当前位置：首页 > news >正文

嵌入式驱动开发详解21（网络驱动开发）

news 来源：原创 2025/5/19 0:07:50

文章目录

前言
以太网框架
ENET 接口简介
- MAC接口
- MII \ RMII 接口
- MDIO 接口
- RJ45 接口
PHY芯片
以太网驱动
驱动挂载
wifi模块挂载
后续

前言

linux驱动主要是字符设备驱动、块设备驱动还有网络设备驱动、字符设备驱动在本专栏前面已经详细将解了，网络设备驱动本文会做简要讲解，主要是讲解网络设备里面的以太网，PHY芯片，usb和sdio的wifi驱动挂载注意事项等，对网络内部实现仅仅只做简要介绍。

以太网框架

嵌入式网络硬件分为两部分：MAC 和 PHY，MAC 类似 I2C 控制器、SPI 控制器一样的外设，其外部必须搭配一个 PHY 芯片。

内部无MAC外设
- 找个外置的 MAC 芯片，一般这种外置的网络芯片都是 MAC+PHY 一体的。比如三星 linux 开发板里面用的最多的 DM9000，DM9000 对 SOC 提供了一个 SRAM 接口，但是此芯片需要进行手动开发网络的协议栈，类似STM32连接网络时所用的lwip。
- 外置的网络芯片更强大，内部甚至集成了硬件 TCP/IP 协议栈，对外提供一个 SPI 接口，比如 W5500。一般用于单片机领域，由于内置了硬件 TCP/IP 协议栈，因此不需要移植软件协议栈，直接通过 SPI 来操作 W5500。
- 让不支持网络的 SOC 能够实现网络功能；网络效率不高，一般芯片内置的 MAC 会有网络加速引擎，比如网络专用 DMA；成本较高，可选择性少。
内部有MAC外设
- 上图是内部MAC，外置PHY芯片和RJ45坐子的连接示意图，关于内部有MAC的详解在接下来的内容中进行介绍。

ENET 接口简介

MAC接口

I.MX6ULL 内核集成了两个 10/100Mbit/S 的网络 MAC，符合 IEEE802.3-2002 标准，MAC 层支持双工、半双工局域网。MAC 可编程、可以作为 NIC 卡或其他一些交换器件。根据 IETF RFC 2819 协议，MAC 实现了 RMON(Remote Network Monitoring)计数功能。MAC 内核拥有硬件加速处理单元来提高网络性能，硬件加速单元用于处理 TCP/IP、UDP、ICMP 等协议。通过硬件来处理帧头等信息，效果要比用一大堆软件处理要好很多。ENET 外设有一个专用的 DMA，此 DMA 用于在 ENET 外设和 SOC 之间传输数据，并且支持可编程的增强型的缓冲描述符，用以支持 IEEE 1588

MII \ RMII 接口

内部 MAC 通过 MII/RMII 接口来与外部的 PHY 芯片连接，完成网络数据传输

MII接口
- MII 全称是 Media Independent Interface，直译过来就是介质独立接口，它是 IEEE-802.3 定义的以太网标准接口
- 前面的引脚含义看名称可以看出来不做解释，RX_DV：接收数据有效，作用类似 TX_EN。 CRS：载波侦听信号。 COL：冲突检测信号。
- 发送时钟和接收时钟如果网速为100M的话时钟频率为25MHz。
- MII 接口的缺点就是所需信号线太多，因此引出了RMII接口
RMII接口
- RMII 全称是 Reduced Media Independent Interface，翻译过来就是精简的介质独立接口，也就是 MII 接口的精简版本。
- REF_CLK：参考时钟，由外部时钟源提供，频率为 50MHz。这里与 MII 不同，MII 的接收和发送时钟是独立分开的，而且都是由 PHY 芯片提供的。
- RMII 接口只需要 7 根数据线，相比 MII 直接减少了 9 根，极大的方便了板子布线
此外还有GMII、RGMII、SMII、SMII 等接口，基本都是大同小异。

