LM3S9B96的μDMA高速網絡驅動程序設計

邵富杰，張國利，徐云寬

（北京跟蹤與通信技術研究所，北京100094）

引 言

LM3S9B96是德州儀器針對工業應用設計的Cortex－M3核的微控制器，應用領域包括遠程監控、電子販售機、測試和測量設備、網絡設備和交換機、工廠自動化以及火警安防等。LM3S9B96的主頻最高為80MHz，性能可達100DMIPS，其以太網控制器集成了媒體訪問控制器和物理層接口，以太網控制器遵循IEEE 802.3規范，完全支持10BASE－T和100BASE－TX標準［1]。

德州儀器為微控制器LM3S9B96提供了輕量級TCP／IP協議lwIP下的網絡驅動程序，該驅動程序使用數據拷貝方式實現網絡層與發送FIFO（TX FIFO）和接收FIFO（RX FIFO）之間的數據交換，效率低，無法滿足高速網絡通信的要求。文中詳細描述了實時操作系統μC／OS－II環境下，基于微型直接存儲器訪問（Micro Direct Memory Access，μDMA）傳輸的LM3S9B96網絡驅動程序的設計，以提高網絡層與底層FIFO之間數據交換的效率，實現高速網絡通信。

1 LM3S9B96的以太網控制器

LM3S9B96的以太網控制器包含媒體訪問控制器（Media Access Controller，MAC）層和網絡物理層（Network Physical，PHY）2個部分，如圖1所示，以太網控制器內部結構如圖2所示。

圖1 LM3S9B96的以太網控制器

圖2 LM3S9B96的以太網控制器內部結構

LM3S9B96的以太網控制器包含了網絡物理層的自動交叉校驗MDIX、自動協商、時鐘參考、MAC LED控制、媒體獨立接口（Media Independent Interface，MII）寄存器組、發送編碼、脈沖整形、時鐘恢復、接收解碼、載波感應和沖突檢測等單元，用于實現10BASE－T／100BASE－TX的自動協商、MDI與MDIX校驗、數據的編碼發送和解碼接收，以及網絡接口指示燈的控制；也包含了MAC層的TX FIFO、RX FIFO、接收控制、發送控制、數據訪問、獨體媒體接口控制、定時器支持、MAC地址寄存器、中斷控制等單元，用于實現MAC地址的設置、物理層MII寄存器組的設置、中斷的產生和控制、網絡層與MAC層FIFO之間數據的傳輸。

2 網絡驅動程序的作用

網絡驅動程序是網絡層與物理層硬件的直接接口，它屏蔽了物理層硬件的細節，利用物理層硬件，為網絡層提供了接收和發送數據的接口，如圖3所示。

圖3 網絡驅動程序的功能

網絡數據發送時，網絡驅動程序從網絡層接收數據包后，檢查數據發送緩沖隊列和TX FIFO是否為空，若均為空，程序會通過TX FIFO發送數據包；否則將數據包放入發送緩沖隊列，等待TX FIFO為空時，網絡中斷觸發數據發送。網絡數據接收時，RX FIFO從物理層接收數據包后，觸發網絡接收中斷，網絡驅動程序從RX FIFO讀取數據包，并交由網絡層處理。

3 基于μDMA的網絡驅動程序的設計

LM3S9B96內置一個直接存儲器訪問（Direct Memory Access，DMA）控制器，稱之為微型DMA（μDMA）控制器。μDMA控制器所提供的工作方式能夠分載處理器參與的數據傳輸任務，從而更加高效地使用內核以及總線帶寬。

LM3S9B96的以太網控制器支持μDMA功能，具有專用的μDMA通道，通過合理的編程配置，通過μDMA控制器，當需要時自動在網絡控制器的TX FIFO、RX FIFO與存儲器之間傳輸數據，使得以太網MAC具有更高的性能，并大大減輕LM3S9B96內核的數據傳輸負擔。

