1. RTL8019AS网络芯片模拟的构思和设计概述
目前网络在嵌入式系统中应用越来越广泛,通过为SkyEye增加虚拟以太网芯片设备,使SkyEye支持ethernet网络接口模拟。这样在SkyEye硬件模拟平台上运行的操作系统能够与本地Linux主机进行网络通信,当然通过ipchains/iptables等包转发机制可以进一步支持直接跟Internet通信。
鉴于目前嵌入式设备中广泛使用了NE2K 10Base-T兼容网络芯片,其中RTL8019AS又是比较有代表性的一种,购买也比较方便,我们就决定模拟它。设计方案完全基于真实的RTL8019AS(NE2000兼容,简称8019AS),但做了部份简化。简化掉的部分主要包括:
一部分状态寄存器。主要是收发数据包的状态信息,一般在嵌入式系统中用的比较少,因此暂时没有加入模拟。
16位模式DMA。对NE2K的芯片,8位DMA和16位DMA模式仅在收发数据效率上不同,但这对SkyEye来说效率并不是很重要,所以仅模拟了8位DMA模式。
CPU从网络芯片收数据包的Remote DMA Read模式。由于8019AS提供了另一种更高效的Send Command方式来收数据包,所以为简化起见,没有模拟Remote DMA Read。
目前设计虚拟以太网芯片设备对简化的原则是:把虚拟网络芯片的驱动放到真实8019AS网络芯片上去,直接能用就可以了,目前还不能保证其它系统上的NE2K驱动能直接在SkyEye上用。
2. 虚拟8019AS网络芯片原理
SkyEye本身是一个硬件开发板的模拟器。虚拟8019AS网络芯片是虚拟开发板上一个相对独立的外部设备,这个设备有自己的内部数据结构和操作函数,完成相应的功能。但虚拟8019AS网络芯片对外的接口只是几个提供给SkyEye的API函数和它所占用的系统资源,如Memory map Io和IRQ等。网络芯片驱动程序看到的只是8019AS的寄存器和它占用的系统中断号,这些寄存器地址位于SkyEye模拟的开发板中某一段IO地址空间内,而SkyEye看到的是寄存器地址和虚拟8019AS网络芯片提供给SkyEye的API函数。如果运行在虚拟开发板上的网络芯片驱动程序读写这些寄存器地址,那么SkyEye会截获这些读写操作,并把它们转换成对虚拟8019AS网络芯片API接口nic_read和nic_write函数的调用,从而操作虚拟8019AS网络芯片,并收发数据。这个过程跟真实的硬件系统的逻辑操作是一致的。
那么SkyEye跟虚拟8019AS网络芯片交换数据包的同时,8019AS是如何跟主机进行通讯的呢?这是通过Host主机的Linux上安装的tun/tap或vnet虚拟网络接口来实现的。tun/tap和vnet是Linux内核中的一个内核模块,它们模拟了一个简单的点对点网络环境,后文会有进一步的说明。虚拟8019AS网络芯片的整体结构如图 0-1所示:
[[The No.1 Picture.]]
3. 虚拟8019AS网络芯片的内存结构
SkyEye模拟的虚拟8019AS网络芯片工作在8位模式下,网络芯片含有8K字节的RAM,地址为0x4000-0x5fff(指的是网络芯片上的存储地址,而不是ISA总线的地址,是网络芯片工作用的存储器),每256个字节称为一页,共有64页。页的地址就是地址的高8位,页地址为0x00--0xff 。
首先看一下0x40-0x5f页,这8k的ram的一部分用来存放接收的数据包,一部分用来存储待发送的数据包,具体由驱动编写者自己决定。(一般发包只要能容纳一个最大的以太网包就可以了,所以定义为0x40-0x45页,即0x4000-0x45ff,约1.5k。剩下的都用来收包)。按照8019AS硬件规范手册上的规定,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,所以我们还是以手册为准。
[[The No.2 Picture.]]
