Open Ethernet IP core 介绍

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除了这个帖子，还有一个网页有图介绍：https://blog.csdn.net/HengZo/article/details/49893487

Open Ethernet IP core 是一种支持 10M/100Mbps 以太网的 MAC IP core，实现数据链路层的功能，其最大的特点便是公开免费，它不同于常见的 ASIC 网卡芯片，能够很方便的集成到片上系统(SOC)设计中去。

　　基本结构

　　MAC, 即 Media Access control, 位于 OSI 七层模型中数据链路部分，主要负责控制与物理层的物理介质通信。Ethernet IP core自身实现MAC收发和控制的功能，本身不具有物理层(PHY)的功能。MAC core 对外接口有两个：和 Host 端采用 Wishbone 总线通信，对外 PHY 芯片采用通用的 MII 接口。

　　MAC 包含接收，发送和控制模块;

　　支持 MII 管理 (Media Independent Interface Management)，MII 串行信号连接至外部PHY;

　　主机接口采用开放的 Wishbone 总线。

　　Wishbone 是一种片上(SOC)总线,常见的片上总线有 ARM 的 AMBA, Altera 公司的 Avalon，以及 Silicon公司的 Wishbone。以上三种总线只有 Wishbone是开放并且完全免费的总线标准。 Wishbone 由 Silicon 开发并目前由 Opencores 组织维护。

　　MII 实际上可分为两部分，分别是数据流和管理流。MIIM(MII Management) 是用于对外围 PHY 芯片的管理所用的，通过 MIIM 串行接口可以查看 PHY 寄存器状态等信息。

　　图 1. Ethernet MAC core overview

　　主要特性

　　Open Ethernet core 处于 Host(CPU) 和外围 PHY 芯片之间，实现了 MAC 层的所有功能，并且采用开放的 wishbone 总线接口，源码公开便于移植，广泛应用于 FPGA SOC(System On Chip) 设计中，Flextronics Semiconductor 公司在设计中就选用了该IP core。该 IP core 的主要特性如下:

　　实现 IEEE 802.3 以太网 MAC 功能

　　10M/100Mbps 速率;

　　全双工支持；

　　IEEE 802.3 MII;

　　Wishbone SOC总线接口;

　　内部RAM可存放128 TX/RX BD(Buffer Descriptors);

　　事件触发中断。

　　MAC registers

　　MAC register用于MAC操作，提供MAC core控制和状态信息。ucLinux设备驱动需要对这些寄存器进行配置。有关MAC register的操作在后面章节会有描述，在此不再赘述。

　　Open Ethernet Core在ucLinux-2.6上的设备驱动

　　目前 ucLinux-2.6已经支持 Open Ethernet MAC，在 make menuconfig 配置菜单中选中

　　Device driver->Network device support->Ethernet (10 or 100Mbit)->Opencores (Igor) Emac support

　　这样 Open Ethernet 的设备驱动将会被编译进 ucLinux 内核,负责 MAC 物理网络设备的支持。

　　图 2. Open Ethernet device driver in ucLinux-2.6

　　参见 linux/drivers/net/open_eth.c

　　重要的数据结构

　　参考 linux-2.6/include/linux/netdevice.h

　　a) struct net_device；

　　在 Linux 系统中每一个网络设备接口都对应着一个 net_device 的数据结构体, net_device 记录了网络接口的所有信息，其成员可以分为四类:

　　全局信息：接口名字，状态以及初始化函数;

　　硬件信息：占用内存起始地址，IO 基地址和中断号以及 DMA 使用等;

　　接口信息：MAC接口本身的信息，比如发送队列长度，MAC地址，和接口标志(UP/BROADCAST/PROMISC) 等;

　　设备方法：open(), stop(), hard_start_xmit(), tx_timeout(), get_stats(), set_config() 等。

　　ucLinux 网络设备驱动初始化函数的部分工作便是填充上述结构成员。

　　b) struct oeth_private是 ucLinux open Ethernet 驱动层用于记录网络数据包的环型缓冲区而建立的数据结构，sk_buff 是用于和上层 TCP/IP 协议处理层交互的，而 oeth_bd 是用于和MAC 硬件层交互的。

struct oeth_private {
　　struct sk_buff　*rx_skbuff[OETH_RXBD_NUM];
　　struct sk_buff　*tx_skbuff[OETH_TXBD_NUM];
　　ushort　tx_next;　 /* Next buffer to be sent */
　　ushort　tx_last;　 /* Next buffer to be checked if packet sent */
　　ushort　tx_full;　 /* Buffer ring full indicator */
　　ushort rx_cur; /* Next buffer to be checked if packet received */
　　volatile oeth_regs　*regs; /* Address of controller registers. */
　　volatile oeth_bd　　*rx_bd_base;/* Address of Rx BDs. */
　　volatile oeth_bd　　*tx_bd_base;/* Address of Tx BDs. */
　　struct net_device_stats stats;
　　struct tasklet_struct　　 oeth_rx_tasklet;
　　struct tasklet_struct　　 oeth_tx_tasklet;
　　struct mii_if_info mii;
　　spinlock_t　lock;
};

　　c) Buffer Descriptor (BD) 结构是是用于 MAC 控制和数据传递的核心数据结构。每个 BD描述 MAC 层收发的数据包，包括 len_status 和 addr 成员，len_status 描述每个数据包的长度和状态信息；addr 表示数据包存放的 RAM 地址，便于设备驱动的访问。MAC core支持最多128个 BD，每 BD 占用64bit。

struct _oeth_bd {
　　　　uint　　len_status;
　　　　uint　　addr;　　　　　 /* Buffer address */
} oeth_bd;

　　下面两个表格分别描述了 len_status 和 addr 的位域信息

31	30	29	28	27	26	25	24	23	22	21	20	19	18	17	16
Packet length
15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
RD	IRQ	WR	PAD	CRC	Reserved	UR	RTRY[3:0]	RL	LC	DF	CS

　　Fig.3 len_status in struct _oeth_bd

31	30	29	28	27	26	25	24	23	22	21	20	19	18	17	16
Buffer address[31:16]
15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
Buffer address[15:0]

　　Fig.4 addr in struct _oeth_bd

　　oeth_private 包含了数据收发 oeth_bd 单向队列，打开设备时驱动必须给每个 oeth_bd addr 分配 RAM 空间， MAC 层接收到数据包会将数据自动放到 BD addr 指向的内存空间，并设置相应 len_status 状态信息，然后(在中断使能的情况下)产生中断；Linux 需要发送数据时，open Ethernet 接口驱动将从上层 TCP/IP 协议驱动层的 skbuff 数据包转移到发送缓冲 BD 的内存地址空间(BD address), 并设置好 len_status 的长度，这样便会触发 MAC 将数据包适当处理后发送出去，并在发送完成后(在中断使能的情况下)产生中断。

　　open ethernet 设备初始化(Device initialization)

struct net_device * __init oeth_init(int unit)；

　　oeth_init() 是 open Ethernet 设备驱动的入口，它只会在 Linux 初始化时调用一次，之后其占用的空间会被释放掉。oeth_init() 会调用 oeth_probe() 函数分配 IO 空间(通过 iomap())对 MAC 控制器的相关配置寄存器进行设置，比如工作模式，以太帧最大最小长度，TX/RX BD pointer，设置 MAC 地址，清除状态标志以及中断使能等；然后会调用 register_netdev() 向 Linux 内核注册该网络设备。

　　这里主要介绍一下 open Ethernet MAC core 几个重要的寄存器，这几个寄存器的配置正确与否直接决定着该网络设备的工作稳定性。

typedef struct _oeth_regs {
　　　　uint　　moder;　　　　　/* Mode Register */
　　　　uint　　int_src;　　　　/* Interrupt Source Register */
　　　　uint　　int_mask;　　　 /* Interrupt Mask Register */
　　　　uint　　ipgt;　　　　　 /* Back to Bak Inter Packet Gap Register */
　　　　uint　　ipgr1;　　　　　/* Non Back to Back Inter Packet Gap Register 1 */
　　　　uint　　ipgr2;　　　　　/* Non Back to Back Inter Packet Gap Register 2 */
　　　　uint　　packet_len;　　 /* Packet Length Register (min. and max.) */
　　　　uint　　collconf;　　　 /* Collision and Retry Configuration Register */
　　　　uint　　tx_bd_num;　　　/* Transmit Buffer Descriptor Number Register */
　　　　uint　　ctrlmoder;　　　/* Control Module Mode Register */
　　　　uint　　miimoder;　　　 /* MII Mode Register */
　　　　uint　　miicommand;　　 /* MII Command Register */
　　　　uint　　miiaddress;　　 /* MII Address Register */
　　　　uint　　miitx_data;　　 /* MII Transmit Data Register */
　　　　uint　　miirx_data;　　 /* MII Receive Data Register */
　　　　uint　　miistatus;　　　/* MII Status Register */
　　　　uint　　mac_addr0;　　　/* MAC Individual Address Register 0 */
　　　　uint　　mac_addr1;　　　/* MAC Individual Address Register 1 */
　　　　uint　　hash_addr0;　　 /* Hash Register 0 */
　　　　uint　　hash_addr1;　　 /* Hash Register 1 */　　　　　　　　　　　　　
} oeth_regs;

