SkyEye硬件模擬平臺，第三部分: 硬件仿真實現之四網絡芯片仿真  |
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級別： 初級
陳渝 ([email protected])清華大學
2004 年 11 月 01 日
本系列文章的第三部分主要介紹了SkyEye硬件模擬平臺的實現細節。主要內容包括SkyEye的總體設計、SkyEye的可擴展框架、SkyEye的關鍵數據結構、SkyEye對各種CPU的模擬實現、SkyEye對各種外設的模擬實現、如何安裝使用SkyEye以及如何擴展SkyEye的仿真模塊等。對SkyEye的深入瞭解，有助於對嵌入式硬件系統有更深入的認識，特別是對操作系統、驅動程序如何與嵌入式硬件系統進行交互有更深刻的瞭解。
目前網絡在嵌入式系統中應用越來越廣泛，通過爲SkyEye增加虛擬以太網芯片設備，使SkyEye支持ethernet網絡接口模擬。這樣在SkyEye硬件模擬平臺上運行的操作系統能夠與本地Linux主機進行網絡通信，當然通過ipchains/iptables等包轉發機制可以進一步支持直接跟Internet通信。
鑑於目前嵌入式設備中廣泛使用了NE2K 10Base-T兼容網絡芯片，其中RTL8019AS又是比較有代表性的一種，購買也比較方便，我們就決定模擬它。設計方案完全基於真實的RTL8019AS（NE2000兼容，簡稱8019AS），但做了部份簡化。簡化掉的部分主要包括：
- 一部分狀態寄存器。主要是收發數據包的狀態信息，一般在嵌入式系統中用的比較少，因此暫時沒有加入模擬。
- 16位模式DMA。對NE2K的芯片，8位DMA和16位DMA模式僅在收發數據效率上不同，但這對SkyEye來說效率並不是很重要，所以僅模擬了8位DMA模式。
- CPU從網絡芯片收數據包的Remote DMA Read模式。由於8019AS提供了另一種更高效的Send Command方式來收數據包，所以爲簡化起見，沒有模擬Remote DMA Read。
目前設計虛擬以太網芯片設備對簡化的原則是：把虛擬網絡芯片的驅動放到真實8019AS網絡芯片上去，直接能用就可以了，目前還不能保證其它系統上的NE2K驅動能直接在SkyEye上用。
SkyEye本身是一個硬件開發板的模擬器。虛擬8019AS網絡芯片是虛擬開發板上一個相對獨立的外部設備，這個設備有自己的內部數據結構和操作函數，完成相應的功能。但虛擬8019AS網絡芯片對外的接口只是幾個提供給SkyEye的API函數和它所佔用的系統資源，如Memory map Io和IRQ等。網絡芯片驅動程序看到的只是8019AS的寄存器和它佔用的系統中斷號，這些寄存器地址位於SkyEye模擬的開發板中某一段IO地址空間內，而SkyEye看到的是寄存器地址和虛擬8019AS網絡芯片提供給SkyEye的API函數。如果運行在虛擬開發板上的網絡芯片驅動程序讀寫這些寄存器地址，那麼SkyEye會截獲這些讀寫操作，並把它們轉換成對虛擬8019AS網絡芯片API接口nic_read和nic_write函數的調用，從而操作虛擬8019AS網絡芯片，並收發數據。這個過程跟真實的硬件系統的邏輯操作是一致的。
那麼SkyEye跟虛擬8019AS網絡芯片交換數據包的同時，8019AS是如何跟主機進行通訊的呢？這是通過Host主機的Linux上安裝的tun/tap或vnet虛擬網絡接口來實現的。tun/tap和vnet是Linux內核中的一個內核模塊，它們模擬了一個簡單的點對點網絡環境，後文會有進一步的說明。虛擬8019AS網絡芯片的整體結構如圖 0-1所示：
圖 0-1 8019AS模擬結構圖
SkyEye模擬的虛擬8019AS網絡芯片工作在8位模式下，網絡芯片含有8K字節的RAM，地址爲0x4000-0x5fff（指的是網絡芯片上的存儲地址，而不是ISA總線的地址，是網絡芯片工作用的存儲器），每256個字節稱爲一頁，共有64頁。頁的地址就是地址的高8位，頁地址爲0x00--0xff 。
