【摘要】網(wǎng)絡互聯(lián)已深入多個領域，而RTEMS實時操作系統(tǒng)對網(wǎng)絡設備的支持卻明顯不足。為添加RTEMS對網(wǎng)絡的支持，充分利用RTEMS的性能。首先對RTEMS網(wǎng)絡設備驅動的運行機理進行了分析，介紹了網(wǎng)絡設備驅動開發(fā)的框架。然后在RTEMS平臺中實現(xiàn)DM9000A網(wǎng)絡接口卡驅動，結合網(wǎng)絡驅動的實例重點分析了RTEMS系統(tǒng)下網(wǎng)路驅動程序的開發(fā)方法。最后使得DM9000A在RTEMS平臺下能夠正常編譯，且通過實驗來驗證實現(xiàn)的可行性和有效性。

【關鍵詞】RTEMS；實時系統(tǒng)；DM9000A網(wǎng)絡接口卡；網(wǎng)絡驅動

1.引言

RTEMS（Real-Time Executive for Multiprocessor Systems）是一個開放源代碼的實時嵌入式操作系統(tǒng)，對各類主流的嵌入式平臺都有良好的支持[1]。為了添加RTEMS平臺的網(wǎng)絡應用功能，需要設計出合理的網(wǎng)絡設備驅動程序。為了滿足RTEMS平臺的驅動模型，必須對其組織組織框架有所理解。由于RTEMS是開源的，這使得可以對其網(wǎng)絡驅動模塊部分進行分析和移植以滿足不同的應用需求。本文通過對RTEMS網(wǎng)絡源碼的分析，并結合DM9000A驅動的實例，探討了如何為RTEMS添加網(wǎng)絡驅動。

2.RTEMS的網(wǎng)絡模塊

RTEMS網(wǎng)絡?；贐SD，并提供了絕大部分BSD的網(wǎng)絡服務。網(wǎng)絡應用程序通過套接字（socket）接口來實現(xiàn)本地及網(wǎng)絡設備間的通信。應用程序通過網(wǎng)絡模塊與底層驅動進行交互，是無法直接訪問網(wǎng)絡設備的。

2.1 網(wǎng)絡驅動運行機理

不同于RTEMS平臺的其他設備驅動，網(wǎng)絡設備驅動不是交由IO管理器管理的，而是由BSD協(xié)議棧實現(xiàn)管理的。如圖1所示，由上之下，RTEMS網(wǎng)絡棧分為網(wǎng)絡協(xié)議接口層、網(wǎng)絡設備接口層、設備驅動接口層，以及網(wǎng)絡設備驅動層。

圖1 RTEMS網(wǎng)絡驅動框架

網(wǎng)絡設備驅動層提供訪問物理設備的具體驅動程序。設備驅動接口層，向上為上層提供訪問設備的接口，向下提供統(tǒng)一的驅動程序調用接口，通過if_start函數(shù)接口啟動發(fā)送，通過設備的中斷來觸發(fā)具體的收、發(fā)操作。網(wǎng)絡設備接口層是設備驅動接口層的延續(xù)，其向協(xié)議接口層提供對硬件設備的統(tǒng)一描述，即每個網(wǎng)絡設備都必須有屬于自己的ifnet結構體，該結構也展示了RTEMS面向對象方法的設計，是設備驅動層中各個函數(shù)的容器。網(wǎng)絡協(xié)議接口層為上層協(xié)議提供了統(tǒng)一的接收、發(fā)送數(shù)據(jù)包的接口，其實質是通過數(shù)據(jù)包中的協(xié)議頭來決定不同協(xié)議函數(shù)的調用。這一層屏蔽了底層的具體硬件細節(jié)。

首先，它會阻塞并等待接收事件START_RECEIVE_EVENT的發(fā)生；然后，當?shù)却氖录l(fā)生時，會向系統(tǒng)申請數(shù)據(jù)緩存mbuf，獲取數(shù)據(jù)包長度及狀態(tài)碼，檢查設備是否已經(jīng)接受到數(shù)據(jù)、狀態(tài)碼是否正確，調用dm9000a_inblk_16bit（）將DM9000A內部SRAM中的數(shù)據(jù)復制到剛剛申請的緩存mbuf中；最后，剔除以太網(wǎng)頭，并調用ether_input（）向internet層傳遞數(shù)據(jù)進行進一步的處理。