LM3S9B96的μDMA網絡驅動程序主要包含4個單元：初始化程序、數據包發送程序、數據包接收程序和中斷處理程序。

3.1 初始化程序

網絡驅動初始化程序主要用于初始化網絡接口、設置μDMA參數和網絡中斷［2]，具體工作如下：

①初始化網絡接口結構體的各個參數，如網絡接口名稱、MAC地址、接口層發送函數地址等。

②設置MAC地址及其長度、最大傳輸單元大小、網絡接口時鐘。

③配置以太網控制器操作參數，此處需要使能雙工傳輸、發送填充、自動CRC校驗產生、多播數據接收等。

④使能μDMA單元并設置μDMA控制表基地址。

⑤禁止以太網發送通道μDMA，并設置該通道μDMA控制參數——傳輸大小32位，源地址以32位大小自增，目標地址不增加，仲裁大小8位。

⑥禁止以太網接收通道μDMA，并設置該通道μDMA控制參數——傳輸大小32位，源地址不增加，目標地址以32位大小自增，仲裁大小8位。

⑦設置網絡中斷類型，并使能網絡中斷等功能，為了簡化中斷處理，此處僅使能網絡接收和發送中斷，禁止發送錯誤、接收錯誤、接收溢出等其他中斷類型［3]。

3.2 數據包發送程序

網絡數據的發送，是在中斷處理程序的協助下由網絡數據包發送程序實現。

數據包發送程序主要包含2個函數：網絡數據輸出函數stellarisif＿output（）和網絡數據傳輸函數stellarisif＿transmit（），函數流程如圖4（a）、（b）所示。

stellarisif＿output（）函數并不進行實際的數據發送，它只是將數據包放入緩沖隊列，或者是調用網絡數據傳輸函數進行數據發送。如圖4（a）中標注，該函數需要注意：

①一個新的網絡數據包，必須檢查當前發送緩沖區是否為空。如果發送緩沖區不為空，即使TX FIFO為空，也要把待發送的網絡數據包放入發送緩沖區，這樣才能保證網絡數據先進先出的發送次序。

②表明實際進行網絡數據發送的是stellarisif＿transmit（）函數。

stellarisif＿transmit（）函數進行實際的網絡數據發送，它以DMA方式復制網絡數據到TX FIFO，標識中斷處理程序設置網絡發送標志，啟動網絡數據的物理層傳輸；或以內核執行拷貝方式復制網絡數據到TX FIFO，并置位網絡發送標志，啟動網絡數據的物理層傳輸。如圖4（b）中標注，需要注意：

③由于以太網發送通道μDMA的傳輸大小被初始化32位（即傳輸數據寬度為4個字節），而μDMA傳輸要求源地址、目的地址必須按照傳輸數據寬度對齊。因此進行μDMA傳輸前，應首先判斷數據的源地址（即被傳輸的凈荷數據地址）是否為4字節邊界對齊（以太網發送通道μDMA的目的地址為TX FIFO的地址，即0x40048010，已為4字節對齊，無需檢查）。若為4字節地址對齊，才能進行μDMA數據傳輸，否則不能進行μDMA傳輸，只能進行由LM3S9B96內核執行的數據拷貝。需要說明的是，通過合理分配LWIP協議棧的堆內存、緩沖及待發送數據的地址，是可以保證凈荷數據地址為4字節對齊的。

④設置μDMA通道為以太網發送通道，自動傳輸模式，源地址為凈荷數據地址，目的地址為TX FIFO地址，傳輸長度（以傳輸數據寬度為單位，即以32位或4字節為單位，實際傳輸的字節總長度＝傳輸長度х傳輸數據寬度）。

3.3 數據包接收程序

網絡數據的接收，是在中斷處理程序的協助下，由網絡數據包接收程序（主要由網絡數據接收函數stellarisif＿receive（）構成）實現。

stellarisif＿receive（）函數負責以μDMA或內核執行拷貝方式，從RX FIFO讀取網絡數據幀到接收緩沖區pbuf。其流程如圖4（c）所示，該函數實現需要以下說明：

⑤即使分配接收緩沖區pbuf失敗，也需要從RX FIFO中清空該數據幀，以免影響后續的數據幀接收。

⑥進行以太網接收通道的μDMA傳輸前，也需要檢查接收緩沖區pbuf的地址是否為4字節邊界對齊。在LWIP協議棧的堆內存、緩沖分配合理時，每次都以4字節整數倍的長度申請分配接收緩沖區pbuf，是能保證pbuf地址為4字節邊界對齊的，從而實現每次網絡數據接收都通過μDMA實現RX FIFO至pbuf數據拷貝，無需LM3S9B96內核參與。