首先看一下0x40－0x5f頁，這8k的ram的一部分用來存放接收的數據包，一部分用來存儲待發送的數據包，具體由驅動編寫者自己決定。（一般發包只要能容納一個最大的以太網包就可以了，所以定義爲0x40－0x45頁，即0x4000－0x45ff，約1.5k。剩下的都用來收包）。按照8019AS硬件規範手冊上的規定，8位工作模式下只能使用4000－5fff，16位模式才能用到6000－7fff的RAM，所以我們還是以手冊爲準。
圖 0-2 NE2K兼容網絡芯片的RAM空間結構
再看一下第0頁，也就是圖 0 6中的PROM，PROM的內容是網絡芯片在上電覆位的時候從93C46裏讀出來的，其中0x00-0x0B(工作於8位DMA模式)用於存放本節點MAC地址，奇偶地址內容是重複放置的。如：MAC地址00 00 12 34 56 78存放在0x00-0x0B中爲00 00 00 00 12 12 34 34 56 56 78 78，單地址和雙地址的內容是重複的，一般使用偶數地址的內容，這主要是爲了同時適應8位和16位的DMA。8019芯片外接一塊93c46 eeprom，上電時自動從93c46裏把MAC地址讀入到PROM中，所以爲虛擬網絡芯片寫驅動，只要在init函數中讀PROM中的MAC地址，並寫入工作寄存器PAR0－PAR5就可以了。網絡芯片工作時的地址判斷依據就是這幾個寄存器，與PROM及93c46無關。PROM的其它地址不能使用。值得一提的是，雖然一般來說mac地址隨便取一個就可以了，但要注意其最高字節不能是奇數，否則就是一個multicast mac地址，以後的應用中會有問題。
根據以上的分析，虛擬8019AS網絡芯片要模擬的網絡芯片內部RAM共兩塊：
0x0000－0x000B，12字節，頁號爲0x00。存放MAC地址
0x4000－0x5FFF，8192字節，頁號爲0x40－0x60（只用到0x5f，0x60爲結束邊界），用於存放收發的數據包緩衝，具體收發多少由驅動程序初始化決定。
以上兩塊內存都是網絡芯片的內部數據，不在系統的地址空間內，實際上SkyEye模擬的CPU是看不到這兩塊內存的，只能通過讀寫寄存器間接訪問。
在RTL8019AS或其它NE2k兼容的網絡芯片中，軟件對網絡芯片內存的讀寫是通過一個數據寄存器（地址偏移0x10）進行的，方式是DMA，DMA的長度、起始地址等由控制寄存器決定。而DMA又分爲Remote DMA和Local DMA，首先解釋一下這兩種DMA：
| Local DMA 以太網  網絡芯片 RAM |
Remote DMA 網絡芯片 RAM host主機 |
Local DMA是網絡芯片自動收發數據到/從網絡芯片的RAM，而Remote DMA是CPU主動從網絡芯片的RAM讀寫數據到/從CPU的RAM。具體的讀寫其實可以分爲三種：
- CPU讀/寫數據到網絡芯片
控制方式是設置如下控制寄存器，它們分別爲：- RBCR0,RBCR1：存放要讀寫數據的長度
- RSAR0，RSAR1：存放數據在網絡芯片RAM中存放的起始地址（而不是頁號，但通常還是以某頁的00爲起始，如0x4000）
- CR：向命令寄存器發出Remote DMA開始指令
然後就可以通過數據寄存器去讀寫數據了，寬度爲8位。 - 網絡芯片發數據到以太網
CPU把數據用Remote DMA 發到網絡芯片後，就可以讓網絡芯片用Local DMA向外發數據了。
需要設置如下的控制寄存器，它們分別爲：- TPSR ：網絡芯片要發送的數據在網絡芯片RAM中的起始頁號。所以發送的數據只能從某頁的開頭存放。
- TBCR0，TBCR1：要發送的數據總長度
- CR：向命令寄存器發出發送數據包的指令CMD_XMIT。
然後程序就可以返回了，網絡芯片會自動用Local DMA發送數據包。 - 網絡芯片從以太網讀數據
網絡芯片在從以太網讀取數據過程中，會用到的寄存器如下：- PSTART，PSTOP：網絡芯片接收數據緩衝區的起始和終止頁號。形成一個接收緩衝環。每頁256字節
- CURR：接收緩衝環寫頁指針，初始化＝PSTART
- BNRY：接收緩衝環讀頁指針，初始化＝PSTART
這四個寄存器在init函數裏初始化，以後有數據包到來時，網絡芯片自動判斷是否發給本機，是則用Local DMA存入數據，並自動修改讀寫指針。
圖 0-3 與DMA有關的寄存器
