基于KSZ8081RNB網(wǎng)卡設(shè)備的驅(qū)動程序的開發(fā)設(shè)計目錄TOC\o"1-2"\h\u224671引言 1174071.1嵌入式系統(tǒng)概述 19771.2嵌入式Linux的發(fā)展方向與選型 2221401.3課題的背景及意義 323051.4論文主要內(nèi)容及安排 438582嵌入式開發(fā)環(huán)境的搭建 431852.1Linux硬件開發(fā)平臺 4277272.2Linux軟件開發(fā)環(huán)境 6288552.3本章總結(jié) 8132263驅(qū)動程序框架及工作原理 814703.1網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動的工作原理 8236633.2KSZ8081概述 9226613.3KSZ8081驅(qū)動程序的框架描述 10284073.5KSZ8081驅(qū)動程序的加載 13107374基于KSZ8081的以太網(wǎng)程序設(shè)計 15252804.1硬件電路圖 1533424.2KSZ8081驅(qū)動程序編寫 1666865.總結(jié)與展望 23摘要：近幾年嵌入式Linux漸漸走入人們的視野，它不僅運行效率高，而且是開源的且內(nèi)核較小，網(wǎng)絡(luò)功能方面也很強大，逐漸在嵌入式系統(tǒng)以及服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等方面得到了廣泛的運用。目前嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)熱點就是掌握在Linux系統(tǒng)下的開發(fā)技術(shù)，而目前開發(fā)的難點就在于Linux驅(qū)動程序的開發(fā)。本文主要研究了基于KSZ8081RNB網(wǎng)卡設(shè)備的驅(qū)動程序的開發(fā)，并對Linux系統(tǒng)下網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序的工作原理和運行過程進行了分析，并對嵌入式Linux系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動的開發(fā)進行了介紹，最終實現(xiàn)在Ubuntu系統(tǒng)下的KSZ8081RNB網(wǎng)卡驅(qū)動的編程。同時對KSZ8081的初始化、KSZ8081的打開與關(guān)閉函數(shù)、數(shù)據(jù)的傳送和數(shù)據(jù)的接收以及出現(xiàn)超時處理等相關(guān)過程進行了詳細分析。關(guān)鍵詞：Ubuntu系統(tǒng)，嵌入式Linux，KSZ8081RNB，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，驅(qū)動程序1引言1.1嵌入式系統(tǒng)概述當前社會信息化飛速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)(EmbeddedSystem)逐漸涉及到我們生活中越來越多的方面，嵌入式系統(tǒng)顧名思義指的是一些設(shè)備被用于控制和監(jiān)測或協(xié)助裝置以及機器和工廠的操作等。由此我們不難看出嵌入式系統(tǒng)具有“嵌入性”、“專用性”和“計算機系統(tǒng)”等主要特征。它主要是把計算機技術(shù)當作工具、將應(yīng)用作為最終目標、實現(xiàn)軟件、硬件可進行裁剪，同時在功能、可靠性、功耗等方面有著更高要求的計算機系統(tǒng)。[1]通過了解嵌入式技術(shù)的發(fā)展史，不難發(fā)現(xiàn)它分為了三個時期，分別是單片機、微控制器以及片上系統(tǒng)。我們依次來介紹，單片微型計算機(SingleChipMicrocomputer),簡稱為單片機，在這個時期，由于大規(guī)模集成電路的流行，能夠?qū)崿F(xiàn)計算機的CPU、RAM和眾多的I/O接口都集成到一塊芯片上。然后是MCU(MicroControllerUnit)，即微控制器，它能夠提供豐富的片上外設(shè)和接口，更加凸顯出其智能化控制的能力，成為了目前嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的主要選擇。但大部分時候，SCM和MCU一般都被稱為是“單片機”，因為它們是不會運行操作系統(tǒng)的在一般情況下，而且功能上也顯得較為單一。最后是片上系統(tǒng)SOC(SystemonaChip)它不僅可以大幅地減少電子產(chǎn)品的開發(fā)成本，還能將開發(fā)周期盡可能縮短，主要是因為它使用預(yù)訂制模塊IP(IntellectualProperty)進行集成電路的開發(fā)，這使得產(chǎn)品在質(zhì)的上面有了一個提升。不僅超大規(guī)模集成電路的復(fù)雜功能能夠輕松實現(xiàn)，還可以在芯片外部進行編程，全部功能系統(tǒng)的微電子產(chǎn)品也能實現(xiàn)集成在一個單芯片上。