SkyEye硬件模拟平台：硬件仿真实现之四

本系列文章的第三部分主要介绍了SkyEye硬件模拟平台的实现细节。主要内容包括SkyEye的总体设计、SkyEye的可扩展框架、SkyEye的关键数据结构、SkyEye对各种CPU的模拟实现、SkyEye对各种外设的模拟实现、如何安装使用SkyEye以及如何扩展SkyEye的仿真模块等。对SkyEye的深入了解，有助于对嵌入式硬件系统有更深入的认识，特别是对操作系统、驱动程序如何与嵌入式硬件系统进行交互有更深刻的了解。

1.1.6 SkyEye的网络模拟实现

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。如果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：

图 0-1 8019AS模拟结构图

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。

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断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，但要注意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，网络芯片自动判断是否发给本机，是则用Local DMA存入数据，并自动修改读写指针。

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，注意复位后要等待几十ms再进行下一步操作。

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<――CPU）
  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 DMA发送长度高位。
  上述两个寄存器是网络芯片外发数据包的长度，执行发送命令前根据实际长度设置。
• ISR，0x07，R/W，中断状态寄存器，各个bit位的含意如下：
  ISR_PRX 0x01 正确接收数据包中断。做接收处理
  ISR_PTX 0x02 正确发送数据包中断。做不做处理要看上层软件了。
  ISR_RXE 0x04 接收数据包出错。做重新设置BNRY＝CURR处理。
  ISR_TXE 0x08 由于冲突次数过多，发送出错。做重发处理
  ISR_OVW 0x10 网络芯片内存溢出。做软件重启网络芯片处理。见手册。
  ISR_CNT 0x20 出错计数器中断，屏蔽掉（屏蔽用IMR寄存器）。
  ISR_RDC 0x40 Remote DMA结束 。屏蔽掉。轮询等待DMA结束。
  ISR_RST 0x80 网络芯片Reset，屏蔽掉。
  
  在中断处理程序中读出ISR寄存器的值，分别与以上各值"与"，若结果为1则表示发生了该种中断，需要处理，处理完毕向ISR寄存器写入该值（即将该中断位置1）即可清除该中断。
  比如：if (isr & ISR_PRX) {
  　　　　处理收到的数据包；
  　　　　　IOWRITE(R_ISR,ISR_PRX); 清除正确接收数据包中断
  　　　｝；
• RSAR0，0x08，W，Remote DMA目的起始地址低位
  XMIT_START 0x4000 取其低位
• RSAR1，0x09，W，Remote DMA目的起始地址高位
  XMIT_START 0x4000 取其高位
• RBCR0，0x0A，W，Remote DMA数据长度低位
• RBCR1，0x0B，W，Remote DMA数据长度高位
  上述两个寄存器是CPU向网络芯片写入或读出数据包的实际长度，执行Remote DMA命令前需要设置这两个寄存器。
• RCR，0x0C，W，接收配置寄存器,
  初始化时写入0x04，表示只接收发给本网络芯片MAC地址的、大于64字节的以太网包或广播包。
• TCR，0x0D，W，发送配置寄存器
  初始化开始时写入0x02，表示置网络芯片为Loop Back模式，停止发送数据包，初始化结束写入0x00。正常发送数据包并加上CRC。
• DCR，0x0E，W，数据配置寄存器
  初始化时写入0x48，表示8位模式，FIFO深度8字节，DMA方式。
• IMR，0x0F，W，中断屏蔽寄存器
  它的各位和ISR中的各位相对应，向IMR写入以下各值即为打开相应中断，
  ISR_PRX 0x01
  ISR_PTX 0x02
  ISR_RXE 0x04
  ISR_TXE 0x08
  ISR_OVW 0x10
  ISR_CNT 0x20
  ISR_RDC 0x40
  ISR_RST 0x80
  如IOWRITE(R_IMR, ISR_OVW | ISR_PRX )表示打开溢出和接收中断，其它中断都屏蔽。

PAGE 1：

• CR：0x00，R/W，含意与PAGE0的CR含意相同
• PAR0，0x01，R/W，网络芯片MAC地址最高位
• PAR1，0x02，R/W，网络芯片MAC地址
• PAR2，0x03，R/W，网络芯片MAC地址
• PAR3，0x04，R/W，网络芯片MAC地址
• PAR4，0x05，R/W，网络芯片MAC地址
• PAR5，0x06，R/W，网络芯片MAC地址最低位
  如网络芯片的MAC地址为：00:01:02:03:04:05，则PARi＝0x0i。初始化时网络芯片会从PROM读出MAC地址并写入这六个寄存器。
• CURR，0x07，R/W，接收缓冲环写指针, 指向下一个包到来时的起始页。
  硬件初始化时，CURR＝BNRY＝PSTART，以后由网络芯片自动负责更新。
  PAGE1中，偏移量0x08到0x0F这8个寄存器是组播地址寄存器，它们决定了网络芯片对组播数据包的收发，暂时不模拟这8个寄存器。