8019AS的寄存器地址爲0x00－0x1f，有page 0－3共4頁，每頁都以0x00－0x0f訪問，但實際訪問的是不同的寄存器。page 3裏的寄存器屬於8019專用，不是NE2K標準，並且不常用，所以不模擬了。我們的寄存器共3頁，頁號爲0－2。此外還有兩個寄存器，不屬於任何頁：
- 0x10爲DMA讀寫地址，CPU和網絡芯片交換數據通過此地址
- 0x1F爲Reset地址，向該地址寫或讀任何數都引起網絡芯片復位，一般在初始化時將網絡芯片復位一次，注意復位後要等待幾十ms再進行下一步操作。
表 0 1 8019AS寄存器
下面分別敘述虛擬8019AS網絡芯片所模擬的各頁中寄存器，如表 0 1所示。每個寄存器的各個bit位的具體含義可參考8019AS硬件規範手冊，下面寫出各寄存器的頁內偏移地址，以及編寫驅動時讀寫的常用值表示什麼意思，有助於理解。每個寄存器的各種寫入值可以以"或"的關係運算後寫入，R表示只讀，W表示只寫，R/W表示可以讀也可以寫：
PAGE 0
- CR控制命令寄存器：0x00，R/W。CR中各個bit位的含意如下：
CMD_STOP 0x01 網絡芯片停止收發數據
CMD_RUN 0x02 網絡芯片執行命令並開始收發數據包（命令爲下面四種）
CMD_XMIT 0x04 Local DMA SEND（網絡芯片――>以太網 ）
CMD_READ 0x08 Remote DMA READ，用於手動接收數據（網絡芯片―>CPU）
CMD_WRITE 0x10 Remote DMA WRITE （網絡芯片<――CPU）
CMD_SEND 0x18 Send命令， 用於自動接收數據包（網絡芯片――>CPU）
CMD_NODMA 0x20 停止DMA操作
CMD_PAGE0 0x00 選擇第0頁（要先選頁，再讀寫該頁寄存器）
CMD_PAGE1 0x40 選擇第1頁
CMD_PAGE2 0x80 選擇第2頁 - PSTART：0x01，W，接收緩衝環起始頁
RECV_START 0x4600 接收緩衝起始地址（寫入時要右移8位得到頁號） - PSTOP：0x02，W，接收緩衝環終止頁（不包括此頁）
RECV_STOP 0x6000 接收緩衝結束地址（寫入時要右移8位得到頁號） - BNRY，0x03，R/W，接收緩衝環讀指針
硬件初始化時，PSTART ＝CURR，以後用CMD_SEND 命令自動收數據包，網絡芯片會自動調整這個寄存器的值。若接收出錯，會重新調整成CURR的值。 - TPSR，0x04，W，Local DMA發送緩衝起始頁寄存器。
XMIT_START 0x4000 發送緩衝起始地址（寫入時要右移8位得到頁號） - TBCR0，0x05，W，Local DMA發送長度低位。
- TBCR1，0x06，W，Local DMA發送長度高位。
上述兩個寄存器是網絡芯片外發數據包的長度，執行發送命令前根據實際長度設置。 - ISR，0x07，R/W，中斷狀態寄存器，各個bit位的含意如下：
ISR_PRX 0x01 正確接收數據包中斷。做接收處理
ISR_PTX 0x02 正確發送數據包中斷。做不做處理要看上層軟件了。
ISR_RXE 0x04 接收數據包出錯。做重新設置BNRY＝CURR處理。
ISR_TXE 0x08 由於衝突次數過多，發送出錯。做重發處理
ISR_OVW 0x10 網絡芯片內存溢出。做軟件重啓網絡芯片處理。見手冊。
ISR_CNT 0x20 出錯計數器中斷，屏蔽掉（屏蔽用IMR寄存器）。
ISR_RDC 0x40 Remote DMA結束 。屏蔽掉。輪詢等待DMA結束。
ISR_RST 0x80 網絡芯片Reset，屏蔽掉。
在中斷處理程序中讀出ISR寄存器的值，分別與以上各值"與"，若結果爲1則表示發生了該種中斷，需要處理，處理完畢向ISR寄存器寫入該值（即將該中斷位置1）即可清除該中斷。
比如：if (isr & ISR_PRX) {
處理收到的數據包；
IOWRITE(R_ISR,ISR_PRX); 清除正確接收數據包中斷
｝； - RSAR0，0x08，W，Remote DMA目的起始地址低位
XMIT_START 0x4000 取其低位 - RSAR1，0x09，W，Remote DMA目的起始地址高位
XMIT_START 0x4000 取其高位 - RBCR0，0x0A，W，Remote DMA數據長度低位