1.2嵌入式Linux的發(fā)展方向與選型1.2.1發(fā)展方向目前，嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)得到了廣泛的關(guān)注，許多國內(nèi)外公司都爭先在做嵌入式Linux方面的研發(fā)，但是嵌入式Linux面對日益增長的用戶市場需求，還有很長的路要走，如：加強Linux的實時性擴展改變Linux的內(nèi)核架構(gòu)完善Linux的集成開發(fā)環(huán)境1.2.2軟硬件的選擇嵌入式系統(tǒng)不僅涉及了系統(tǒng)硬件的選擇同樣軟件的選擇也一樣重要，因此選擇合適的軟硬件顯得非常重要。ARM系列的處理器被大規(guī)模用于控制、電子、網(wǎng)絡(luò)以及無線通訊等方面主要是因為其具有性能強、功耗小的特點。故硬件上本論文選用了I.MX6ULL開發(fā)板，該開發(fā)板是一款以Cortex-A7為架構(gòu)的開發(fā)板，該開發(fā)板搭載的資源非常豐富，通過郵票孔就引出了I.MX6ULL幾乎所有的資源，接口很多，基本可以應(yīng)對多種應(yīng)用的要求。I.MX6ULL核心板板載資源如下：CPU：采用MCIMX6Y2CVM05AB(工業(yè)級)或MCIMX6Y2CVM08AB（工業(yè)級），主頻為528MHz或800MHz，在實際使用過程中主頻頻率并不能達到800MHz只有792MHz，封裝采用了BGA289。DDR3：K4B4G1646E-BY(M)，大小為512MB字節(jié)。EMMC：KLM8G1GET，8GB字節(jié)。郵票孔方式間距為1.0mm并引出了146個引腳。然后就是選擇合適的操作系統(tǒng)，選擇一個合適的操作系統(tǒng)會在一定程度上降低產(chǎn)品開發(fā)、后期發(fā)布以及維護的難度，并且它必須支持你硬件的選型，目前嵌入式Linux操作系統(tǒng)有了飛速的發(fā)展，這離不開其源碼向大眾公開以及其強大的功能和便于移植等特點。[2]因此本論文選用了Ubuntu作為我們的操作系統(tǒng)，因為Ubuntu有著良好的圖形界面和非常強大的ape-get功能，所以目前一般都是用Ubuntu來進行學(xué)習(xí)和開發(fā)。1.3課題的背景及意義從上述的介紹我們了解到，嵌入式技術(shù)已經(jīng)逐漸涉及到我們生活中越來越多的方面如：工業(yè)控制、消費電子、無線通訊等各個方面，而且目前嵌入式領(lǐng)域研發(fā)的焦點就是嵌入式系統(tǒng)驅(qū)動的開發(fā)，如果能夠保證系統(tǒng)的相對穩(wěn)定，如何將設(shè)計的驅(qū)動程序變得更加簡化和穩(wěn)定仍然是嵌入式研發(fā)人員的工作重點。本論文的主要工作就是基于Ubuntu系統(tǒng)下的KSZ8081RNB網(wǎng)卡驅(qū)動程序的設(shè)計，操作系統(tǒng)中內(nèi)核提供的網(wǎng)卡驅(qū)動程序比較繁雜，而本文則設(shè)計了一個更加簡明的驅(qū)動程序并同時兼具穩(wěn)定、高速的數(shù)據(jù)傳輸，來給用戶帶來更加穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。1.4論文主要內(nèi)容及安排本文的目標旨在基于I.MX6ULL硬件開發(fā)平臺進行Ubuntu系統(tǒng)的研究，在系統(tǒng)硬件的基礎(chǔ)上完成Ubuntu操作系統(tǒng)的以太網(wǎng)驅(qū)動程序的開發(fā)，通過編寫該驅(qū)動程序能夠?qū)崿F(xiàn)用戶數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)媒介上的發(fā)送和接收，該驅(qū)動程序不僅以特定的媒介訪問控制方式來進行上層協(xié)議傳遞過來的數(shù)據(jù)包的發(fā)送，還把接收到的數(shù)據(jù)包再次遞回到上層協(xié)議。因而能夠提供迅速穩(wěn)定的曝光數(shù)據(jù)的傳輸服務(wù),并為上層應(yīng)用提供穩(wěn)定高效的網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)。[3]本文對嵌入式系統(tǒng)的軟硬件平臺以及Linux軟件在開發(fā)過程中所需搭建的環(huán)境進行了相關(guān)闡述，重點闡述了KSZ8081RNB網(wǎng)卡的工作原理和驅(qū)動程序的介紹，著重對Ubuntu系統(tǒng)下以太網(wǎng)驅(qū)動程序的編寫進行了分析，并測試了以太網(wǎng)驅(qū)動程序的相關(guān)功能。章節(jié)安排如下：第一章主要對嵌入式系統(tǒng)的概念和發(fā)展前景以及面臨的問題，并對Ubuntu系統(tǒng)和硬件平臺及研究背景進行了簡單的介紹。第二章主要介紹了本次論文設(shè)計采用的硬件平臺和Linux開發(fā)環(huán)境如何搭建。第三章主要介紹了KSZ8081RNB網(wǎng)卡的工作原理以及其驅(qū)動程序的框架。第四章主要論述了Ubuntu系統(tǒng)下以太網(wǎng)驅(qū)動程序的編寫過程，重點介紹了KSZ8081RNB驅(qū)動程序的設(shè)計方法。