天脈1下龍芯1B網(wǎng)卡驅(qū)動設(shè)計與實梅濤;王宏偉;麥先根【摘要】針對某嵌入式項目需要實現(xiàn)基于龍芯1B處理器的計算和以太網(wǎng)通信功能.文中采用龍心1B處理器集成兩路千兆以太網(wǎng)，基于天脈1嵌入式實時操作系統(tǒng)，設(shè)計實現(xiàn)了龍芯1B處理器平臺下雙網(wǎng)卡以太網(wǎng)驅(qū)動.網(wǎng)卡驅(qū)動可同時支持基于以太網(wǎng)的調(diào)試和通信功能;也可通過一路網(wǎng)卡進行調(diào)試，同時使用另夕卜一路網(wǎng)卡進行通信.實驗結(jié)果證明，所設(shè)計實現(xiàn)的以太網(wǎng)驅(qū)動功能正確,在天脈1嵌入式操作系統(tǒng)下，能正確實現(xiàn)對龍芯1B處理器兩路千兆網(wǎng)卡的控制網(wǎng)卡驅(qū)動能正確，可靠地工作,以太網(wǎng)通信功能正常.【期刊名稱】《電子科技》【年(卷)，期】2016(029)010【總頁數(shù)】4頁(P54-57)【關(guān)鍵詞】天脈1操作系統(tǒng)；龍芯1B處理器;以太網(wǎng)驅(qū)動;設(shè)計與實現(xiàn)【作者】梅濤;王宏偉;麥先根【作者單位】中航工業(yè)西安計算技術(shù)研究所基礎(chǔ)軟件室，陜西西安710068;中航工業(yè)西安計算技術(shù)研究所基礎(chǔ)軟件室，陜西西安710068;中航工業(yè)西安計算技術(shù)研究所基礎(chǔ)軟件室，陜西西安710068【正文語種】中文【中圖分類】TP316龍芯1B[1]是基于MIPS[2]架構(gòu)的SOC[3],MIPS架構(gòu)只有LOAD/STORE訪存指令，在指令執(zhí)行的過程中要求嚴格的按4字節(jié)對齊。隨著國產(chǎn)化軟硬件的推進，龍芯處理器在控制領(lǐng)域的使用越來越廣泛。天脈1操作系統(tǒng)是一款嵌入式實時操作系統(tǒng)，具有高可靠、實時性等特點。天脈1操作系統(tǒng)提供基于BSD4.4[4]的以太網(wǎng)協(xié)議棧功能。某項目需要基于天脈1操作系統(tǒng)進行龍芯1B處理器的適配工作。龍芯1B處理器在外圍集成了兩個千兆的以太網(wǎng)控制器，需要提供獨立的網(wǎng)卡驅(qū)動，用于支持以太網(wǎng)通信功能。天脈1操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動模型[5]如圖1所示。為了實現(xiàn)多設(shè)備支持，在網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議與物理設(shè)備層之間提供了一個中間層，用于簡化網(wǎng)卡驅(qū)動的設(shè)計。中間層實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層與具體網(wǎng)卡驅(qū)動之間的隔離，同時實現(xiàn)驅(qū)動與協(xié)議層之間的數(shù)據(jù)和指令的轉(zhuǎn)發(fā)。該層為具體驅(qū)動的功能抽象，實現(xiàn)上層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與底層設(shè)備之間的解耦，為設(shè)備和協(xié)議提供良好的擴展性。龍芯1B集成兩路10/100/1000M自適應(yīng)的以太網(wǎng)適配器。兩路網(wǎng)卡設(shè)備均兼容IEEE802.3標準。對網(wǎng)卡PHY芯片提供千兆模式(RGMII)[6]和百兆(MII)接口。兩路網(wǎng)卡均支持半雙工/全雙工的工作模式，半雙工模式下，支持沖突檢測與重傳機制(CSMA/CD)[6]O支持CRC校驗碼的自動生成和校驗的功能。為實現(xiàn)對龍芯1B的兩路以太網(wǎng)控制器GMAC0/GMAC1的控制和驅(qū)動。根據(jù)使用需求配置以太網(wǎng)控制器的通信速率為百兆或者千兆模式。連接外部百兆PHY時，驅(qū)動中要復用兩路脈沖信號和一路時鐘信號。通過以太網(wǎng)控制器的GMAC寄存器和DMA寄存器，為兩路物理網(wǎng)卡設(shè)置通信使用的MAC地址和DMA地址。驅(qū)動程序中通過DMA描述符實現(xiàn)網(wǎng)卡設(shè)備與上層協(xié)議之間的數(shù)據(jù)交互。驅(qū)動中DMA描述符記錄網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的內(nèi)存地址和狀態(tài)。網(wǎng)卡驅(qū)動中使用不同的DMA描述符定義接收數(shù)據(jù)描述符和發(fā)送數(shù)據(jù)描述符。驅(qū)動中定義的DMA描述符的格式如圖2所示，每一個DMA描述符包含兩個數(shù)據(jù)緩沖，兩個字節(jié)計數(shù)緩沖和兩個指向數(shù)據(jù)緩沖地址的指針。