- RBCR1，0x0B，W，Remote DMA數據長度高位
上述兩個寄存器是CPU向網絡芯片寫入或讀出數據包的實際長度，執行Remote DMA命令前需要設置這兩個寄存器。 - RCR，0x0C，W，接收配置寄存器,
初始化時寫入0x04，表示只接收發給本網絡芯片MAC地址的、大於64字節的以太網包或廣播包。 - TCR，0x0D，W，發送配置寄存器
初始化開始時寫入0x02，表示置網絡芯片爲Loop Back模式，停止發送數據包，初始化結束寫入0x00。正常發送數據包並加上CRC。 - DCR，0x0E，W，數據配置寄存器
初始化時寫入0x48，表示8位模式，FIFO深度8字節，DMA方式。 - IMR，0x0F，W，中斷屏蔽寄存器
它的各位和ISR中的各位相對應，向IMR寫入以下各值即爲打開相應中斷，
ISR_PRX 0x01
ISR_PTX 0x02
ISR_RXE 0x04
ISR_TXE 0x08
ISR_OVW 0x10
ISR_CNT 0x20
ISR_RDC 0x40
ISR_RST 0x80
如IOWRITE(R_IMR, ISR_OVW | ISR_PRX )表示打開溢出和接收中斷，其它中斷都屏蔽。
PAGE 1：
- CR：0x00，R/W，含意與PAGE0的CR含意相同
- PAR0，0x01，R/W，網絡芯片MAC地址最高位
- PAR1，0x02，R/W，網絡芯片MAC地址
- PAR2，0x03，R/W，網絡芯片MAC地址
- PAR3，0x04，R/W，網絡芯片MAC地址
- PAR4，0x05，R/W，網絡芯片MAC地址
- PAR5，0x06，R/W，網絡芯片MAC地址最低位
如網絡芯片的MAC地址爲：00:01:02:03:04:05，則PARi＝0x0i。初始化時網絡芯片會從PROM讀出MAC地址並寫入這六個寄存器。 - CURR，0x07，R/W，接收緩衝環寫指針, 指向下一個包到來時的起始頁。
硬件初始化時，CURR＝BNRY＝PSTART，以後由網絡芯片自動負責更新。
PAGE1中，偏移量0x08到0x0F這8個寄存器是組播地址寄存器，它們決定了網絡芯片對組播數據包的收發，暫時不模擬這8個寄存器。
PAGE 2：
- CR，0x00，R/W，含意與PAGE0的CR含意相同
- PSTART，0x01，R，用來讀PSTART狀態
- PSTOP，0x02， R，用來讀PSTOP狀態
- TPSR，0x04， R，用來讀TPSR狀態
- RCR，0x0C， R，用來讀接收配置寄存器RCR狀態
- TCR，0x0D， R，用來讀發送配置寄存器TCR狀態
- DCR，0x0E， R，用來讀數據配置寄存器DCR狀態
- IMR，0x0F， R，用來讀中斷屏蔽寄存器IMR狀態
這頁的寄存器大部分是隻讀的，可讀出相關的配置信息等。
在前面CR寄存器的說明中可以看到，普通的RTL8019從網絡芯片RAM讀數據到CPU有兩種方式：
1. 目前SkyEye虛擬網絡芯片還不支持Remote DMA READ方式：
硬件初始化時，BNRY讀指針 ＝ CURR寫指針－1 ＝PSTART。
有數據包要讀時，操作步驟如下：
a.查看bnry是否＝CURR－1，不等則說明有數據包要讀
b.用bnry初始化DMA起址控制器RSAR0,1
c 用18初始化DMA長度控制器RBCR0，1
d．執行Remote DMA READ命令
e．讀出以太網包頭（18字節），從包頭中讀出包長度
f．同b－e讀出所有數據
g．調整bnry指針＝CURR－1
這期間如果bnry指到了緩衝環的尾部還要手工調整它回到環的開頭。
2．虛擬8019網絡芯片支持更快更簡單的SEND COMMAND方式，讀數據包的步驟如下：
硬件初始化時，BNRY ＝ CURR ＝ PSTART
有數據包要讀時，操作步驟如下：
a．向RBCR1寄存器寫入0FH（硬性規定）
IOWRITE(R_RBCR1, 0x0f);
b．執行SEND COMMAND命令
IOWRITE(R_CR, CMD_PAGE0 | CMD_SEND | CMD_RUN)
然後網絡芯片自動做了如下工作：
I. 用當前的BNRY讀指針指向的地址寫入DMA控制器（RSAR0，1）