MDIO 接口

MDIO 全称是 Management Data Input/Output，直译过来就是管理数据输入输出接口，是一个简单的两线串行接口，一根 MDIO 数据线，一根 MDC 时钟线。驱动程序可以通过 MDIO 和 MDC 这两根线访问 PHY 芯片的任意一个寄存器。

MDIO 接口支持最多可达 32 个 PHY。同一时刻内只能对一个 PHY 进行操作，使用器件地址进行区分
同一 MDIO 接口下的所有 PHY 芯片，其器件地址不能冲突，必须保证唯一

RJ45 接口

在这里插入图片描述

网络设备是通过网线连接起来的，插入网线的叫做 RJ45 座，RJ45 座要与 PHY 芯片连接在一起
中间需要一个网络变压器，网络变压器用于隔离以及滤波等，网络变压器也是一个芯片。
很多 RJ45 座子内部已经集成了网络变压器，内置网络变压器的 RJ45 座和不内置的引脚一样，但是一般不内置的 RJ45 座会短一点。
RJ45 座子上一般有两个灯，一个黄色(橙色)，一个绿色，绿色亮的话表示网络连接正常，这两个灯由 PHY 芯片控制，PHY 芯片会有两个引脚来连接 RJ45 座上的这两个灯。

PHY芯片

PHY 芯片寄存器地址空间为 5 位，地址 0~31 共 32 个寄存器，IEEE 定义了 0~15 这 16 个寄存器的功能，16~31 这 16 个寄存器由厂商自行实现。

不管你用的哪个厂家的 PHY 芯片，其中 0~15 这 16 个寄存器是一模一样的，仅靠这 16 个寄存器是完全可以驱动起 PHY 芯片的，至少能保证基本的网络数据通信。
随着现在的 PHY 芯片性能越来越强大，32 个寄存器可能满足不了厂商的需求，因此很多厂商采用分页技术来扩展寄存器地址空间，以求定义更多的寄存器。（需要 PHY 厂商提供相应的驱动源码）
IEEE802.3 协议一共 8 个 SECTION，在 “802.3-2018_SECTION2” 中找到 “22.2.4 Management functions” 章节，此章节对 PHY 的前 16 个寄存器功能进行了规定。

MAC 层通过 MDIO/MDC 总线对 PHY 进行读写操作，MDIO 最多可以控制 32 个 PHY 芯片，通过不同的 PHY 芯片地址来对不同的 PHY 操作。SR8201F 通过设置 LED0/PHYAD[0]和 LED1/PHYAD[1]这两个引脚来设置其 PHY 地址，因此SR8201F可以同时存在4个芯片连接到MAC上。

