,而其设计又非常简单,所以可以容易的完成不同系统的软件驱动开发。

DM9000――DAVICOM公司的10/100Mb/s自适应以太网芯片。其特点是:支持8位、16位、32位数据总线宽度;寄存器操作简单有效,有成熟的Linux驱动程序支持;3.3V接口电平;成本相当低廉;还可以使用MII接口和PHY芯片连接。

1 DM9000与S3C2410的连接

1.1 硬件整体电路设计

硬件上要完成DM9000与ARM芯片S3C2410三大总线连接,以及DM9000与以太网水晶接头RJ45的连接。基于ARM 嵌入式系统和以太网的接口如图1。

图1 ARM 嵌入式系统与以太网的接口电路示意图

1.2 DM9000与S3C2410连接

实现DM9000与S3C2410连接,必须对两者间的数据、地址、控制三大总线进行连接和转换。S3C2410是32位微处理器,有32根地址线,支持4GB存储空间。其中0―40000000的1G空间被分为8块128M 空间,分别由NGCS0―NGCS7片选。DM9000为16位以太网控制芯片。图2给出了S3C2410与DM9000的连接方法。

图2 S3C2410与DM9000的逻辑连接

对DM9000读写操作,首先对DM9000正确寻址。AEN (地址允许)是输入引脚片选信号。SA4~SA9是地址总线4~9位,当AEN低且SA9和SA8高,而SA7、SA6、SA5、SA4为低时,则DM9000被选中。

图3 S3C2410与DM9000的连接电路

DM9000 默认I/0 基地址为300H。CMD 引脚用于设置COMMAND 模式,CMD为高时,选择数据端口。CMD为低时,选地址端口。数据端口和地址端口的地址码由下式决定:

DM9000地址端口=高位片选地址+300H+0H

DM9000数据端口=高位片选地址+300H+4H

其中,高位片选地址由S3C2410的NGCS3提供,即为:0X100000000H。

实际设计电路如图3所示,其中nWAIT为读写等待信号。由于在S3C2410中以太网卡的中断为9号中断,所以 EINT9_ETHERNET为中断信号。RESET为网卡芯片重启信号。25MHz OSCILLATOR为芯片提供25MHz的工作频率。(在本图中省去了S3C2410芯片)SD0~SD15数据总线与S3C2410的数据总线连接。

2 DM9000驱动程序描述

2.1 驱动程序整体设计

Linux网络驱动程序的体系结构可划分为从上到下依次为网络协议接口、网络设备接口层、提供实际功能的设备驱动功能层以及网络设备媒介层。Linux内核中提供了网络设备接口级别以上层次的代码,所以移植(或编写)特定网络硬件的驱动程序最主要的工作就是完成设备驱动功能层,主要包括数据的接收、发送等控制。在Linux中所有网络都抽象为一个接口,由结构体 net_device来表示网络设备在内核中的运行情况,即网络设备接口。它既包括了网络设备接口,如回环(loopback)设备,也包括了硬件网络设备接口,如以太网卡。

驱动程序运行时,操作系统先调用检测例程以发现安装的网卡,如网卡支持即插即用,检测例程自动发现网卡参数。否则,驱动程序运行前,设置好网卡参数供驱动程序使用。核心发送数据时,调用驱动程序的发送例程。将数据写入空间,再激活物理发送过程。面向物理层接口程序中断处理例程。当网卡接收数据、发送过程结束或出错时,网卡产生中断,核心调用中断处理例程,再判断中断发生原因,并进行处理。

驱动程序流程如图4,分为主程序和中断服务程序,主程序进行DM9000的初始化和网卡检测、网卡参数获取。中断服务程序以程序查询方式识别中断源,完成相应处理。具体分别如图4(a)和(b)。