II.用以太網包頭中的包長度初始化DMA控制器（RBCR0，1）
c．先讀18個字節的包頭看看是否是合法的數據包
d．從0x10端口讀數據……。（讀多少當然要你自己去看以太網包頭了）
- nic_init：調用nic_reset初始化虛擬網絡芯片。
- nic_reset：初始化虛擬8019AS的各項結構，包括寄存器，卡上PROM和RAM等。
- nic_read：網絡芯片的讀操作函數，根據參數給出的寄存器偏移量，返回相應寄存器的當前值；如果讀的是0x10寄存器，調用DMA輸入函數remote_read；如果讀的是0x1f寄存器，調用nic_reset重新啓動網絡芯片。
- nic_write：網絡芯片寫操作函數，根據參數給出的寄存器偏移量，修改相應寄存器的值；如果寫的是0x00 CR寄存器，調用write_cr改變網絡芯片當前狀態；如果寫的是0x10寄存器，調用DMA輸出函數remote_write；如果寫的是0x1f寄存器，調用nic_reset重新啓動網絡芯片。
- tapif_input：從tapif網絡接口讀取網絡包，轉存入8019AS設備的內部RAM（即上圖中的8192字節的數組）。注意RTL8019AS在收到網絡包時會在最前面加上四個字節：0x10、0x50和兩字節的包長度，爲了與真實8019AS網絡芯片完全兼容，SkyEye的虛擬8019AS網絡芯片也模擬了這一特點。包轉存完畢後，tapif_input函數修改SkyEye的中斷狀態寄存器，然後返回。SkyEye會在下一次檢查中斷狀態寄存器時進入中斷狀態。
- tapif_output：這個函數被虛擬8019AS網絡芯片的發包函數調用，負責從8019AS的內部RAM讀出要發送的網絡包，轉發到tapif網絡芯片接口。
tun/tap設備和vnet設備爲網絡接口設備（struct net_device），被鏈接到網絡接口鏈表中。一般在函數tun_set_iff()裏創建和註冊。
編寫驅動程序時對DMA結束的判斷的說明 cpu--->NIC's ram 的DMA結束標誌是ISR_RDC中斷： while((char) (IOREAD(R_ISR) & ISR_RDC) == 0 ); 這裏是循環等待了，如果做得更好可以先返回，等待結束中斷，一般沒必要了。
NIC'ram ---> network的DMA結束標誌是ISR_PTX中斷如果上層軟件還有包要連續發送，可以打開這個中斷，然後在ISR中繼續發下一個包。否則沒必要處理這個中斷，可以屏蔽它。（這就類似於串口UART的發送成功中斷，如果要發一個字符串，就使用這個中斷，只發送一個字符就沒必要了。）
在Linux系統的ne2k driver中也是死等一段時間，見ne2k.c中的代碼：
while ((inb_p(nic_base + EN0_ISR) & ENISR_RDC) == 0)
if (jiffies - dma_start > 2*HZ/100) { /* 20ms */
printk("%s: timeout waiting for Tx RDC./n", dev->name);
ne_reset_8390(dev);
NS8390_init(dev,1);
break;
}
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- 本文節自 《源碼開放的嵌入式系統軟件分析與實踐--基於SkyEye和ARM開發平臺》一書的第三章，對 SkyEye 開源項目感興趣的可以閱讀本書。
- SkyEye硬件模擬平臺, 第一部分: SkyEye 介紹
- SkyEye硬件模擬平臺，第二部分: 安裝與使用
- SkyEye硬件模擬平臺，第三部分: 硬件仿真實現之一
- SkyEye硬件模擬平臺，第三部分: 硬件仿真實現之二
- SkyEye 硬件模擬平臺，第三部分: 硬件仿真實現之三
- 在 developerWorks Linux 專區 可以找到更多爲 Linux 開發者準備的參考資料。
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陳渝, 清華大學，通過 [email protected] 可以和他聯繫。 | |