基于嵌入式Linux的千兆以太网卡驱动程序设计及测试一.引言千兆以太网是一种具有高带宽和高响应的新网络技术,相关协议遵循IEEE 802.3规范标准。采用和10M以太网相似的帧格式、网络协议和布线系统,基于光纤和短距离同轴电缆的物理层介质,更适用于交换机、服务器等数据吞吐率大的设备。本文设计实现一种基于嵌入式Linux千兆以太网卡的驱动程序,并完成后续的测试工作和代码移植。千兆以太网网卡工作在OSI网络架构的物理层和数据链路层,其中物理层由PHY芯片管理,数据链路层由千兆以太网控制器(GMAC)管理。硬件构架上,GMAC控制器由核心层、MTL(MAC Transaction Layer)层、DMA层和总线接口层构成,如下图1-1所示。核心层连接PHY芯片,管理和PHY芯片之间的通信;MTL层建立物理层和内存之间的数据通道,调整帧传输结构,控制数据流,转换时钟域;DMA层完成数据的传输任务。GMAC配置寄存器CSR(Control and Status register)通过系统总线和CPU交互,CPU通过总线slave端配置DMA 和MAC区的CSR,其中MAC区的CSR可以设置PHY的芯片寄存器,通过对CSR的设置可以控制网卡切换工作状态。 千兆以太网卡的数据传输任务由DMA完成,DMA传输操作通过预先在内存中建立描述符的方式完成。描述符的作用是指定MAC帧数据所在的缓存地址,每个描述符可以最多指定两个缓存地址,缓存大小有严格控制,一个描述符不能指定全部一个帧的缓存数据,需要多个描述符构成描述符链来完成。
有两种描述符链结构:环状描述符和链状描述符。链状描述符中的第二个buffer指定了下一个描述符所在的物理地址,而第一个buffer指定帧数据缓存的位置,环状结构描述符的位置是有序排放的,两个buffer都指向帧数据的缓存地址,最后一个描述符指向第一个描述符所在物理地址形成桶状描述符链。环状和链状结构如图1-2所示,一个描述符链只能用来存储一个MAC帧的数据,DMA每个通道一次最多完成两个MAC帧的传输,多MAC帧的传输需要重新使能DMA通道。描述符的具体结构如图1-3所示:OWN位控制描述符是由DMA控制还是由host端控制,后面31位是描述符状态信息,DES1为控制描述符并标明两个buffer大小,DES2和DES3描述两个buffer所在地址。二.千兆以太网卡驱动程序设计GMAC驱动程序需要完成的内容有:PHY芯片初始化,GMAC初始化,GMAC读/写数据,GMAC数据流控制和各种模式设置。GMAC初始化流程图如图2-1所示: GMAC初始化过程首先检查PHY芯片工作是否正常并配置PHY芯片模式,创建发送和接收描述符,初始化DMA,然后配置MAC工作模式,使能DMA后进入工作状态。初始化完成后,数据等待发送或接收,DMA根据描述符状态自动完成数据发送或接收的任务。buffer中的帧结构不包含preamble , PAD byte和FCS段,只包含源地址,目的地址和类型/长度域。如果MAC禁止CRC校验和PAD插入,那么buffer就必须包含完整的帧结构,其中必须包含CRC校验位。DMA一次搬运最多两帧数据,所以初始化后如果需要完成多帧数据搬运需要重新使能DMA。GMAC发送和接收过程如左图2-2所示: