SkyEye硬件模擬平臺，硬件仿真實(shí)現(xiàn)之三

2019-11-04 12:29:18

字體：大中小

供稿：網(wǎng)友

　　1. RTL8019AS網(wǎng)絡(luò)芯片模擬的構(gòu)思和設(shè)計(jì)概述
　　目前網(wǎng)絡(luò)在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用越來越廣泛，通過為SkyEye增加虛擬以太網(wǎng)芯片設(shè)備，使SkyEye支持ethernet網(wǎng)絡(luò)接口模擬。這樣在SkyEye硬件模擬平臺上運(yùn)行的操作系統(tǒng)能夠與本地linux主機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，當(dāng)然通過ipchains/iptables等包轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制可以進(jìn)一步支持直接跟Internet通信。
　　
　　鑒于目前嵌入式設(shè)備中廣泛使用了NE2K 10Base-T兼容網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)方案完全基于真實(shí)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(tài)寄存器。主要是收發(fā)數(shù)據(jù)包的狀態(tài)信息，一般在嵌入式系統(tǒng)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(fā)數(shù)據(jù)效率上不同，但這對SkyEye來說效率并不是很重要，所以僅模擬了8位DMA模式。
　　CPU從網(wǎng)絡(luò)芯片收數(shù)據(jù)包的Remote DMA Read模式。由于8019AS提供了另一種更高效的Send Command方式來收數(shù)據(jù)包，所以為簡化起見，沒有模擬Remote DMA Read。
　　目前設(shè)計(jì)虛擬以太網(wǎng)芯片設(shè)備對簡化的原則是：把虛擬網(wǎng)絡(luò)芯片的驅(qū)動放到真實(shí)8019AS網(wǎng)絡(luò)芯片上去，直接能用就可以了，目前還不能保證其它系統(tǒng)上的NE2K驅(qū)動能直接在SkyEye上用。
　　
　　2. 虛擬8019AS網(wǎng)絡(luò)芯片原理
　　SkyEye本身是一個硬件開發(fā)板的模擬器。虛擬8019AS網(wǎng)絡(luò)芯片是虛擬開發(fā)板上一個相對獨(dú)立的外部設(shè)備，這個設(shè)備有自己的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和操作函數(shù)，完成相應(yīng)的功能。但虛擬8019AS網(wǎng)絡(luò)芯片對外的接口只是幾個提供給SkyEye的API函數(shù)和它所占用的系統(tǒng)資源，如Memory map Io和IRQ等。網(wǎng)絡(luò)芯片驅(qū)動程序看到的只是8019AS的寄存器和它占用的系統(tǒng)中斷號，這些寄存器地址位于SkyEye模擬的開發(fā)板中某一段IO地址空間內(nèi)，而SkyEye看到的是寄存器地址和虛擬8019AS網(wǎng)絡(luò)芯片提供給SkyEye的API函數(shù)。假如運(yùn)行在虛擬開發(fā)板上的網(wǎng)絡(luò)芯片驅(qū)動程序讀寫這些寄存器地址，那么SkyEye會截獲這些讀寫操作，并把它們轉(zhuǎn)換成對虛擬8019AS網(wǎng)絡(luò)芯片API接口nic_read和nic_write函數(shù)的調(diào)用，從而操作虛擬8019AS網(wǎng)絡(luò)芯片，并收發(fā)數(shù)據(jù)。這個過程跟真實(shí)的硬件系統(tǒng)的邏輯操作是一致的。
　　
　　那么SkyEye跟虛擬8019AS網(wǎng)絡(luò)芯片交換數(shù)據(jù)包的同時，8019AS是如何跟主機(jī)進(jìn)行通訊的呢？這是通過Host主機(jī)的Linux上安裝的tun/tap或vnet虛擬網(wǎng)絡(luò)接口來實(shí)現(xiàn)的。tun/tap和vnet是Linux內(nèi)核中的一個內(nèi)核模塊，它們模擬了一個簡單的點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，后文會有進(jìn)一步的說明。虛擬8019AS網(wǎng)絡(luò)芯片的整體結(jié)構(gòu)如圖 0-1所示：
　　
　　[[The No.1 Picture.]]
　　3. 虛擬8019AS網(wǎng)絡(luò)芯片的內(nèi)存結(jié)構(gòu)