第五章對本次設(shè)計進行相關(guān)的總結(jié)，并對今后的工作進行了展望。2嵌入式開發(fā)環(huán)境的搭建2.1Linux硬件開發(fā)平臺本次設(shè)計的開發(fā)板采用了I.MX6ULL，它是一個基于Cortex-A7處理器的嵌入式硬件平臺。Cortex-A7處理器是一種能效較高的處理器，是根據(jù)ARMV7-A架構(gòu)搭建由ARM公司推出的可以實現(xiàn)單核多核的微控制器（MCU）,制作工藝主要采用了28nm/40nm，主頻為800-1500MHz。該處理器能完美兼容其他的Cortex-A系列處理器的開發(fā)程序，Cortex-A7處理器可以說是Coetex-A15處理器的降階版，它的體系結(jié)構(gòu)和功能集基本都繼承了Cortex-A15,都采用了一系列全新的技術(shù)如虛擬化、大物理地址擴展(LPAE)NEON高級SIMD和AMBA4ACE一致性等。這使得它們在big.LITTLE配置中能夠配合工作,以此來完成高性能的疊加和低功耗的完美組合。差別在于,Cortex-A7處理器更加側(cè)重考慮了性能與功耗之間的平衡，故Cortex-A7處理器的微體系結(jié)構(gòu)能夠提供更好的能效。Cortex-A7處理器主要特性有以下幾個方面：兼具了調(diào)試廣泛的特性，能夠?qū)崿F(xiàn)對實時性要求比較高的應(yīng)用。集成了兩個獨立的外部總線，對多種存儲設(shè)備都兼容，范圍上更加廣泛，同時數(shù)據(jù)的存取也更穩(wěn)定。集成了L2高速緩存控制器，可以給1MB的高速緩存內(nèi)存提供較低的延遲及高帶寬的訪問。在硬件方面支持半精度、單精度及雙精度浮點運算的浮點操作。集成了常用總線的控制器，如CAN、LCD、OTG、JTAG、USB等，簡化了對外設(shè)的操作流程。本次設(shè)計的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Cortex-A7處理器架構(gòu)圖如圖2.1所示。圖2.1Cortex-A7處理器架構(gòu)以ARM7為架構(gòu)的I.MX6ULL應(yīng)用處理器是NXP最新加入的實時處理產(chǎn)品，不僅能提供高性能處理還能優(yōu)化最低功耗。因此本論文選擇以Cortex-A7為架構(gòu)的I.MX6ULL開發(fā)板作為本次論文的硬件開發(fā)平臺。2.2Linux軟件開發(fā)環(huán)境想要在PC上開發(fā)嵌入式Linux軟件，PC就必須安裝Linux操作系統(tǒng)，目前最新的Linux發(fā)行版本有Ubuntu21.04、UOSDesktophome20、Deepin20Beta、CentOS7.7等，基于Debian發(fā)行版和GNOME桌面環(huán)境的操作系統(tǒng)叫做Ubuntu系統(tǒng)，但Ubuntu系統(tǒng)從11.04版開始，放棄了GNOME桌面環(huán)境，改成了Unity，直到Ubuntu18.04LTS之后，Ubuntu發(fā)行版又重新啟用了GNOME3桌面環(huán)境。Ubuntu系統(tǒng)主要是給用戶創(chuàng)造了一個相對自由的操作系統(tǒng)。[4]因此為了更加容易上手的開發(fā)驅(qū)動程序，本文選擇使用界面簡明、操作容易的Ubuntu系統(tǒng)來搭建Linux軟件的開發(fā)環(huán)境。我在PC上安裝使用的Ubuntu版本號為16.04，Ubuntu16.04版兼容amd64位x86系列、ARM系列和PowerPC系列處理器。安裝Ubuntu16.04的過程相對來說比較簡單，由于我們需要在Windows系統(tǒng)和Ubuntu系統(tǒng)之間傳遞文件，單獨安裝其中一個系統(tǒng)便比較麻煩，所以本文選擇在PC上安裝一個虛擬機軟件，我們可以在安裝的虛擬機軟件上裝載我們需要的系統(tǒng)，由于這個軟件是虛擬出的PC，故不會影響我們原系統(tǒng)的使用，而通過VmwareWorkstation15.5Pro軟件的安裝，就可以直接引導(dǎo)Ubuntu16.04鏡像的安裝和啟動。Ubuntu16.04安裝好之后，我們?yōu)榱烁玫呐渲孟到y(tǒng)便需要從網(wǎng)絡(luò)下載一些必要的軟件包，這就需要修改一下系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，來完成網(wǎng)絡(luò)的連通，我們找到“網(wǎng)絡(luò)適配器”選項，進入修改虛擬機的網(wǎng)絡(luò)配置信息，這里我們配置成“橋接模式”即可，接下來我們驗證一下網(wǎng)絡(luò)是否連通，我們可以打開Ubuntu系統(tǒng)的瀏覽器輸入某個網(wǎng)址進行聯(lián)網(wǎng)測試。網(wǎng)絡(luò)連通成功，我們還要單獨設(shè)置一下Ubuntu軟件源的地址，因為Ubuntu系統(tǒng)在全球各地都建有服務(wù)器站點，這讓全球各地的用戶下載軟件的速度有了保障，體驗感更佳。這里，本文選擇了中國的作為軟件源地址。