2.2 網(wǎng)絡設備驅動的主要功能

如圖2所示，網(wǎng)絡接收、發(fā)送是通過任務形式存在。發(fā)送任務Trans Daemon會一直阻塞直到有要發(fā)送的數(shù)據(jù)已經(jīng)填充發(fā)送隊列。應用準備好要發(fā)送的數(shù)據(jù)時，發(fā)送任務可能依舊阻塞，當發(fā)送中斷處理程序Transmit ISR空閑時，會觸發(fā)發(fā)送事件來調用網(wǎng)絡驅動程序的發(fā)送函數(shù)進行數(shù)據(jù)發(fā)送。同樣的接收任務Receive Daemon會一直阻塞，當有網(wǎng)絡數(shù)據(jù)到來時會發(fā)生接收中斷，Receive ISR會觸發(fā)數(shù)據(jù)接收事件，接著會調用網(wǎng)絡驅動程序的接收函數(shù)來接收數(shù)據(jù)，并交由網(wǎng)絡核心進行進一步的處理，可能涉及TCP的重傳等。之后會提交給上層應用程序。

網(wǎng)絡設備驅動程序的接收、發(fā)送任務極度依賴具體的硬件細節(jié)，是驅動設計中的關鍵內容，這部分處理的好壞直接影響了整個網(wǎng)絡的性能。

圖2 RTEMS網(wǎng)絡模型

3.基于ARM的DM9000A網(wǎng)絡驅動設計

3.1 DM9000A網(wǎng)卡硬件接口

實例中，網(wǎng)絡接口卡選擇的是DM9000A芯片。DM9000A是一個高集成而且功耗很低的高速網(wǎng)絡控制器，支持10/100M以太網(wǎng)連接，芯片內部自帶16K字節(jié)的SRAM（3K用來發(fā)送，13K用來接收）。針對不同的處理器，接口支持8位、16位[2]。本文采用三星S3C2440 ARM作為系統(tǒng)的微處理器。S3C2440與DM9000A的連接方式如圖3所示。

S3C2440通過片選nLAN_cs線和LADDR2分別連接DM9000A芯片的nCS管腳和CMD管腳，S3C2440的LnOE線連接DM9000A的nIOR管腳，LnWE線連接DM9000A的nIOW管腳，通過S3C2440的LDATA0到LDATA15數(shù)據(jù)線和DM9000A的SD0到SD15數(shù)據(jù)線相連。而DM9000A的中斷管腳和S3C2440的IRQ_LAN相連。

圖3 DM9000A和S3C2440的連接

圖4 netdemo應用輸出

3.2 DM9000A網(wǎng)絡驅動設計

網(wǎng)絡設備驅動程序的設計需要完成的主要有網(wǎng)絡設備初始化、接收任務實現(xiàn)、發(fā)送任務實現(xiàn)、中斷服務程序實現(xiàn)。

3.2.1 網(wǎng)絡設備初始化

任何設備在可使用前都必須進行恰當?shù)某跏蓟?。該過程是通過每設備結構體ifnet中if_init函數(shù)實現(xiàn)。在向RTEMS注冊網(wǎng)絡設備驅動時被設定為dm9000_init（），當開啟網(wǎng)絡功能支持時rtems_dm9000a_driver_attach會調用dm9000a_init（）函數(shù)完成設備的初始化。

為完成設備初始化，dm9000a_init（）會調用dm9000a_initialize_hardware完成具體的初始化，其中包括軟復位，探測設備類型、是否掛接，數(shù)據(jù)位模式，使能接收、發(fā)送中斷。

3.2.2 接收任務實現(xiàn)

由1.2節(jié)可知，RTEMS中是以任務形式監(jiān)聽是否要進行數(shù)據(jù)的接收，當網(wǎng)卡接收到數(shù)據(jù)時，中斷會發(fā)送接收事件以喚醒接收任務進行任務接收。這里，就以dm9000a_rxDaemon（）函數(shù)來說明如何實現(xiàn)自己的接收任務。

3.2.3 發(fā)送任務實現(xiàn)