在这里插入图片描述

以太网驱动

申请 net_device：编写网络驱动的时候首先要使用 alloc_netdev 函数来申请 net_device，alloc_netdev 的本质是 alloc_netdev_mqs 函数，Linux 内核内核支持的网络接口有很多，比如光纤分布式数据接口(FDDI)、以太网设备(Ethernet)、红外数据接口(InDA)、高性能并行接口(HPPI)、CAN 网络等。内核针对不同的网络设备在 alloc_netdev 的基础上提供了一层封装，比如我们本章讲解的以太网，针对以太网封装的 net_device 申请函数是 alloc_etherdev，alloc_etherdev 最终依靠的是 alloc_etherdev_mqs 函数。
```
struct net_device *alloc_etherdev_mqs(int sizeof_priv, unsigned int txqs,unsigned int rxqs)
{return alloc_netdev_mqs(sizeof_priv, "eth%d", NET_NAME_UNKNOWN,ether_setup, txqs, rxqs);
}
```
- alloc_netdev_mqs 来申请 net_device，注意这里设置网卡的名字为“eth%d”，这是格式化字符串，大家进入开发板的 linux 系统以后看到的“eth0”、“ eth1”这样的网卡名字就是从这里来的。
- 设置了以太网的 setup 函数为 ether_setup，不同的网络设备其 setup 函数不同，比如 CAN 网络里面 setup 函数就是 can_setup。
- ether_setup 函数会对 net_device 做初步的初始化。
注销网络驱动的时候需要释放掉前面已经申请到的 net_device ，释放函数为 free_netdev。
注册 net_device：net_device 申请并初始化完成以后就需要向内核注册 net_device，要用到函数 register_netdev。
注销 net_device 使用函数 unregister_netdev。
net_device_ops 结构体：net_device 有个非常重要的成员变量：netdev_ops，为 net_device_ops 结构体指针类型，这就是网络设备的操作集。net_device_ops 结构体里面都是一些以“ndo_”开头的函数，这些函数就需要网络驱动编写人员去实现，不需要全部都实现，根据实际驱动情况实现其中一部分即可。
- ndo_open 函数，打开网络设备的时候此函数会执行，网络驱动程序需要实现此函数，非常重要！（包含使能网络外设时钟、申请网络所使用的环形缓冲区、初始化 MAC 外设等内容）
- ndo_stop 函数，关闭网络设备的时候此函数会执行，网络驱动程序也需要实现此函数。（包括停止 PHY、停止 NAPI 功能、停止发送功能等）
- ndo_start_xmit 函数，当需要发送数据的时候此函数就会执行，此函数有一个参数为 sk_buff 结构体指针，sk_buff 结构体在 Linux 的网络驱动中非常重要，sk_buff 保存了上层传递给网络驱动层的数据。
- ……还有很多很重要的函数
**sk_buff 结构体 **：网络是分层的，对于应用层而言不用关心具体的底层是如何工作的，只需要按照协议将要发送或接收的数据打包好即可。打包好以后都通过 dev_queue_xmit 函数将数据发送出去，接收数据的话使用 netif_rx 函数即可
- dev_queue_xmit 函数
- netif_rx 函数：上层接收数据的话使用 netif_rx 函数，但是最原始的网络数据一般是通过轮询、中断或 NAPI 的方式来接收，关于接收函数主要是以下两个部分，第一个是数据处理部分主要是通过sk_buff实现的，第二个部分是数据接收主要是通过 NAPI 实现的。
  - sk_buff 这个结构体用于管理接收或发送数据包，针对 sk_buff 内核提供了一系列的操作与管理函数。
  - NAPI 的核心思想就是不全部采用中断来读取网络数据，而是采用中断来唤醒数据接收服务程序，在接收服务程序中采用 POLL 的方法来轮询处理数据。这种方法的好处就是可以提高短数据包的接收效率，减少中断处理的时间。Linux 内核使用结构体 napi_struct 表示 NAPI，针对 NAPI 内核提供了一系列的操作与管理函数。

驱动挂载

对于驱动的配置与源码分析，篇幅较多，这里大概说一下主要内容包含哪些，具体的还请参考正点原子的教材。

设备树的配置，包含fec部分和子节点mdio部分（此子节点用于指定网络外设所使用的 MDIO 总线，主要作为 PHY 节点的容器）
fec匹配表包含“fsl,imx6ul-fec”，设备树和驱动匹配上，当匹配成功以后 fec_probe 函数就会执行，该函数会实现以太网驱动所提到的所有初始化内容，。
MDIO 总线注册：Linux 内核专门为 MDIO 准备一个总线，叫做 MDIO 总线，采用 mii_bus 结构体表示，fec_probe 函数不仅会初始化以太网相关内容也会调用 fec_enet_mii_init 函数完成 MII 接口的初始化，其中就包括初始化 mii_bus 下的 read 和 write 这两个函数。
PHY驱动：of_mdiobus_register 函数有两个主要的功能，一个是通过 mdiobus_register 函数向 Linux 内核注册 mdio 总线，另一个就是通过 of_mdiobus_register_phy 函数向内核注册 PHY。

wifi模块挂载

wifi模块的加载就是编译内核生成相关的驱动文件，然后配置工具进行wifi连接和测试即可

modprobe 8188eu.ko
ifconfig wlan0 up
iwlist wlan0 sacn
wpa_supplicant -D wext -c /etc/wpa_supplicant.conf -i wlan0 &
udhcpc -i wlan0

后续

网络驱动是一个比较大的方向，仅仅只做了大体的框架分析，如果后期有更深入的需求再详细分析内部实现，这里只是给大家做一个了解。