軟件源選好后，我們就可以開始下載軟件了，首先為了Ubuntu系統(tǒng)使用起來更加方便，我們下載一下簡體中文語言包,點擊Ubuntu任務(wù)欄中SystemSetting下面的LanguageSupport，打開語言設(shè)置界面，首先會檢測到我們沒有安裝語言支持，我們選擇“install”進行安裝，安裝完成會自動打開語言支持界面，然后我們點擊“Install/RemoveLanguages..”按鈕，打開“安裝語言”界面，然后在里面找到“中文簡體”，點擊安裝就會自動下載和安裝簡體中文語言包，同時我們把地區(qū)改成漢語（中國），配置完相應(yīng)的信息，我們需要重啟系統(tǒng),這樣就把系統(tǒng)的語言改成了中文簡體。系統(tǒng)安裝好以后，我們?yōu)榱蓑?qū)動程序的編寫，就必要安裝編譯器，盡管Ubuntu系統(tǒng)默認自帶了gcc編譯器，但對于不同的架構(gòu)，gcc并不能完全兼容，gcc編譯器只能編譯X86平臺下的Linux程序，我們學(xué)習(xí)的I.MX6ULL是ARM架構(gòu)的，所以我們就需要使用不僅支持ARM的編譯器并且這個編譯器在X86架構(gòu)下也能運行，我們通常把這種編譯器叫做交叉編譯器。為了簡化操作，我們?nèi)ゾW(wǎng)上下載一個已經(jīng)制作好的編譯器，根據(jù)本論文的需求，我采用了Linaro公司的ARM交叉編譯器作為本次項目的交叉編譯工具，我們把gcc-linaro-4.9.4-2017.01-x86_64_arm-linux-gnueabihf.tar.xz的安裝包下載到本地進行安裝，首先我們在Ubuntu的用戶根目錄下建立一個新文件夾“tools”，用來保存一些開發(fā)用到的工具。然后使用SSH文件傳輸工具將ARM交叉編譯器傳輸?shù)轿覀儎偛旁赨buntu系統(tǒng)下創(chuàng)建的“tools”目錄下，然后打開系統(tǒng)終端輸入“sudomkdir/usr/local/arm”命令創(chuàng)建一個新目錄，然后復(fù)制剛才下載好的交叉編譯器安裝包到“/usr/local/arm”目錄下，然后進入到“/usr/local/arm”目錄下，在終端輸入：“sudotar-vxfgcc-linaro-4.9.4-2017.01-x86_64_arm-linux-gnueabihf.tar.xz”解壓ARM交叉編譯器，解壓完成后會生成一個名為“gcc-linaro-4.9.4-2017.01-x86_64_arm-linux-gnueabihf”的文件夾，這就是我們要使用的交叉編譯工具，安裝完成后，需要設(shè)置交叉編譯工具的路徑，我們在終端輸入“sudovi/etc/profile”命令，在文件的最后輸入：“exportPATH=$PATH:/usr/local/arm/gcc-linaro-4.9.4-2017.01-x86_64_arm-linux-gnueabihf/bin”修改一下環(huán)境變量，然后保存并退出，在終端輸入“reboot”命令重新啟動Ubuntu系統(tǒng)，這樣交叉編譯環(huán)境就會自動生效。對開發(fā)板進行調(diào)試必須通過串口工具，所以我們還需要在Ubuntu系統(tǒng)上安裝一個串口工具，本文選擇CH340芯片實現(xiàn)了USB轉(zhuǎn)串口的功能，下載好安裝包，直接打開進行安裝，完成后使用USB線將開發(fā)板的串口同電腦連接起來，然后打開Windows系統(tǒng)下的設(shè)備管理器，點擊“設(shè)備管理器”選項，在設(shè)備管理器窗口展開“端口（COM和LPT）”，可以查看到CH340對應(yīng)的串口編號，這說明串口工具已經(jīng)配置成功。安裝好串口驅(qū)動，還需要安裝能夠連接調(diào)試開發(fā)板的軟件，本文采用了Hyperterminal這個軟件來連接開發(fā)板，并對開發(fā)板進行調(diào)試，利用網(wǎng)絡(luò)下載安裝包并直接打開安裝完成后，將開發(fā)板同電腦連接，接著我們看一下Hyperterminal的串口的屬性，我們選擇CH340，點擊選擇屬性，把端口設(shè)置改成115200，因為本文使用的開發(fā)板默認波特率是115200，流控選擇None，設(shè)置好之后我們就可以關(guān)掉電腦的設(shè)備管理器。然后進行一下測試，我們給開發(fā)板通電，如果連接成功，驅(qū)動也沒有問題的話，Hyperterminal便會打印出開發(fā)板的啟動信息。至此，PC和開發(fā)板就可以通過Hyperterminal這個軟件搭建起橋梁，方便我們?nèi)蘸蟮恼{(diào)試與學(xué)習(xí)。2.3本章總結(jié)本章主要對硬件的開發(fā)平臺以及Cortex-A7的架構(gòu)及特性進行了描述，著重分析了軟件開發(fā)環(huán)境如何搭建，特別是對交叉編譯工具如何修改變量及其他操作，開發(fā)環(huán)境的成功搭建為后續(xù)章節(jié)的開展和學(xué)習(xí)做好了鋪墊。