　　SkyEye模擬的虛擬8019AS網(wǎng)絡(luò)芯片工作在8位模式下，網(wǎng)絡(luò)芯片含有8K字節(jié)的RAM，地址為0x4000-0x5fff（指的是網(wǎng)絡(luò)芯片上的存儲地址，而不是ISA總線的地址，是網(wǎng)絡(luò)芯片工作用的存儲器），每256個字節(jié)稱為一頁，共有64頁。頁的地址就是地址的高8位，頁地址為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(shù)據(jù)包，一部分用來存儲待發(fā)送的數(shù)據(jù)包，具體由驅(qū)動編寫者自己決定。（一般發(fā)包只要能容納一個最大的以太網(wǎng)包就可以了，所以定義為0x40－0x45頁，即0x4000－0x45ff，約1.5k。剩下的都用來收包）。按照8019AS硬件規(guī)范手冊上的規(guī)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為準(zhǔn)。
　　
　　[[The No.2 Picture.]]
　　再看一下第0頁，也就是圖 0 6中的PROM，PROM的內(nèi)容是網(wǎng)絡(luò)芯片在上電復(fù)位的時候從93C46里讀出來的，其中0x00-0x0B(工作于8位DMA模式)用于存放本節(jié)點(diǎn)MAC地址，奇偶地址內(nèi)容是重復(fù)放置的。如：MAC地址00 00 12 34 56 78存放在0x00-0x0B中為00 00 00 00 12 12 34 34 56 56 78 78，單地址和雙地址的內(nèi)容是重復(fù)的，一般使用偶數(shù)地址的內(nèi)容，這主要是為了同時適應(yīng)8位和16位的DMA。8019芯片外接一塊93c46 eeprom，上電時自動從93c46里把MAC地址讀入到PROM中，所以為虛擬網(wǎng)絡(luò)芯片寫驅(qū)動，只要在init函數(shù)中讀PROM中的MAC地址，并寫入工作寄存器PAR0－PAR5就可以了。網(wǎng)絡(luò)芯片工作時的地址判定依據(jù)就是這幾個寄存器，與PROM及93c46無關(guān)。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，但要注重其最高字節(jié)不能是奇數(shù)，否則就是一個multicast mac地址，以后的應(yīng)用中會有問題。
　　
　　根據(jù)以上的分析，虛擬8019AS網(wǎng)絡(luò)芯片要模擬的網(wǎng)絡(luò)芯片內(nèi)部RAM共兩塊：
　　
　　0x0000－0x000B，12字節(jié)，頁號為0x00。存放MAC地址
　　
　　0x4000－0x5FFF，8192字節(jié)，頁號為0x40－0x60（只用到0x5f，0x60為結(jié)束邊界），用于存放收發(fā)的數(shù)據(jù)包緩沖，具體收發(fā)多少由驅(qū)動程序初始化決定。
　　
　　以上兩塊內(nèi)存都是網(wǎng)絡(luò)芯片的內(nèi)部數(shù)據(jù)，不在系統(tǒng)的地址空間內(nèi)，實(shí)際上SkyEye模擬的CPU是看不到這兩塊內(nèi)存的，只能通過讀寫寄存器間接訪問。
　　
　　4. 虛擬8019AS網(wǎng)絡(luò)芯片的寄存器結(jié)構(gòu)
　　在RTL8019AS或其它NE2k兼容的網(wǎng)絡(luò)芯片中，軟件對網(wǎng)絡(luò)芯片內(nèi)存的讀寫是通過一個數(shù)據(jù)寄存器（地址偏移0x10）進(jìn)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又分為Remote DMA和Local DMA，首先解釋一下這兩種DMA：
　　
　　Local DMA
　　以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)芯片 RAM Remote DMA
　　網(wǎng)絡(luò)芯片 RAMhost主機(jī)
　　
　　Local DMA是網(wǎng)絡(luò)芯片自動收發(fā)數(shù)據(jù)到/從網(wǎng)絡(luò)芯片的RAM，而Remote DMA是CPU主動從網(wǎng)絡(luò)芯片的RAM讀寫數(shù)據(jù)到/從CPU的RAM。具體的讀寫其實(shí)可以分為三種：
　　
　　CPU讀/寫數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)芯片
　　控制方式是設(shè)置如下控制寄存器，它們分別為：
　　RBCR0,RBCR1：存放要讀寫數(shù)據(jù)的長度
　　RSAR0，RSAR1：存放數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)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為起始，如0x4000）
　　CR：向命令寄存器發(fā)出Remote DMA開始指令
　　
　　然后就可以通過數(shù)據(jù)寄存器去讀寫數(shù)據(jù)了，寬度為8位。
　　網(wǎng)絡(luò)芯片發(fā)數(shù)據(jù)到以太網(wǎng)
　　CPU把數(shù)據(jù)用Remote DMA 發(fā)到網(wǎng)絡(luò)芯片后，就可以讓網(wǎng)絡(luò)芯片用Local DMA向外發(fā)數(shù)據(jù)了。
