嵌入式Linux下网卡设备驱动与网络协议栈的设计实现

摘要

如今网络已成为人们工作生活不可分割的一部分,在嵌入式系统中实现网络功能,一方面是许多设备应用的内在需求,另一方面逐渐成为嵌入式系统开发调试的标准手段。以太网从出现至今已三十多年,由于其高性能价格比和容易普及使用,已经在企业内部互联网、外部互联网以及国际互联网中得到了广泛应用。 本文在基于 Unity805+微处理器的嵌入式系统平台上提出了嵌入式系统以太网接入的硬件和软件解决方案。Unity805+微处理器是高校自主研发的32位嵌入式应用处理器,其设计面向低成本手持设备和其它通用嵌入式设备。以太网控制器选择了NE2000 10Base-T兼容的RTL8019AS芯片,在硬件方案中采用了单RTL8019AS芯片的固定跳线连接,通过Unity805+的.EMI接口来实现对RTL8019AS芯片寄存器组、DMA的访问,通过复用GPIO口来接收芯片中断。接着在分析NE2000兼容网卡功能和RTL8019AS芯片特点的基础上提出了软件解决方案,其中包括两个部分：一部分是Bootloader级别的,另一部分是嵌入式Linux系统级别的。在Bootloadcr级别的设计中选择使用了U-Boot做为模板,在分析并充分利用其原有的网络功能框架的基础上,添加RTL8019AS芯片驱动,实现了BOOTP/DHCP、TFTP等协议功能。在嵌入式Linux系统级别的设计实现中,以设备无关层和驱动层为核心分析Linux的网络协议栈实现,提取出网络帧收发的流程,阐述了内核与网络设备交互的不同方法及其对性能的影响。然后针对netif_rx和NAPI两种不同的网络接收帧接口,提出了基于该嵌入式平台的RTL8019AS以太网控制器驱动的实现方法。在最后的章节中,总结了搭建BOOTP/DHCP、NFS、FTP等应用的服务器、客户端配置,并对各网络应用进行了验证与评测。目前基于该方案设计的Unity805+手持多媒体设备开发平台的网络功能运行稳定。在180MHz的处理器主频下,U-Boot的TFTP接收速率约为210KBps,在低背景流量下netif_rx和NAPI驱动的FTP接收速率分别约为810KBps和880KBps。

目录

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英文文摘

声明

第一章绪论

1.1论文背景

1.2论文主要工作

1.3论文主要结构

第二章开发平台

2.1 Unity805+处理器概述

2.2 UniCore32核心构架

2.3硬件平台

2.4软件开发工具链

第三章网络控制器芯片与硬件连接

3.1 NE2000兼容网卡概述

3.2 NE2000兼容网卡功能描述

3.3 RTL8019AS特点

3.4硬件连接

第四章Bootloader网络功能设计与实现

4.1 U-Boot 概述

4.2 U-Boot网络功能框架

4.3 BOOTP／DHCP的实现

4.4 U-Boot中RTL8019AS网卡驱动的实现

第五章嵌入式Linux网卡设备与内核的交互

5.1 Linux与嵌入式Linux

5.2 Linux网络协议栈概述

5.3网络子系统的初始化

5.4中断与软中断

5.5设备无关层的帧收发分析

5.6接收帧模式与NAPI机制

第六章嵌入式Linux以太网卡驱动实现

6.1 netif_rx接口驱动实现

6.2 NAPI接口驱动实现

第七章功能配置与评测

7.1基于U-Boot的功能配置与验证

7.2 NFS上的根文件系统与BusyBox的应用配置

第八章总结与展望

致 谢

参考文献

在校期间发表的学术论文