3驅(qū)動程序框架及工作原理3.1網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動的工作原理在網(wǎng)絡(luò)媒介上發(fā)送和接收用戶數(shù)據(jù)包的設(shè)備叫做網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它不僅以獨有的媒介訪問控制方式將上層協(xié)議傳遞過來的數(shù)據(jù)包發(fā)送出去，當其收到數(shù)據(jù)包后就會重新上傳回上層協(xié)議。Linux驅(qū)動分為字符設(shè)備和塊設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備但它們還是存在一些差別，例如網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在/dev目錄下沒有相對應(yīng)的文件，完成設(shè)備接口使用的應(yīng)用程序為套接字（socket）。網(wǎng)卡設(shè)備驅(qū)動在Ubuntu系統(tǒng)下定義了四個層次，分別是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接口層、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口層、設(shè)備驅(qū)動功能層和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與媒介層。[5]網(wǎng)卡設(shè)備驅(qū)動程序的體系結(jié)構(gòu)圖如下圖3.1所示，這四層的功能分別如下：網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接口層是一個收發(fā)接口用于將數(shù)據(jù)包統(tǒng)一傳遞給網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層，且不論是ARP或者IP等上層協(xié)議，通過函數(shù)dev_queue_xmit()都能順利完成發(fā)送數(shù)據(jù)的操作，并利用函數(shù)netif_rx()來截獲數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口層是具體網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及操作結(jié)構(gòu)體由協(xié)議接口層統(tǒng)一提供，該結(jié)構(gòu)體net_device放置了設(shè)備驅(qū)動功能層的各種函數(shù)。在實際操作中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口層往往已經(jīng)劃分出硬件設(shè)備驅(qū)動層的結(jié)構(gòu)的詳細操作。設(shè)備驅(qū)動功能層的相關(guān)函數(shù)是結(jié)構(gòu)體net_device的具體填充，該代碼能幫助硬件實現(xiàn)相關(guān)操作，啟動發(fā)送操作是利用hard_start_xmit()函數(shù)來進行的，接收操作是通過中斷觸發(fā)觸發(fā)的。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與媒介層是一個實體以此來實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的收發(fā)，其中有網(wǎng)絡(luò)適配器及傳輸媒介等，設(shè)備驅(qū)動功能層中的各種函數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)適配器。故對Ubuntu系統(tǒng)來說，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及媒介都是可以進行模擬的。圖3.1驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)圖本文在以太網(wǎng)驅(qū)動程序具體設(shè)計時，主要任務(wù)就是編寫出net_device數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)下設(shè)備驅(qū)動功能層的各個函數(shù)，最后將結(jié)構(gòu)體注冊編譯進內(nèi)核中。3.2KSZ8081概述本文采用的是KSZ8081RNB這個PHY芯片，該芯片利用其中一端與開發(fā)板的RGMI接口連通，另一端則與RJ45接口相連接，這樣就形成了一個自協(xié)商、速率在10M/100M的網(wǎng)卡。KSZ8081RNB是3.3V供電快速的集成的單一的以太網(wǎng)物理層收發(fā)器，KSZ8081RNB芯片符合規(guī)定的IEEE802.3規(guī)范，通過兩個差分對使用片上終止電阻和集成穩(wěn)壓器提供的1.2V的核心，以此來降低電路板成本，并簡化電路板的布局。