基于嵌入式Linux的千兆以太网卡驱动程序设计及测试
一． 引言
千兆以太网是一种具有高带宽和高响应的新网络技术，相关协议遵循IEEE 802.3规范标准。采用和10M以太网相似的帧格式、网络协议和布线系统，基于光纤和短距离同轴电缆的物理层介质，更适用于交换机、服务器等数据吞吐率大的设备。本文设计实现一种基于嵌入式Linux千兆以太网卡的驱动程序，并完成后续的测试工作和代码移植。
千兆以太网网卡工作在OSI网络架构的物理层和数据链路层，其中物理层由PHY芯片管理，数据链路层由千兆以太网控制器（GMAC）管理。硬件构架上，GMAC控制器由核心层、MTL(MAC Transaction Layer)层、DMA层和总线接口层构成，如下图1-1所示。核心层连接PHY芯片，管理和PHY芯片之间的通信；MTL层建立物理层和内存之间的数据通道，调整帧传输结构，控制数据流，转换时钟域；DMA层完成数据的传输任务。GMAC配置寄存器CSR(Control and Status register)通过系统总线和CPU交互，CPU通过总线slave端配置DMA 和MAC区的CSR，其中MAC区的CSR可以设置PHY的芯片寄存器，通过对CSR的设置可以控制网卡切换工作状态。
千兆以太网卡的数据传输任务由DMA完成，DMA传输操作通过预先在内存中建立描述符的方式完成。描述符的作用是指定MAC帧数据所在的缓存地址，每个描述符可以最多指定两个缓存地址，缓存大小有严格控制，一个描述符不能指定全部一个帧的缓存数据，需要多个描述符构成描述符链来完成。
有两种描述符链结构：环状描述符和链状描述符。链状描述符中的第二个buffer指定了下一个描述符所在的物理地址，而第一个buffer指定帧数据缓存的位置，环状结构描述符的位置是有序排放的，两个buffer都指向帧数据的缓存地址，最后一个描述符指向第一个描述符所在物理地址形成桶状描述符链。环状和链状结构如图1-2所示，一个描述符链只能用来存储一个MAC帧的数据，DMA每个通道一次最多完成两个MAC帧的传输，多MAC帧的传输需要重新使能DMA通道。
描述符的具体结构如图1-3所示：
OWN位控制描述符是由DMA控制还是由host端控制，后面31位是描述符状态信息，DES1为控制描述符并标明两个buffer大小，DES2和DES3描述两个buffer所在地址。
二． 千兆以太网卡驱动程序设计
GMAC驱动程序需要完成的内容有：PHY芯片初始化，GMAC初始化，GMAC读/写数据，GMAC数据流控制和各种模式设置。
GMAC初始化流程图如图2-1所示：
GMAC初始化过程首先检查PHY芯片工作是否正常并配置PHY芯片模式，创建发送和接收描述符，初始化DMA，然后配置MAC工作模式，使能DMA后进入工作状态。
初始化完成后，数据等待发送或接收，DMA根据描述符状态自动完成数据发送或接收的任务。buffer中的帧结构不包含preamble , PAD byte和FCS段，只包含源地址，目的地址和类型/长度域。如果MAC禁止CRC校验和PAD插入，那么buffer就必须包含完整的帧结构，其中必须包含CRC校验位。DMA一次搬运最多两帧数据，所以初始化后如果需要完成多帧数据搬运需要重新使能DMA。
GMAC发送和接收过程如左图2-2所示：
初始化后，第一次帧传输不需要等待中断，DMA自动完成发送接收任务，当有多次帧传输时，DMA在完成一次发送接收任务后会给CPU发送中断，CPU响应中断处理下一次读写任务。如果读写过程中发生帧错误等导致操作未完成，则会产生相应异常中断直到CPU清除中断位标志，此时GMAC停止工作。
驱动程序设计完成寄存器到功能函数的转换，给上层操作系统提供应用接口，Linux嵌入式操作系统有一套标准的接口规范，根据该规范设计驱动需要预先定义两种重要的结构体：
描述符程序结构体设计：
typedef struct DmaDescStruct
{