　　需要設(shè)置如下的控制寄存器，它們分別為：
　　
　　TPSR ：網(wǎng)絡(luò)芯片要發(fā)送的數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)芯片RAM中的起始頁號。所以發(fā)送的數(shù)據(jù)只能從某頁的開頭存放。
　　TBCR0，TBCR1：要發(fā)送的數(shù)據(jù)總長度
　　CR：向命令寄存器發(fā)出發(fā)送數(shù)據(jù)包的指令CMD_XMIT。
　　
　　然后程序就可以返回了，網(wǎng)絡(luò)芯片會自動用Local DMA發(fā)送數(shù)據(jù)包。
　　網(wǎng)絡(luò)芯片從以太網(wǎng)讀數(shù)據(jù)
　　網(wǎng)絡(luò)芯片在從以太網(wǎng)讀取數(shù)據(jù)過程中，會用到的寄存器如下：
　　
　　PSTART，PSTOP：網(wǎng)絡(luò)芯片接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的起始和終止頁號。形成一個接收緩沖環(huán)。每頁256字節(jié)
　　CURR：接收緩沖環(huán)寫頁指針，初始化＝PSTART
　　BNRY：接收緩沖環(huán)讀頁指針，初始化＝PSTART
　　這四個寄存器在init函數(shù)里初始化，以后有數(shù)據(jù)包到來時，網(wǎng)絡(luò)芯片自動判定是否發(fā)給本機(jī)，是則用Local DMA存入數(shù)據(jù)，并自動修改讀寫指針。
　　
　　[[The No.3 Picture.]]
　　8019AS的寄存器地址為0x00－0x1f，有page 0－3共4頁，每頁都以0x00－0x0f訪問，但實(shí)際訪問的是不同的寄存器。page 3里的寄存器屬于8019專用，不是NE2K標(biāo)準(zhǔn)，并且不常用，所以不模擬了。我們的寄存器共3頁，頁號為0－2。此外還有兩個寄存器，不屬于任何頁：
　　
　　0x10為DMA讀寫地址，CPU和網(wǎng)絡(luò)芯片交換數(shù)據(jù)通過此地址
　　0x1F為Reset地址，向該地址寫或讀任何數(shù)都引起網(wǎng)絡(luò)芯片復(fù)位，一般在初始化時將網(wǎng)絡(luò)芯片復(fù)位一次，注重復(fù)位后要等待幾十ms再進(jìn)行下一步操作。
　　
　　[[The No.4 Picture.]]
　　下面分別敘述虛擬8019AS網(wǎng)絡(luò)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(guī)范手冊，下面寫出各寄存器的頁內(nèi)偏移地址，以及編寫驅(qū)動時讀寫的常用值表示什么意思，有助于理解。每個寄存器的各種寫入值可以以"或"的關(guān)系運(yùn)算后寫入，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(wǎng)絡(luò)芯片停止收發(fā)數(shù)據(jù)
　　CMD_RUN 0x02 網(wǎng)絡(luò)芯片執(zhí)行命令并開始收發(fā)數(shù)據(jù)包（命令為下面四種）
　　CMD_XMIT 0x04 Local DMA SEND（網(wǎng)絡(luò)芯片??>以太網(wǎng) ）
　　CMD_READ 0x08 Remote DMA READ，用于手動接收數(shù)據(jù)（網(wǎng)絡(luò)芯片?>CPU）
　　CMD_WRITE 0x10 Remote DMA WRITE （網(wǎng)絡(luò)芯片　　CMD_SEND 0x18 Send命令，用于自動接收數(shù)據(jù)包（網(wǎng)絡(luò)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，接收緩沖環(huán)起始頁
　　RECV_START 0x4600 接收緩沖起始地址（寫入時要右移8位得到頁號）
　　PSTOP：0x02，W，接收緩沖環(huán)終止頁（不包括此頁）
　　RECV_STOP 0x6000 接收緩沖結(jié)束地址（寫入時要右移8位得到頁號）
　　BNRY，0x03，R/W，接收緩沖環(huán)讀指針
　　硬件初始化時，PSTART ＝CURR，以后用CMD_SEND 命令自動收數(shù)據(jù)包，網(wǎng)絡(luò)芯片會自動調(diào)整這個寄存器的值。若接收出錯，會重新調(diào)整成CURR的值。
　　TPSR，0x04，W，Local DMA發(fā)送緩沖起始頁寄存器。
　　XMIT_START 0x4000 發(fā)送緩沖起始地址（寫入時要右移8位得到頁號）
　　TBCR0，0x05，W，Local DMA發(fā)送長度低位。
　　TBCR1，0x06，W，Local

上一篇：adodb+smarty+myClass結(jié)合數(shù)據(jù)類的智能操作

下一篇：ApacheServer的httpd.conf文件注釋及配置指導(dǎo)