在銅介質(zhì)方面，KSZ8081支持10BASE-T和100BASE-TX，實現(xiàn)傳輸和接收數(shù)據(jù)是利用標準CAT-5UTP，同時為了檢驗和指正直通和交叉電纜，故KSZ8081支持HPAutoMDI/MDI-X。在MAC處理器方面，KSZ8081MNX提供媒體獨立接口(MII)，而本文采用的KSZ8081RNB提供的接口則是減少媒體獨立接口(RMII)，兩者對與MII/RMII和兼容MII/RMII的以太網(wǎng)MAC處理器和交換機能實現(xiàn)直連。KSZ8081為了便于測試、產(chǎn)品的系統(tǒng)啟動及調(diào)試，還專門搭載了診斷功能。目前，以太網(wǎng)控制器往往都嵌入到嵌入式系統(tǒng)中，以達到提供媒體獨立接口和帶緩沖的DMA接口(BDI)的目的。[6]并且該控制器能在半雙工以及全雙工模式下使以太網(wǎng)連接速度達到10/100Mbps。控制器符合CSMA/CD協(xié)議是在半雙工模式下，那么符合IEEE802.3MAC的協(xié)議就是在全雙工模式下。KSZ8081芯片的原理框圖如圖3.2所示：圖3.2KSZ8081芯片原理圖3.3KSZ8081驅(qū)動程序的框架描述通過上述章節(jié)的分析，我們清楚了Ubuntu系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)可分為四層，分別是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接口層、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口層、提供實際功能的設(shè)備驅(qū)動功能層，以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)媒介層。由上層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口層定義的net_device數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體和底層硬件負責了以太網(wǎng)設(shè)備驅(qū)動的主要功能，最主要的函數(shù)就是數(shù)據(jù)的接收及發(fā)送函數(shù)。以太網(wǎng)驅(qū)動程序還包括兩個主要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，除了net_device以外，另一個就是sk_buff數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。通過這個結(jié)構(gòu)體能夠?qū)崿F(xiàn)在不一樣的協(xié)議層TCP/IP之間，和以太網(wǎng)驅(qū)動程序之間完成數(shù)據(jù)包的傳遞，sk_buff結(jié)構(gòu)體主要包括五個方面，分別是傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、連接層需要的變量，決定數(shù)據(jù)區(qū)位置、大小的指針，和發(fā)送接收數(shù)據(jù)包所產(chǎn)生的具體設(shè)備信息等。在Ubuntu系統(tǒng)中sk_buffer被認為是一個起到?jīng)Q定作用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)起著很重要的作用在數(shù)據(jù)發(fā)送端以及接收端。該結(jié)構(gòu)是Ubuntu系統(tǒng)下的子系統(tǒng)，主要負責管理數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。sk_buff結(jié)構(gòu)在一層層傳遞中時刻變化，并且貫穿系統(tǒng)的整個周期。當我們傳遞這些數(shù)據(jù)時，對應(yīng)的緩沖區(qū)將會被自動創(chuàng)建，然后將數(shù)據(jù)包從這個緩沖區(qū)復(fù)制到用戶的地址空間，不僅要復(fù)制數(shù)據(jù)包還要把他們的屬性也復(fù)制過去，并最終保存在sk_buff結(jié)構(gòu)當中。當我們處理需要的數(shù)據(jù)時，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧不同層的各個協(xié)議頭信息將被輸入到數(shù)據(jù)包里由不同的協(xié)議層，sk_buff結(jié)構(gòu)中的指針會在這時被進行賦值，協(xié)議頭和賦值往往都是一一對應(yīng)的，這些數(shù)據(jù)在發(fā)到網(wǎng)絡(luò)上之前會先被發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)適配器中，同時，sk_buff緩沖區(qū)就會得到釋放。在以太網(wǎng)驅(qū)動程序編寫中，首先我們需要判斷網(wǎng)絡(luò)設(shè)備存在與否，判斷方法就是通過檢測物理設(shè)備的硬件特征，然后才可以考慮是否啟動該設(shè)備。