SkyEye硬件模拟平台，硬件仿真实现之三

2019-11-04 12:29:18

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供稿：网友

　　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。假如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定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，但要注重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，网络芯片自动判定是否发给本机，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，注重复位后要等待几十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

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