⑦設置μDMA通道為以太網接收通道，自動傳輸模式，源地址為TX FIFO地址，目的地址為接收緩沖區pbuf地址，傳輸長度（以傳輸數據寬度為單位，即以32位或4字節為單位，實際傳輸的字節總長度＝傳輸長度×傳輸數據寬度）。

⑧需要等待中斷處理程序發送的網絡接收μDMA傳輸結束信號量，成功獲取該信號量，才能標志此次μDMA傳輸的結束。

3.4 中斷處理程序

中斷處理程序為lwIP協議棧處理以太網中斷，從底層接收網絡數據包，提交給上一層來處理，檢查網絡發送緩沖隊列、通過以太網MAC層進行數據包發送。

中斷處理程序主要包括2個部分：以太網中斷服務程序lwIPEthernetIntHandler（）和以太網中斷任務lwIPInterruptTask（），流程如圖5所示。

圖4 網絡發送和接收函數流程圖

圖5 以太網中斷服務程序和以太網中斷任務流程圖

LM3S9B96的以太網中斷產生時，內核自動跳轉至中斷向量表的57號處（LM3S9B96的以太網中斷向量號），該處定義了“DCD lwIPEthernetIntHandler”，進而轉入中斷服務程序lwIPEthernetIntHandler（）執行。如圖5（a）中標注，此程序根據3種不同類型的中斷源進行相應的處理：

①處理網絡接收和發送中斷。網絡接收、發送中斷產生后，程序釋放一個網絡中斷服務信號量，以太網中斷任務獲取該信號量后，調用stellarisif＿receive（）函數讀取數據幀，或調用stellarisif＿transmit（）函數發送數據幀。

②處理網絡接收通道的μDMA中斷。該中斷產生，表明從RX FIFO至接收緩沖區pbuf的μDMA傳輸結束，此時應釋放傳輸結束信號量，以解除stellarisif＿receive（）函數的傳輸結束等待。

③處理網絡發送通道的μDMA中斷。該中斷產生，表明從發送緩沖區pbuf至TX FIFO的μDMA傳輸結束，此時應置位網絡發送請求標志，啟動網絡數據的物理層傳輸。

lwIPInterruptTask（）函數負責從RX FIFO讀取網絡數據幀，并提交上層協議處理；或者從發送緩沖隊列讀取并調用stellarisif＿transmit（）函數發送網絡數據幀，其流程如圖5（b）所示，該函數實現也需要注意：

④以太網中斷任務以阻塞模式等待網絡中斷服務信號量，直至網絡接收或發送中斷產生時，lwIPEthernetIntHandler（）釋放該信號量，任務才解除阻塞，開始執行網絡數據幀的接收、發送操作。

⑤無論以太網中斷源為接收中斷，還是發送中斷，以太網中斷任務總是首先調用stellarisif＿receive（）函數讀取網絡數據幀（若成功讀取數據幀，則提交上層協議處理），然后檢查TX FIFO和網絡發送緩沖隊列，滿足發送條件時，進行數據幀發送操作。此種處理方式，貌似沒有對網絡發送與接收中斷進行有效地區分處理，但事實上，在同時處理大量網絡數據的接收、發送時，具有極高的執行效率。

結 語

本文針對德州儀器的微控制器LM3S9B96，提出了一種面向高速網絡的、基于μDMA的網絡驅動程序設計方案，該設計方案充分利用了LM3S9B96的μDMA、網絡中斷等資源，大大提高了TCP／IP協議棧的網絡層與底層FIFO之間數據交換的效率。實驗測試表明，該網絡驅動設計方案較之內核拷貝方式實現的網絡驅動程序，通信效率提高了十余倍。

由于大多數德州儀器Cortex－M3核的微控制器的以太網控制器結構都非常相似，因此文中針對微控制器LM3S9B96提出的網絡驅動程序設計方案，可適用于大多數德州儀器Cortex－M3核的微控制器的網絡驅動程序設計。

［1] Texas Instruments.Stellaris LM3S9B96微控制器數據手冊，2012：855－857.

［2] 楊進，邱兆坤.SOPC中自定義FIFO接口與DMA數據傳輸［J] .單片機與嵌入式系統應用，2008（8）：78.

［3] Texas Instruments.LM3S9B96ROM User’s guide，2010：279－289.