啟動網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之后還需要進行相關(guān)資源的配置，最后初始化結(jié)構(gòu)體net_device，該網(wǎng)絡(luò)設(shè)備才能受操作系統(tǒng)驅(qū)動。對KSZ8081網(wǎng)卡驅(qū)動程序來說，首先需要利用內(nèi)核中的檢測函數(shù)來判斷是否安裝了網(wǎng)卡，如若網(wǎng)卡連接上就可以直接使用，那么函數(shù)就會主動找到網(wǎng)卡的參數(shù)。[7]不然，我們就需要先配置好網(wǎng)卡的參數(shù)，再進行數(shù)據(jù)的傳輸，在內(nèi)核中調(diào)用發(fā)送函數(shù)，將數(shù)據(jù)進行寫入，之后就可以激活發(fā)送函數(shù)。KSZ8081驅(qū)動程序的整體流程圖如下圖3.3所示：圖3.3驅(qū)動程序流程圖KSZ8081網(wǎng)卡驅(qū)動程序編程的重點就在于數(shù)據(jù)包的發(fā)送與接收，檢驗一個網(wǎng)卡的好壞就是看它能否處理好數(shù)據(jù)包發(fā)送和接收。中斷一般發(fā)生在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接收到數(shù)據(jù)后中斷，發(fā)生中斷后，中斷程序?qū)⑻崆吧暾埡脭?shù)據(jù)緩沖區(qū)來存放數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。當KSZ8081網(wǎng)卡在接收、發(fā)送數(shù)據(jù)包或出現(xiàn)報錯時，網(wǎng)卡將自動中斷并調(diào)用中斷函數(shù)，分析中斷為何產(chǎn)生，并做出相應(yīng)處理。中斷函數(shù)的過程如圖3.4所示：圖3.4中斷流程圖3.5KSZ8081驅(qū)動程序的加載Ubuntu驅(qū)動程序一般有兩種方式加載：一是動態(tài)加載，即把驅(qū)動程序編譯成模塊的形式，網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序模塊加載的動態(tài)命令是insmod，卸載的動態(tài)命令即rmmod；二是靜態(tài)編譯，即相對于動態(tài)加載而言，直接對內(nèi)核進行編譯的方式。Linux中獨有的技術(shù)動態(tài)加載使其內(nèi)核更便于拓展，故在設(shè)計設(shè)備驅(qū)動程序時使用動態(tài)加載相對來說更加簡單。而靜態(tài)編譯由于硬件的單一在嵌入式系統(tǒng)的外部設(shè)備中更容易獲得更高的效率。[8]根據(jù)上述分析，顯然動態(tài)模塊能夠更加簡單易操作，避免了重復(fù)編譯內(nèi)核的繁雜，故本文選擇了動態(tài)模塊加載方式，提高編程的效率。動態(tài)模塊的加載如圖3.5所示：圖3.5動態(tài)模塊加載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序的加載是從insmod命令開始，接著進行模式的初始化，這里需要利用入口函數(shù)init_module()，同時注冊網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，這里要調(diào)用register_netdev()函數(shù)。如果注冊成功，我們就對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行初始化，初始化函數(shù)是ksz8081_init，之后在dev_base鏈表的末尾插入net_device數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)即可。初始化完成后，打開網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要我們調(diào)用open函數(shù)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)包的發(fā)送及接收。當我們想要卸載網(wǎng)絡(luò)模塊時，首先調(diào)用close函數(shù)來關(guān)閉此設(shè)備，然后通過rmmod命令調(diào)用內(nèi)核中的cleanup_module()模塊就可以卸載該網(wǎng)絡(luò)模塊。[9]4基于KSZ8081的以太網(wǎng)程序設(shè)計4.1硬件電路圖KSZ8081RNB的電路連接圖如圖4.1所示，其中讀寫信號為nWAIT,網(wǎng)卡重啟的信號是nRESET。連接以太網(wǎng)需通過HR9111005A接口，且網(wǎng)卡的輸入和輸出采用跳線的工作模式來決定。圖4.1KSZ8081電路圖4.2KSZ8081驅(qū)動程序編寫4.2.1驅(qū)動程序設(shè)計分析通過之前幾章的鋪墊和學(xué)習(xí)，我們知道structdevice數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的填充就是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備編程的一個重要部分。