嵌入式Linux系统下家庭网络设备驱动程序的分析设计

摘要

伴随网络技术的发展,网络生活步入家庭,形成了一个具有丰富内容的自动化的家庭网络系统。以太网络具有技术比较成熟、成本低、兼容性好、带宽可扩展性好、适合高度密集型区域等特点,是家庭网络中比较理想的内部网络互联技术。而作为适用于家庭网络的嵌入式网络接口设备,不仅要能提供传统的IP分组信息通讯,优化数据吞吐量并保证数据通讯的可靠性,而且要能为当前飞速发展的多媒体应用提供包括语音、图形、图像、视频、动画等综合服务。这些分布式多媒体应用具有很高的带宽要求和低延迟、低抖动的特性,作为网络接口设备的驱动程序,应能对这些不同的传输要求区别对待。针对上述家庭网络环境的需求,日本某知名跨国电器公司提出了一种新型家庭生活终端的战略。该战略的思想是以嵌入式家庭生活终端为核心,以高速以太网络为家庭网络总线的骨干,结合多种网络通信方式,满足人们在家庭生活中的各种需要。因此日本总公司联合位于美国硅谷的下属半导体子公司,共同与中国科学院软件研究所进行该家庭生活终端产品的研发工作。本文中所描述的ETH100以太网卡在该产品战略中,占据了很重要的地位。该研发项目已于2004年3月顺利结束,开发成果已经获得对方的认可。在2003年9月该公司推出第一代家庭生活终端以后,作为对第一代产品网络接口部件的替代,集成了ETH100网卡的SoC目前已经生产,基于它的第二代家庭生活终端将会更适合于多媒体网络环境的特性。
　　本文则主要描述了作者完成的以下三个方面的工作:1) 完整的网络设备驱动程序的建立本文研究了家庭网络设备的驱动程序,具体地实现了驱动的各种基本功能。重点是对高速DMA传输功能的设计实现,并在实际的工作中发现硬件开发平台的问题并由设备驱动程序对其进行了弥补。2) 组播模式下硬件过滤概率公式的推导ETH100采用的国际流行的FPGA硬件验证开发平台。所以开发设计的一个重要工作就是从软件和应用的层次,通过软件建模及应用模拟的方法,对硬件设计进行验证。并进而从软件和应用的角度,对硬件设计提出更好的改进方案。
　　本文在实现了驱动程序对组播模式提供支持的基础上,通过对硬件过滤过程中的硬件寄存器数量与内核哈希表地址数量之间的映射关系进行了分析,运用数学的方法推导出了在硬件过滤模式下的概率公式。该公式被应用于本课题的开发项目中,对ETH100硬件的设计改进提供了可依据的理论支持,很好地完成了对硬件设计进行验证的目的。嵌入式Unux系统下家庭网络型网络设备驱动程序的分析设计QoS策略控制在驱动层次的实现QoS策略用于对那些有高带宽、低延迟、低抖动特性的多媒体信息流 提供可靠的传输保证。
　　本文在介绍了QoS相关内容的基础上,重点对QoS策略中的随机早期检测队列(RED)策略进行了分析,并以RED为例在驱动层次对QoS策略的实现进行了详细的描述。

目录

摘要

Abstract

插图索引

第1章 绪论

1． 1 嵌入式Linux系统

1． 1． 1 嵌入式系统的概念

1． 1． 2 Linux系统介绍

1． 1． 3 嵌入式Linux系统

1． 1． 4 主流的嵌入式Linux系统

1． 2 嵌入式Linux应用-智能家庭网络

1． 2． 1 家庭网络(Home Network／Networks for Home)

1． 2． 2 我国智能家庭网络系统的开发现状

1． 2． 3 家庭网络的以太网接入技术

1． 3 国内产品现状及课题的选择

1． 4 主要工作和论文的结构

1． 5 小结

第2章 设备驱动程序的设计实现

2． 1 发目标相关背景介绍

2． 1． 1 开发环境拓扑图

2． 1． 2 硬件平台的介绍

2． 1． 3 以太网卡的硬件

2． 2 驱动程序的初始构建

2． 2． 1 驱动的相关数据结构

2． 2． 2 驱动的设备操作方法

2． 2． 3 定义ETH100的主体API

2． 3 ETH100驱动的具体实现

2． 3． 1 驱动整体框架的定义

2． 3． 2 设备的初始化流程

2． 3． 3 设备的打开流程

2． 3． 4 设备的关闭流程

2． 3． 5 中断处理流程

2． 3． 6 收发包流程的DMA模式设计

2． 3． 7 对驱动性能的测试

2． 3． 8 两个硬件问题及解决的方法

2． 4 小结

第3章 对实现驱动策略控制的分析

3． 1 组播模式的策略控制

3． 1． 1 实现组播模式的意义

3． 1． 2 IP组播概述

3． 1． 3 驱动程序中的组播设计

3． 1． 4 硬件过滤的寄存器设计

3． 2 QoS策略控制

3． 2． 1 QoS概述

3． 2． 2 区分服务体系DiffServ

3． 2． 3 队列管理策略-随机早期检测(RED)

3． 2． 4 驱动层次的支持实现

3． 2． 5 小结

总结

参考文献

致谢

附录A (攻读学位期间所发表的学术论文)