基于S3C2440A嵌入式微处理器实现高速接入网络的设计

作者：赵小朴,李莉,宋华

嵌入式系统广泛应用在工业测控、智能仪表、智能家庭等很多领域。随着嵌入式系统应用范围的不断扩展及网络应用的日益普及，使得越来越多的嵌入式系统需要网络功能。三星公司S3C2440A是国内应用较多的嵌入式微处理器之一，在S3C2440A应用系统中，目前只支持10／100M的网络接口，有很大的实用价值，既可以拓展S3C2440A的应用领域，也可以给其它嵌入式系统高速接入网络提供一种简单易行的参考。

设计方案

本系统主要由S3C2440A、存储器、AX88180、千兆PHY芯片88E1111、嵌入式Linux、网络驱动程序等组成嵌入式Linux内核负责系统任务的管理并集成TCP／IP协议，方便实现网络功能控制。S3C2440A负责整个系统的控制，它与AX88180以总线方式连接，是通信控制的主体。S3C2440A通过网络驱动程序实现对AX88180内部寄存器编程，实现对以太网数据的发送和接收，从而完成网络与系统之间的数据传输。AX88180与88E1111之间采用RGMII接口方式互连，负责数据传送底层协议的实现。

这里简要介绍一下S3C2440A与AX88180器件，这两个器件是通信控制的主体。

S3C2440A是基于ARM920T核的16／32位RISC微处理器，运行频率高达500MHz，主要面向手持设备以及高性价比、低功耗的应用，适用于开发各类高端手持、小型终端以及网络应用产品，具有非常丰富的片上资源，比如LCD、SDRAM、NAND FLASH、DMA、AD、PWM控制器，以及UART、USB、摄像头、触摸屏、IIC、IIS、SPI、SD、MMC、AC97等接口。

AX88180是台湾亚信公司推出的一款Non-PCI千兆以太网控制芯片，内置1000Mbps以太网媒体存取控制器（MAC）；有40KBytes SRAM网络封包缓存器；硬件支持IP／TCP／UDP checksum offloads。它可以十分方便地实现与一般16／32位微处理器连接，可以象SRAM一样被访问。它符合IEEE 802.3／lEEE 802.3u／IEEE 802.3ab协议，适用于串流媒体、多媒体网络、高频宽传输等领域，如数字媒体、家用网关及IP电视等。

硬件设计

由于硬件电路比较复杂，这里只给出核心电路连接，S3C2440A与AX88180之间采用总线方式相连，地址总线A2-A15、数据总线D0-D31、读写信号等可以直接连接，AX88180的40M～100M时钟信号由S3C2440A提供，AX88180中断信号与S3C2440A EINT11相连，整个接口电路无需外加电路；AX88180与PHY芯片之间采用简化的千兆比特媒体独立接口RGMII接口，信号一一对应直接相连即可。

软件设计

从整体角度考虑，Linux网络系统可以分为硬件层、设备驱动层、网络协议层和应用层。在S3C2440A系统上移植有嵌入式Linux、集成TCP／IP等协议栈，应用层的程序可以自己编写也可以移植，这里我们主要分析一下设备驱动程序的实现。

在嵌入式Linux中，整个网络驱动程序的框架可分为四层，分别为协议接口层、网络设备接口层、设备驱动功能层、网络设备和网络媒介层，这个框架在内核网络模块中已经搭建完成，在设计驱动程序的时候，要做的主要工作就是根据上层网络设备接口层定义的device结构和底层具体的硬件特性，来完成设备驱动的功能。驱动程序主要由初始化、打开、关闭、数据接收及发送等函数组成。

初始化函数

初始化函数完成网络设备的初始化，由数据结构device中的init函数指针来调用，加载AX88180驱动模块后，就会调用初始化过程。该首先通过检测物理设备的硬件特征来检测网络物理设备是否存在，之后配置设备所需要的资源，比如中断等。这些过程完成后，就要构造设备设备数据结构，用检测到的数据初始化其相关变量，最后向Linux内核注册设备并申请内存空间。

打开函数

打开函数在网络设备驱动程序中是在网络设备状态由down状态转为up状态时，即被激活的时候被调用，有很多AX88180及88E1111的初始化工作可以放在这里做。在驱动程序作为一个模块被装入时，打开函数还要防止模块卸载时设备处于打开状态。

关闭函数

关闭函数和打开函数做相反的工作，是在设备状态由up转为down时被调用的，作用是释放资源以减少系统负担。在驱动程序作为模块装入时，关闭函数还要减少没备被引用的次数，以便卸载驱动程序。

发送函数

发送函数是网络驱动程序的关键过程之一，它与dev-》hard_start_xmit连接，在内核通过设备向外发送数据时调用它。系统给AX88180分配一块64K的地址空间，其中8000H-FBFFH作为发送缓冲区地址，在系统调用驱动程序的xmit时，发送的数据放在一个sk_buff结构中，发送到数据缓冲区地址，再由AX88180发送到网络上。如果发送成功，hard_start_xmit释放sk_buff，返回0；如果设备暂时无法处理，则返回1。硬件在发送结束后产生中断。

中断和接收函数

中断和接收函数也是驱动程序的关键过程之一，如果有数据收到，AX88180会产生一个中断通知系统，在中断处理程序中驱动程序申请一块sk_buff（），从AX88180读出数据并放置到接收缓冲区地址0000H～7000H里，然后来填充sk_buff中的一些信息，由skb-》dev=dev判断收到帧的协泌类型，填入skb-》protocol，再把指针skb-》mac.raw指向硬件数据，然后丢弃帧头。之后还要设置skb-》pkt_type，标明链路层数据类型，最后调用netif_rX（）把数据传送给协议层。

下面是发送函数部分代码：

结语

本文介绍的千兆网络接口在S3C2440A系统中的应用方案已经得以实现，1000 Full-duplex模式下，数据传输速率可以达到200Mbp，在使用FTP下载数据时，速度可以达到4Mbps以上，是使用100M网络接口的5～6倍。如果使用其它更高速度的微处理器，网络接口的速度会更高。