驅(qū)動設(shè)計過程中必須保證DMA描述符的地址與系統(tǒng)總線的位寬對齊，同時網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序與系統(tǒng)字節(jié)序相同，龍芯1B處理器默認為小端模式。天脈1操作系統(tǒng)下，通過內(nèi)存緩沖mbuf(memorybuffer)［7］實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的管理和維護。設(shè)計實現(xiàn)的mbuf由包頭和數(shù)據(jù)緩沖構(gòu)成，數(shù)據(jù)包頭由mBlk結(jié)構(gòu)描述，數(shù)據(jù)緩沖由clBlk結(jié)構(gòu)描述。每個clBlk結(jié)構(gòu)對應(yīng)一個數(shù)據(jù)簇，數(shù)據(jù)簇表示具體的數(shù)據(jù)塊的構(gòu)成；通過mBlk索引clBlk結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)由不同的數(shù)據(jù)塊構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的功能。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的構(gòu)成如圖3所示。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的構(gòu)造中，不同的mBlk結(jié)構(gòu)通過索引同一個clBlk結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對共享數(shù)據(jù)塊的引用。通信過程中，通過傳遞mBlk結(jié)構(gòu)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的目的。同時在clBlk控制塊中維護當前數(shù)據(jù)簇的引用計數(shù)［8］，當數(shù)據(jù)簇的引用計數(shù)為0時，表示當前數(shù)據(jù)簇不再被使用，此時釋放對應(yīng)的數(shù)據(jù)簇空間。天脈1操作系統(tǒng)下，網(wǎng)卡驅(qū)動需要實現(xiàn)以下功能模塊：(1)網(wǎng)卡設(shè)備初始化；(2)網(wǎng)卡驅(qū)動空間初始化；(3)網(wǎng)卡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；(4)網(wǎng)卡設(shè)備啟動。龍芯1B以太網(wǎng)控制器初始化過程如圖4所示。網(wǎng)卡設(shè)備初始化主要完成MAC層和PHY層的初始化。設(shè)置GMAC的配置參數(shù)，完成網(wǎng)卡MAC基地址，DMA基地址的配置，同時完成PHY基址的設(shè)置，并將配置參數(shù)設(shè)置到網(wǎng)卡驅(qū)動控制結(jié)構(gòu)中。保證GMAC能夠正確地訪問對應(yīng)的PHY芯片，讀取網(wǎng)卡的MAC寄存器，鏈路狀態(tài)，速率以及工作模式等信息。在設(shè)備初始化的過程中，同時包括初始化網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)過濾策略，組播和多播策略；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)控制策略以及網(wǎng)卡時鐘的初始化等工作。具體細節(jié)參考龍芯1B以太網(wǎng)控制器的用戶手冊。網(wǎng)卡MAC層初始化過程中，設(shè)置網(wǎng)卡設(shè)備的MAC地址。龍芯1B集成了兩個以太網(wǎng)控制器，在設(shè)置MAC地址的時候，針對不同的以太網(wǎng)控制器設(shè)置不同的MAC地址。在天脈1操作系統(tǒng)下，其中一路網(wǎng)卡實現(xiàn)通信與調(diào)試共用，通過獲取調(diào)試代理為網(wǎng)卡配置的MAC地址，實現(xiàn)MAC地址的獨立性，實現(xiàn)共用的目的；驅(qū)動中只需為另一路網(wǎng)卡設(shè)置獨立的MAC地址，并將MAC地址信息設(shè)置到網(wǎng)卡驅(qū)動控制結(jié)構(gòu)中。網(wǎng)卡驅(qū)動設(shè)備列表中明確定義兩路網(wǎng)卡設(shè)備的配置信息，提供設(shè)備單元號，設(shè)備的MAC基地址，對應(yīng)的中斷號等信息。明確指定需要啟動的第一路網(wǎng)卡，將其作為設(shè)備列表中的第一項。在完成設(shè)備初始化工作后，根據(jù)使用需求啟動第二路網(wǎng)卡。龍芯1B的以太網(wǎng)控制器提供兩種方式管理網(wǎng)卡的DMA描述符：(1)環(huán)式組織結(jié)構(gòu);(2)鏈式組織結(jié)構(gòu)［9］。