在Ubuntu操作系統(tǒng)下，每一個structdevice都能一一對應(yīng)一個物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。我們將device結(jié)構(gòu)聯(lián)成一張鏈表，讓指針dev_base指向該鏈表的表頭，我們就可以獲取每個接口的信息。[10]以太網(wǎng)驅(qū)動程序的編寫主要包括了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的注冊、初始化與注銷，還有數(shù)據(jù)的接收處理，并在數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)故障、超時等特殊問題時做出相應(yīng)的判斷及處理辦法。目前來看，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的驅(qū)動已經(jīng)處理的非常成熟，我們完全可以根據(jù)自身的需要根據(jù)通用驅(qū)動進行適當?shù)母膶懀虼耍疚木帉慘SZ8081的網(wǎng)卡驅(qū)動程序就是對模板的填充和適當?shù)母膶懀幊滩襟E如下：填充KSZ8081的私有結(jié)構(gòu)體，該結(jié)構(gòu)體為board_info，它在內(nèi)核的驅(qū)動程序中包含了大量的信息。對KSZ8081網(wǎng)卡進行初始化，并將其注冊進系統(tǒng)的內(nèi)核。下面是具體涉及到的相關(guān)函數(shù)如圖4.2：圖4.2填充網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的打開函數(shù)和關(guān)閉函數(shù)，KSZ8081的驅(qū)動程序?qū)?yīng)的這三個函數(shù)如下圖4.3：圖4.3補充傳輸數(shù)據(jù)的函數(shù)和發(fā)送超時函數(shù)，驅(qū)動中KSZ8081對應(yīng)的這兩個函數(shù)如圖4.4：圖4.4填寫中斷處理函數(shù)和接收數(shù)據(jù)函數(shù)，對應(yīng)的函數(shù)如下圖4.5：圖4.5圖4.6是函數(shù)模板與KSZ8081具體實例的關(guān)系。圖4.6KSZ8081驅(qū)動設(shè)計模塊4.2.2初始化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的初始化需要從以下幾個方面來考慮。首先檢查網(wǎng)絡(luò)物理設(shè)備存在與否，若存在，則進行下一步檢測設(shè)備硬件資源。并為軟件接口做準備，對數(shù)據(jù)及指針進行賦值并分配net_device。得到設(shè)備的name、irq等信息并開始初始化各個值。硬件初始化工作進行的同時對net_device結(jié)構(gòu)體和數(shù)據(jù)進行賦值，根據(jù)硬件檢測的結(jié)果來填補net_device結(jié)構(gòu)體和數(shù)據(jù)。KSZ8081設(shè)備驅(qū)動初始化函數(shù)如下圖4.7所示：圖4.7初始化函數(shù)上圖代碼中的ksz8081_hw_init()函數(shù)就是硬件初始化操作的函數(shù)。首先還是要檢測KSZ8081網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是否真實存在。接著檢測設(shè)備的具體硬件配置。提前向設(shè)備申請需要的硬件資源，比如申請I/O端口資源就可以使用request_region()函數(shù)來進行。4.2.3網(wǎng)卡驅(qū)動的開、關(guān)函數(shù)打開函數(shù)ksz8081_open()的需實現(xiàn)以下過程：能夠調(diào)用設(shè)備的硬件資源，為I/O注冊區(qū)域并能調(diào)用中斷等。調(diào)用函數(shù)netif_start_queue()，使設(shè)備處于激活狀態(tài)。關(guān)閉函數(shù)ksz8081_close需實現(xiàn)以下過程：調(diào)用函數(shù)netif_stop_queue()，暫停設(shè)備數(shù)據(jù)包的傳遞。釋出緩存占用的I/O區(qū)域并執(zhí)行中斷。Ubuntu內(nèi)核為我們提供了這兩個函數(shù)netif_start_queue()和netif_stop_queue()的原型：voidnetif_start_queue(structnet_device*dev);voidnetif_stop_queue(structnet_device*dev);KSZ8081網(wǎng)卡打開和釋放函數(shù)如下圖4.8所示：圖4.8打開和釋放函數(shù)圖4.9是打開函數(shù)的具體流程圖，圖4.10是關(guān)閉函數(shù)的具體流程圖。圖4.9打開函數(shù)流程圖圖4.10關(guān)閉函數(shù)流