图4 DM9000驱动程序流程

在整个过程中,首先要通过检测物理设备的硬件特征判断网络物理设备是否存在,然后决定是否启动这个驱动程序。接着会对设备进行资源配置,比如,即插即用的硬件就可在这个时候进行配置;而在本嵌入式平台上,以太网的MAC地址也在这里指定。配置好硬件占用的资源后,就可向系统申请这些资源,如中断、I/O空间等。最后,对结构体net_device相应的成员变量初始化,使得一个网络设备可被系统使用。

数据包的发送和接收是实现Linux网络驱动程序中关键的过程,对这两个过程处理的好坏将直接影响到网络的整体运行质量。驱动程序中并不存在一个接收方法。应由底层驱动程序来通知系统有数据收到。一般情况下,设备收到数据后都会产生一个中断,在中断处理程序中驱动程序申请一块sk_buff(如定义为skb),从硬件读出数据放到申请好的缓冲区中。

3 DM9000驱动程序测试

3.1 测试环境

在调试过程中,可以先建立可下载的镜像文件。在目标板上先烧入vivi。通过vivi将内核映像下载到目标板运行。而网络驱动是属于BSP的一部分所以会在下载地过程中一同写入目标板。

(1)主机环境 主机环境是在Fedora上运行的Linux的集成交叉开发环境及相关的测试用软件。

(2)目标机环境 目标机的硬件环境是要作为海信商机使用的SBC2410A(ARM920T内核)开发板。

由主机和目标机共同组成了网络驱动程序的测试环境,两者通过串口及网线相连,在调试网络驱动之前要通过串口加载程序。加载了程序之后就可以针对以太网接口来进行相关的测试工作。

3.2 硬件测试

当成功的将DM9000网络芯片的驱动程序加载到Linux内核中后,就要对其进行测试。首先,要进行的就是硬件的测试。因为DM9000有4个GPIO端口,这里我们只要对这4个端口进行测试,如果它们能够正常读写,则可说明DM9000网卡应工作在正常状态下。

在测试程序进行编译运后,运行过程中,用万用表分别测量4个所对应引脚的电压,经测试为3.3V,说明该引脚硬件正常,则芯片工作在正常状态下。

3.3 驱动程序测试

测试过程中在目标机上编写基于TCP协议的tcpServer()任务作为测试用程序,其功能是实现最简单TCP服务器端程序。上位机运行相应的Client客户端程序,由两端组成TCP的Client-Sever系统进行网络接口的速度测试和可靠性的测试。

表4-1 测试项目及结果

测试项目

测试方法

测试结果

Ping的响应

连接好测试机与目标机,进行ping命令包测试。

测试结果:

能够成功地响应ping包。

速度测试

可靠性测试

在Client-Sever系统中,进行数据流量测试。在Client-Sever系统中,进行不间断测试。

测试结果:

速度为10.8Mbps;

无丢包现象;误码率0

测试结论:通过对网络驱动程序的测试,证明所开发的网络驱动程序实现了所有先期设计功能,并在速度上得到了验证,能够满足大批量数据的传输工作。

传送3个包到202.108.9.39,从202.108.9.39接收3个包,无丢失。

本文创新点:S3C2410A内部没有内嵌的专用网卡控制器,因此在以S3C2410A为硬件平台的嵌入式设备中增设网卡模块,必须自行设计接口电路并进行相应的驱动开发,本文使用SBC2410(ARM920T内核)开发板,作为软硬件运行的硬件平台,设计DM9000快速以太网网卡硬件电路并进行驱动程序的开发与实现。

采用此方案设计的网卡接口电路可应用到多种嵌入式设备中,在税控收款机应用中直接经济效益可达20余万元。

参考文献

[1]葛立明,范多旺,陈光武.基于ARM嵌入式以太网接口设计与实现[J].微计算机信息,2007,5-2:22

[2]于明,范书瑞,曾祥烨ARM9嵌入式系统设计与开发教程[M]. 北京:电子工业出版社,2006

[3]王学龙. ARM微控制器基础与实战[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,2003

[4]周立功等..嵌入式设计及Linux驱动开发指南―基于ARM9处理器[M]. 北京:电子工业出版社,2005.2

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