　　参考 ucLinux 代码 Linux-2.6/drivers/net/open_eth.c 中 oeth_probe() 函数有对上述寄存器具体设置。

　　这里值得一提的是以 mii* 命名开头的寄存器相关设置。MII Management (MIIM) 用于PHY 寄存器控制和相关状态信息的访问，比如 Link status。与此相应，PHY 便提供了一些寄存器便于这样的操作。MIIM 物理接口包括一根双向数据线 MDIO(Management Data Input/Output) 和一根时钟线 MDC(Management Data Clock)，MIIM 操作的命令和数据便通过这串行接口在 MAC 和 PHY 传递。如果使能了 OETH_SYSFS_MDIO_ACCESS，则在 Linux 用户可通过 sysfs 文件系统实现从 userspace 访问 MIIM 管理数据的访问。

　　open ethernet 设备方法(Device methods)

　　网络设备的设备方法可以分为两种，基本方法和可选方法。以下代码是初始化函数调用 oeth_probe() 对 net_device * net 结构体成员的填充。

　　dev->open = oeth_open;
　　dev->hard_start_xmit = oeth_start_xmit;
　　dev->stop = oeth_close;
　　dev->get_stats = oeth_get_stats;
　　dev->set_multicast_list = oeth_set_multicast_list;
　　dev->set_mac_address = oeth_set_mac_add;
　　bmcr_val = eth_mdread(dev, PHY_ADDRESS, MII_BMCR);
　　dev->do_ioctl = mii_ioctl;
　　cep->mii.dev = dev;
　　cep->mii.mdio_read = eth_mdread;
　　cep->mii.mdio_write = eth_mdwrite;

　　oeth_open() 打开该网络接口。用户命令 ifconfig 激活该网络接口时，该接口函数会被调用。Oeth_open() 向系统注册内存使用空间，申请中断号注册中断处理函数等。中断号宏 MACIRQ_NUM 和寄存器基地址 ETH_BASE_ADD 根据实际的硬件设计相应的设置。

　　/*Install eth interrupt handler*/
request_irq(MACIRQ_NUM, oeth_interrupt, 0, "eth", (void *)dev);
　　/*Enable receiver and transmitter */
　　regs->moder |= OETH_MODER_RXEN | OETH_MODER_TXEN;
　　/*set tasklet for receiver and transmitter*/
tasklet_init(&cep->oeth_rx_tasklet, oeth_rx, (unsigned long)dev);
　　tasklet_init(&cep->oeth_tx_tasklet, oeth_tx, (unsigned long)dev);

　　通常对于10/100M 的网卡设备，驱动会采用中断方式（对于更高速(10Gb) 的网卡，采用通常意义的中断方式效率较低）。中断处理函数 (ISR) oeth_interrupt 必须精短，只需要做最少的事情，而具体的数据包处理由 taskelet 去完成。在这里， oeth_interrupt 的任务就是根据中断事件标志调度数据收发相应的 tasklet，如下：

/* Handle receive event in its own function.*/
　　if (int_events & (OETH_INT_RXF | OETH_INT_RXE | OETH_INT_BUSY))
　　　　tasklet_schedule(&cep->oeth_rx_tasklet);　　　
　　/* Handle transmit event in its own function. */
　　if (int_events & (OETH_INT_TXB | OETH_INT_TXE))
　　　　tasklet_schedule(&cep->oeth_tx_tasklet);

　　图 3. oeth interrupt service routine

　　oeth_start_xmit() 是由设备驱动发起数据包的传送。

　　图 4. oeth_start_xmit()

　　oeth_get_stats() 返回网络接口的统计状态，譬如接收和发送字节数，以及错误丢包等信息。用户用“ifconfig” 命令可以查看到这些统计信息。

　　此外，还提供了 MIIM 相关的设备方法用于对 PHY 的访问控制。

cep->mii.mdio_read = eth_mdread;//读PHY寄存器
　　cep->mii.mdio_write = eth_mdwrite;//写PHY寄存器
　　cep->mii.phy_id_mask = 0x1f;
　　cep->mii.reg_num_mask = 0x1f;
　　cep->mii.phy_id = PHY_ADDRESS;

　　ucLinux 也提供了通用的 MII 访问方法用于访问修改 PHY 收发器的工作模式，参见 unLinux 源代码<linux/mii.h>

　　结束语

　　在嵌入式领域通常需要涉及到软硬件接口的问题，open ethernet MAC core 是一个开放公开的结构，不光是软件可以开源，硬件设计也可以开放，开源，这种硬件的公开性为软件开放提供更多便利性，可以为软件需要定制特定硬件，譬如 TOE(TCP/IP Offload Engine) 技术将传统的 TCP/IP 协议从软件处理搬移到网卡 (NIC) 硬件完成，这种软硬件的开放性必然促进IT技术，尤其是嵌入式系统的创新。

来源：oschina

链接：https://my.oschina.net/u/2963604/blog/3143484

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