再看一下第0页,也就是图 0 6中的PROM,PROM的内容是网络芯片在上电复位的时候从93C46里读出来的,其中0x00-0x0B(工作于8位DMA模式)用于存放本节点MAC地址,奇偶地址内容是重复放置的。如:MAC地址00 00 12 34 56 78存放在0x00-0x0B中为00 00 00 00 12 12 34 34 56 56 78 78,单地址和双地址的内容是重复的,一般使用偶数地址的内容,这主要是为了同时适应8位和16位的DMA。8019芯片外接一块93c46 eeprom,上电时自动从93c46里把MAC地址读入到PROM中,所以为虚拟网络芯片写驱动,只要在init函数中读PROM中的MAC地址,并写入工作寄存器PAR0-PAR5就可以了。网络芯片工作时的地址判断依据就是这几个寄存器,与PROM及93c46无关。PROM的其它地址不能使用。值得一提的是,虽然一般来说mac地址随便取一个就可以了,但要注意其最高字节不能是奇数,否则就是一个multicast mac地址,以后的应用中会有问题。
根据以上的分析,虚拟8019AS网络芯片要模拟的网络芯片内部RAM共两块:
0x0000-0x000B,12字节,页号为0x00。存放MAC地址
0x4000-0x5FFF,8192字节,页号为0x40-0x60(只用到0x5f,0x60为结束边界),用于存放收发的数据包缓冲,具体收发多少由驱动程序初始化决定。
以上两块内存都是网络芯片的内部数据,不在系统的地址空间内,实际上SkyEye模拟的CPU是看不到这两块内存的,只能通过读写寄存器间接访问。
4. 虚拟8019AS网络芯片的寄存器结构
在RTL8019AS或其它NE2k兼容的网络芯片中,软件对网络芯片内存的读写是通过一个数据寄存器(地址偏移0x10)进行的,方式是DMA,DMA的长度、起始地址等由控制寄存器决定。而DMA又分为Remote DMA和Local DMA,首先解释一下这两种DMA:
Local DMA
以太网网络芯片 RAM Remote DMA
网络芯片 RAMhost主机
Local DMA是网络芯片自动收发数据到/从网络芯片的RAM,而Remote DMA是CPU主动从网络芯片的RAM读写数据到/从CPU的RAM。具体的读写其实可以分为三种:
CPU读/写数据到网络芯片
控制方式是设置如下控制寄存器,它们分别为:
RBCR0,RBCR1:存放要读写数据的长度
RSAR0,RSAR1:存放数据在网络芯片RAM中存放的起始地址(而不是页号,但通常还是以某页的00为起始,如0x4000)
CR:向命令寄存器发出Remote DMA开始指令
然后就可以通过数据寄存器去读写数据了,宽度为8位。
网络芯片发数据到以太网
CPU把数据用Remote DMA 发到网络芯片后,就可以让网络芯片用Local DMA向外发数据了。
需要设置如下的控制寄存器,它们分别为:
TPSR :网络芯片要发送的数据在网络芯片RAM中的起始页号。所以发送的数据只能从某页的开头存放。
TBCR0,TBCR1:要发送的数据总长度
CR:向命令寄存器发出发送数据包的指令CMD_XMIT。
然后程序就可以返回了,网络芯片会自动用Local DMA发送数据包。
网络芯片从以太网读数据
网络芯片在从以太网读取数据过程中,会用到的寄存器如下:
PSTART,PSTOP:网络芯片接收数据缓冲区的起始和终止页号。形成一个接收缓冲环。每页256字节
CURR:接收缓冲环写页指针,初始化=PSTART
BNRY:接收缓冲环读页指针,初始化=PSTART
这四个寄存器在init函数里初始化,以后有数据包到来时,网络芯片自动判断是否发给本机,是则用Local DMA存入数据,并自动修改读写指针。
[[The No.3 Picture.]]
8019AS的寄存器地址为0x00-0x1f,有page 0-3共4页,每页都以0x00-0x0f访问,但实际访问的是不同的寄存器。page 3里的寄存器属于8019专用,不是NE2K标准,并且不常用,所以不模拟了。我们的寄存器共3页,页号为0-2。此外还有两个寄存器,不属于任何页:
0x10为DMA读写地址,CPU和网络芯片交换数据通过此地址
0x1F为Reset地址,向该地址写或读任何数都引起网络芯片复位,一般在初始化时将网络芯片复位一次,注意复位后要等待几十ms再进行下一步操作。
[[The No.4 Picture.]]
下面分别叙述虚拟8019AS网络芯片所模拟的各页中寄存器,如表 0 1所示。每个寄存器的各个bit位的具体含义可参考8019AS硬件规范手册,下面写出各寄存器的页内偏移地址,以及编写驱动时读写的常用值表示什么意思,有助于理解。每个寄存器的各种写入值可以以"或"的关系运算后写入,R表示只读,W表示只写,R/W表示可以读也可以写:
PAGE 0
CR控制命令寄存器:0x00,R/W。CR中各个bit位的含意如下:
CMD_STOP 0x01 网络芯片停止收发数据
CMD_RUN 0x02 网络芯片执行命令并开始收发数据包(命令为下面四种)
CMD_XMIT 0x04 Local DMA SEND(网络芯片??以太网 )
CMD_READ 0x08 Remote DMA READ,用于手动接收数据(网络芯片?CPU)
CMD_WRITE 0x10 Remote DMA WRITE (网络芯片
CMD_SEND 0x18 Send命令, 用于自动接收数据包(网络芯片??CPU)
CMD_NODMA 0x20 停止DMA操作
CMD_PAGE0 0x00 选择第0页(要先选页,再读写该页寄存器)
CMD_PAGE1 0x40 选择第1页
CMD_PAGE2 0x80 选择第2页
PSTART:0x01,W,接收缓冲环起始页
RECV_START 0x4600 接收缓冲起始地址(写入时要右移8位得到页号)
PSTOP:0x02,W,接收缓冲环终止页(不包括此页)
RECV_STOP 0x6000 接收缓冲结束地址(写入时要右移8位得到页号)
BNRY,0x03,R/W,接收缓冲环读指针
硬件初始化时,PSTART =CURR,以后用CMD_SEND 命令自动收数据包,网络芯片会自动调整这个寄存器的值。若接收出错,会重新调整成CURR的值。
TPSR,0x04,W,Local DMA发送缓冲起始页寄存器。
XMIT_START 0x4000 发送缓冲起始地址(写入时要右移8位得到页号)
TBCR0,0x05,W,Local DMA发送长度低位。
TBCR1,0x06,W,Local