環(huán)式組織結(jié)構(gòu)下，DMA描述符組成一個環(huán)形緩沖，最后一個緩沖的后續(xù)節(jié)點指向第一個節(jié)點。鏈式組織結(jié)構(gòu)下，DMA描述符的第二個數(shù)據(jù)緩沖的指針指向下一個DMA描述符，依次構(gòu)成一個鏈式結(jié)構(gòu)。天脈1下龍芯1B網(wǎng)卡驅(qū)動，采用環(huán)式組織結(jié)構(gòu)，將DMA描述符組織成環(huán)形緩沖。網(wǎng)卡驅(qū)動空間初始化過程完成對DMA描述符緩沖空間的分配和構(gòu)造。為每個數(shù)據(jù)緩沖分配DMA空間，同時將DMA描述符組織成環(huán)形結(jié)構(gòu)。DMA描述符包括接收數(shù)據(jù)描述符和發(fā)送數(shù)據(jù)描述符。天脈1操作系統(tǒng)下，使用內(nèi)存分配服務(wù)獲得DMA描述符和數(shù)據(jù)緩沖空間。通過映射獨立的IO空間，為網(wǎng)卡驅(qū)動所需的數(shù)據(jù)描述符結(jié)構(gòu)分配空間。網(wǎng)卡驅(qū)動緩沖空間配置必須保證緩沖起始地址嚴格按照4Byte對齊，否則數(shù)據(jù)訪問過程會報告對齊異常。以太網(wǎng)驅(qū)動實現(xiàn)過程中選擇中斷方式進行數(shù)據(jù)處理?；谔烀}1操作系統(tǒng)，龍芯1B處理器網(wǎng)卡驅(qū)動的中斷處理過程如圖5所示。根據(jù)中斷號判斷產(chǎn)生中斷的網(wǎng)卡設(shè)備，進入網(wǎng)卡中斷處理過程。首先禁止當前網(wǎng)卡的所有中斷，獲取中斷類型，判斷當前所發(fā)生的中斷是發(fā)送中斷還是接收中斷；然后分別進入對應(yīng)的中斷處理例程。最后更新網(wǎng)卡中斷狀態(tài)寄存器，使能網(wǎng)卡中斷。數(shù)據(jù)發(fā)送的處理過程如圖6所示。數(shù)據(jù)發(fā)送過程，停止對網(wǎng)卡設(shè)備隊列的處理；獲取可用的發(fā)送緩沖描述符，將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)復制到對應(yīng)的數(shù)據(jù)緩沖；啟動網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)發(fā)送處理，完成數(shù)據(jù)發(fā)送，更新網(wǎng)卡的中斷狀態(tài)寄存器；恢復對網(wǎng)卡設(shè)備隊列的處理。數(shù)據(jù)接收中斷的處理過程相對簡單，將網(wǎng)卡收到的數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容直接傳遞給上層協(xié)議，更新網(wǎng)卡狀態(tài)即完成一次接收中斷的處理。為減小中斷響應(yīng)時間，具體數(shù)據(jù)包的處理通過后臺網(wǎng)絡(luò)任務(wù)完成。當上述初始化工作完成，網(wǎng)卡就處于就緒狀態(tài)，使能網(wǎng)卡中斷，網(wǎng)卡即可開始正常工作。使能網(wǎng)卡中斷時，需要確保正確連接了網(wǎng)卡的中斷處理程序。若網(wǎng)卡中斷號與驅(qū)動中設(shè)置的不一致，天脈1操作系統(tǒng)會報告未預期的中斷。至此，網(wǎng)卡驅(qū)動可正常工作。測試過程中主要進行了黑盒測試和壓力測試。黑盒測試驗證網(wǎng)卡的輸入能夠獲得正確的輸出；壓力測試主要測試網(wǎng)卡驅(qū)動工作的穩(wěn)定性。黑盒測試通過讀寫網(wǎng)卡相關(guān)寄存器的方式進行驗證。驗證當數(shù)據(jù)幀到達，中斷發(fā)生時網(wǎng)卡寄存器狀態(tài)的變化。壓力測試選擇基于UDP/TCP協(xié)議的以太網(wǎng)通信測試案例。測試過程中在PC機端通過網(wǎng)絡(luò)抓包工具Wireshark[10]進行以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的捕獲，通過對比抓包工具所獲取數(shù)據(jù)包的內(nèi)容與發(fā)送數(shù)據(jù)內(nèi)容，以驗證網(wǎng)卡驅(qū)動功能是否正確?；赨DP協(xié)議的通信測試結(jié)果，如圖7所示?；赥CP協(xié)議的通信測試結(jié)果如圖8所示。實驗結(jié)果證明，網(wǎng)卡驅(qū)動能準確響應(yīng)各種命令請求，數(shù)據(jù)處理功能正確，網(wǎng)卡工作正常。本文描述了天脈1嵌入式實時操作系統(tǒng)下，基于龍芯1B處理器平臺的雙網(wǎng)卡驅(qū)動的適配。天脈1操作系統(tǒng)是一款實時、可靠的嵌入式操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)提供基于BSD4.4的