同接收任務一樣，發(fā)送任務dm9000a_txDaemon（）會一直阻塞并等待中斷觸發(fā)發(fā)送事件START_TRANSMIT_EVENT；然后檢測發(fā)送隊列是否為空，不為空即調用驅動的發(fā)送函數(shù)dm9000a_sendpacket（）完成具體的數(shù)據(jù)包發(fā)送，直到發(fā)送隊列為空。

dm9000a_sendpacket（）函數(shù)完成以下幾個步驟：首先，將應用程序放在mbuf中的數(shù)據(jù)拷貝到發(fā)送緩沖txbuf數(shù)組中；然后，再將txbuf中的數(shù)據(jù)拷貝到DM9000A內部的SRAM中等待發(fā)送，通過寫DM9000A_TCR寄存器開始硬件的發(fā)送；最后，清零DM9000A_ISR寄存器的TX位。

3.2.4 中斷服務程序實現(xiàn)

數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送都會觸發(fā)硬件中斷，通知驅動程序進行數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送。中斷程序dm9000a_isr（）是驅動的核心，由其控制網(wǎng)卡的接收、發(fā)送動作。

在dm9000a_isr（）中，首先，屏蔽中斷，獲得中斷狀態(tài)碼；然后，根據(jù)DM9000A_ISR寄存器中接收和發(fā)送中斷位來觸發(fā)相應的START_RECEIVE_EVENT和START_TRANSMIT_EVENT事件；最后，重新使能中斷。

4.DM9000A驅動的編譯及測試

4.1 將驅動程序編譯進RTEMS

網(wǎng)絡驅動被視為BSD網(wǎng)絡棧的一部分[3]，由于網(wǎng)絡是RTEMS的可選支持功能，為添加網(wǎng)絡功能首先要使得RTEMS支持TCP/IP協(xié)議棧，而后才能添加定制的網(wǎng)絡驅動程序。

為RTEMS添加網(wǎng)絡功能是通過BSP目錄下的Makefile.am文件實現(xiàn)的。這樣應用程序就可以使用RTEMS提供的網(wǎng)絡功能了。

4.2 測試結果

使用RTEMS自帶的測試樣例netdemo進行網(wǎng)絡測試，netdemo主要顯示網(wǎng)絡連接參數(shù)，比如當前udp、tcp請求，已發(fā)生中斷次數(shù)等。

不同于Linux嵌入式系統(tǒng)，RTEMS的應用程序必須和RTEMS編譯成一個鏡像，然后加載進內存才能執(zhí)行。在編譯鏡像前需要為netdemo應用程序配置網(wǎng)絡參數(shù)，在network_config文件中添加IP地址，網(wǎng)關，應用可使用的mbuf緩存大小等。如圖4所示，網(wǎng)絡驅動已經(jīng)正常運行。

5.結束語

本設計以DM9000A網(wǎng)絡芯片作為樣例，介紹了網(wǎng)絡設備驅動的運行機制，詳細分析了實現(xiàn)RTEMS平臺下網(wǎng)絡設備驅動程序的方法和步驟。RTEMS網(wǎng)絡設備驅動程序的設計不同于其他的設備驅動程序，其并不由IO管理器進行管理，但也具有自身的規(guī)律，遵循這個規(guī)律，可以設計出符合應用需求的驅動程序。分析了RTEMS中的網(wǎng)絡驅動程序的工作機制，同時結合樣例，詳盡闡述了如何設計網(wǎng)絡驅動程序以使之滿足特定的應用要求。通過對DM9000A網(wǎng)絡設備驅動程序的研究，對于RTEMS平臺下添加其他類似的網(wǎng)絡設備具有一定的借鑒參考價值。

參考文獻

[1]RTEMS Steering Committee.RTEMS Home Page[J]. 2010.

[2]DM9000A-17-DS-F01 Data Sheet[S].Davicom Semiconductor Inc，2006.

[3]RTEMS TCP/IP Networking Supplement Guide[J].On-Line Applications Research Corporation（OAR），2013.

作者簡介：

吳華中（1989—），男，中北大學儀器與電子學院碩士研究生在讀，研究方向：自動化測試與控制技術。

陳鴻（1963—），男，博士，中北大學儀器與電子學院教授，碩士生導師，研究方向：動態(tài)測試。