PAGE 2：

• CR，0x00，R/W，含意与PAGE0的CR含意相同
• PSTART，0x01，R，用来读PSTART状态
• PSTOP，0x02， R，用来读PSTOP状态
• TPSR，0x04， R，用来读TPSR状态
• RCR，0x0C， R，用来读接收配置寄存器RCR状态
• TCR，0x0D， R，用来读发送配置寄存器TCR状态
• DCR，0x0E， R，用来读数据配置寄存器DCR状态
• IMR，0x0F， R，用来读中断屏蔽寄存器IMR状态

这页的寄存器大部分是只读的，可读出相关的配置信息等。

5. 虚拟网络芯片接收数据包的方法
在前面CR寄存器的说明中可以看到，普通的RTL8019从网络芯片RAM读数据到CPU有两种方式：

1. 目前SkyEye虚拟网络芯片还不支持Remote DMA READ方式：
硬件初始化时，BNRY读指针 ＝ CURR写指针－1 ＝PSTART。
有数据包要读时，操作步骤如下：

a.查看bnry是否＝CURR－1，不等则说明有数据包要读
b.用bnry初始化DMA起址控制器RSAR0,1
c 用18初始化DMA长度控制器RBCR0，1
d．执行Remote DMA READ命令
e．读出以太网包头（18字节），从包头中读出包长度
f．同b－e读出所有数据
g．调整bnry指针＝CURR－1
这期间如果bnry指到了缓冲环的尾部还要手工调整它回到环的开头。

2．虚拟8019网络芯片支持更快更简单的SEND COMMAND方式，读数据包的步骤如下：
硬件初始化时，BNRY ＝ CURR ＝ PSTART
有数据包要读时，操作步骤如下：
a．向RBCR1寄存器写入0FH（硬性规定）
IOWRITE(R_RBCR1, 0x0f);
b．执行SEND COMMAND命令
IOWRITE(R_CR, CMD_PAGE0 | CMD_SEND | CMD_RUN)
然后网络芯片自动做了如下工作：
I. 用当前的BNRY读指针指向的地址写入DMA控制器（RSAR0，1）
II.用以太网包头中的包长度初始化DMA控制器（RBCR0，1）
c．先读18个字节的包头看看是否是合法的数据包
d．从0x10端口读数据……。（读多少当然要你自己去看以太网包头了）

6. skyeye_ne2k.c函数说明

• nic_init：调用nic_reset初始化虚拟网络芯片。
• nic_reset：初始化虚拟8019AS的各项结构，包括寄存器，卡上PROM和RAM等。
• nic_read：网络芯片的读操作函数，根据参数给出的寄存器偏移量，返回相应寄存器的当前值；如果读的是0x10寄存器，调用DMA输入函数remote_read；如果读的是0x1f寄存器，调用nic_reset重新启动网络芯片。
• nic_write：网络芯片写操作函数，根据参数给出的寄存器偏移量，修改相应寄存器的值；如果写的是0x00 CR寄存器，调用write_cr改变网络芯片当前状态；如果写的是0x10寄存器，调用DMA输出函数remote_write；如果写的是0x1f寄存器，调用nic_reset重新启动网络芯片。
• tapif_input：从tapif网络接口读取网络包，转存入8019AS设备的内部RAM（即上图中的8192字节的数组）。注意RTL8019AS在收到网络包时会在最前面加上四个字节：0x10、0x50和两字节的包长度，为了与真实8019AS网络芯片完全兼容，SkyEye的虚拟8019AS网络芯片也模拟了这一特点。包转存完毕后，tapif_input函数修改SkyEye的中断状态寄存器，然后返回。SkyEye会在下一次检查中断状态寄存器时进入中断状态。
• tapif_output：这个函数被虚拟8019AS网络芯片的发包函数调用，负责从8019AS的内部RAM读出要发送的网络包，转发到tapif网络芯片接口。

7. tapif和vnet虚拟网络接口说明
tun/tap设备和vnet设备为网络接口设备（struct net_device），被链接到网络接口链表中。一般在函数tun_set_iff()里创建和注册。

8. 网络芯片驱动程序分析
编写驱动程序时对DMA结束的判断的说明 cpu--->NIC's ram 的DMA结束标志是ISR_RDC中断： while((char) (IOREAD(R_ISR) & ISR_RDC) == 0 ); 这里是循环等待了，如果做得更好可以先返回，等待结束中断，一般没必要了。

NIC'ram ---> network的DMA结束标志是ISR_PTX中断如果上层软件还有包要连续发送，可以打开这个中断，然后在ISR中继续发下一个包。否则没必要处理这个中断，可以屏蔽它。（这就类似于串口UART的发送成功中断，如果要发一个字符串，就使用这个中断，只发送一个字符就没必要了。）

在Linux系统的ne2k driver中也是死等一段时间，见ne2k.c中的代码：

while ((inb_p(nic_base + EN0_ISR) & ENISR_RDC) == 0) if (jiffies - dma_start > 2*HZ/100) { /* 20ms */ printk("%s: timeout waiting for Tx RDC./n", dev->name); ne_reset_8390(dev); NS8390_init(dev,1); break; }

参考资料