__u32 status; //DMA状态
__u32 length; //buffer1和buffer2长度
__u32 buffer1; //buffer1地址
__u32 buffer2; //buffer2地址
//下面数据仅为驱动使用
__u32 extstatus; //接收描述符的扩展位状态
__u32 reserved1; //保留部分
__u32 timestamplow; //时间戳
__u32 timestamphigh;
__u32 data1; //buffer1虚拟地址(驱动备用)
__u32 data2; //buffer2虚拟地址(驱动备用)
} DmaDesc;
GMAC控制器设备程序结构体设计：
typedef struct GMACDeviceStruct
{
__u32 MacBase; //MAC基地址
__u32 DmaBase; //DMA基地址
__u32 PhyBase; //PHY基地址
__u32 Version;
DmaDesc *TxDesc; //发送描述符链开始地址
DmaDesc *RxDesc; //接收描述符链开始地址
__u32 BusyTxDesc; //当前DMA所拥有发送描述符链数量
__u32 BusyRxDesc; //当前DMA所拥有接搜描述符链数量
__u32 RxDescCount; //当前描述符链中接收描述符数量
__u32 TxDescCount; //当前描述符链中发送描述符数量
__u32 TxBusy; //指明当前发送描述符是否由DMA控制，即OWN位是否为1
__u32 TxNext; //指明下一个描述符链是否有效
__u32 RxBusy;
__u32 RxNext;
DmaDesc * TxBusyDesc; //与TxBusy对应的当前描述符地址
DmaDesc * TxNextDesc; //与TxNext对应的下一个描述符链地址
DmaDesc * RxBusyDesc;
DmaDesc * RxNextDesc;
__u32 ClockDivMdc; //时钟分频数
__u32 LinkState; //网卡链接状态
__u32 DuplexMode; //半双工，全双工等工作模式选择
__u32 Speed; //连接速度。10M/100M/1000M
__u32 LoopBackMode; //LoopBack模式
}GMACdevice;
三． 测试实现
测试程序对GMAC进行了相应的黑盒测试和压力测试，黑盒测试用来测试GMAC千兆网卡的各个模块输入相应信号是否得到正确的输出信号，压力测试用来测试网卡的系统稳定性。
测试程序通过GMAC的LoopBack模式将数据写入内存并让GMAC发送，再从接收描述符指定的内存中读出，判断写入写出数据是否一致，完成数据读写测试。对于功能点测试，主要测试的GMAC功能有：PHY芯片自协商完成验证，GMAC LoopBack模式，哈希值和MAC帧过滤，CRC校验和，AV模式和时间戳支持模式。
一次读写测试完成后，测试程序改变GMAC模式和状态，再进行一次数据读写测试，同时加大数据量和功能点以完成压力测试，再次判断写入写出数据是否一致。不断循环进行直到测试程序测试结束，测试过程要完成判定覆盖和条件覆盖的100%代码覆盖率，需要不断改变输入信号和功能以满足测试意图，使用LoopBack模式的测试信号发送和接收结果如图所示：
PHY和MAC使用GMII接口连接，全双工模式下发送的同时进行接收操作，实验结果发现在帧传输速度提升到1.3GMbps时，有明显的丢帧现象，MAC层的帧数据FIFO原数据被冲刷，丢帧现象明显。在使能中断的情况下，发生丢帧后会立刻进入异常中断，DMA停止工作等待CPU响应中断。
四． 结束语
该驱动程序已经在Linux嵌入式系统下调试通过，所有代码下Linux嵌入式系统下移植完成，驱动程序在MaPU定制指令SOC系统上调试通过，使用该驱动完成后续上层软件开发。验证平台基于ARM Cortex A8，测试仿真使用RealViewDebugger完成指令仿真，使用VCS进行时序精确仿真，测试程序代码覆盖率达到90%以上。