LINUX網絡嵌入式設備

 　　這不是什麼新鮮東西，無線路由器很早前就開始使用了，不過最近才慢慢理解其原理。現在網絡嵌入式設備的功能越來越強大了，各芯片廠商的解決方法支持著這種復雜性。最近公司實習，做一個家庭網關的項目。下面的內容應該不算洩密吧，寫得隨意一點。

　　1.一個網絡芯片架構

　　大家應該看得出來，這是一個DSL芯片。其網絡部分由一個switch core構成核心，對外有3個交換口(粉紅色的)：左側為以太網MAC，可外接以太網芯片MAC或PHY，稱為LAN端;右側為DSL的TPS子層，按照DSL標准傳輸ATM/PTM數據，成為WAN端;上面的是一個PDMA片級總線，與片上系統SoC通信。

　　另外還有幾個額外的交換口，主要是提供額外功能的：一個QDMA用於擴展core外Mem;LTR和WTR是兩個轉換引擎，當LAN或WAN端的數據包需要一些特殊處理時(如VLAN、PPPOE頭等)，會被分別交換到這兩個口進行轉換後，再發回Queue中。再另外，LAN、WAN端各有一個classifier，是預分類器，在數據包進入switch core前，先進行一個粗略的劃分，決定發往哪個端口。

　　以上的這些功能都市switch core獨立完成的，SoC系統只需對其進行簡單的配置、控制即可。所以SoC的新能並不需要太高(CPU大概是130MHz的)。注意，該switch core和一般以太網switch的區別，首先其端口類型就不同，所提供的功能也跟為復雜。

　　這裡給出一個簡單的以太網switch芯片的架構，如下圖所示，其核心就是一個register集，對它們進行配置(內部EEPROM、或外部MDIO總線)，可以實現port-VLAN、二層filter等功能。其結構相對簡單，因為其所有端口都是以太網口。

　　用該芯片接在上述DSL芯片的LAN端，構成網絡系統如下圖所示：

　　以太網switch可以自主實現port-VLAN功能，並通過一個trunk口與switch core相連。而switch core有很好的vlan_tag classifier功能。另外WAN端實現了8個硬件通道PVCs，且switch core也能對它進行很好的classifier。綜上，就可以實現所謂的port-mapping功能，只要一跟DSL接入線，就可在家庭裡實現IPTV、Internet、可視電話等業務的分離。

　　注意，所有這些功能都是switch core自動完成的，網絡數據包不需要進入SoC的協議棧，這和後面講的一般的路由器是不同的。

　　2.嵌入式片上系統

　　2.1與外界的交互方式

　　這裡的SoC系統主要功能有：與外界用戶的交互，解析用戶指令，配置系統。

　　解析指令對軟件系統來說很簡單，配置系統，前面也說了，主要是讀寫一些register，也很簡單。關鍵就在於與外界用戶交互。

　　很容易想到的一種方式是網絡，SoC也連在switch core上，有自己的IP、MAC。當然它和switch core是片上bus相連的，通信時並不需要MAC，這裡只是把自己偽裝成一個通用的以太網設備，可以被switch core和外界PC識別。

　　要通信，當然就需要協議棧了，不過，這裡的SoC系統不需要處理額外(正常通信)的數據，所以協議棧也選擇簡單的LWIP，如之前的博文所述。最常用的網絡通信方式就http了，另外還有telent等。

　　呵呵，連接192.168.1.1實際就是去連接其內部的SoC，一般的交換機、路由器都是這樣的，而不是什麼端口。當我還是一個超級菜鳥時，這個問題困擾了好久，糾結。

　　另外，嵌入式系統中，還有一個最常用的交互方式是串口UART。UART是一個非常簡單的I/O設備，它通過直接讀寫管腳的電平信號(串行的)來實現輸入輸出，沒有任何額外的中斷、控制等機制。雖然簡單，不能用以實現復雜、可靠的功能，但用作嵌入式系統的調試方法卻非常有效。

　　UART就像是嵌入式設備的鍵盤/顯示器。它是一種非常簡單的硬件資源，在它之上可以構建通用的I/O設備tty，在tty之上，就可以實現各種應用，如shell等。

　　硬件資源UART、虛擬層設備tty都是系統的資源，在Uc/OS中，一般作為全局量，在其上的應用則通過task來完成。如XSHELL_TASK中，就是通過一個while(1)循環，不停地通過tty_get_line()讀取命令行。注意，該函數已經不是裸的硬件操作了，而是加上了一個上層操作，即識別/r/n來作為結束符，也是通過一個while(1)循環來作的。讀到電平為空，則忽略，因為UART太簡單了，沒有中斷、緩存機制等(沒有詳細區考究，只是粗略地浏覽了一下代碼，好像是這樣的吧!)。

　　最後，外界用戶讀寫電平，當然不同用示波器了。呵呵，PC上裝個串口驅動，那麼PC的鍵盤/顯示器就為嵌入式板子所用啦。

　　2.2bootloader

　　這就像一個心結，你一天不理解它，就一天不能安心地開發嵌入式系統，盡管你可以把軟件寫得很出色。

　　傳統的PC機上電後，cpu核的指令指針(如cs:ip)會指向系統內某段固化的代碼，如BIOS，這些代碼被燒錄在rom存儲器中，斷電也不會丟失。它們會調用我們開發的代碼(如操作系統軟件、或一些簡單的前後台程序)。

　　一個嵌入式怎麼啟動，其實大意和PC(所有這種代碼機器)差不多。當然不同廠商的芯片，也有各自的方式特點，以公司的這款芯片來說(注意，這裡說的是芯片上集成的SoC子系統)，它有好幾種方式啟動。

　　首先，其芯片內集成了一個BootRom，它裡面的代碼(也就是二進制的門電路)是在芯片的一部分，即芯片生產出來就有的。芯片對外有個引腳(boot-mode_pin)，把它接低，則芯片上電後的ip指向該BootRom，執行裡面的代碼。這些代碼很簡單，一般會實現BOOTP、tffp等功能，從網絡上下載OS的內核到內存中來運行。這就是所謂的網絡無盤系統的工作方式。

　　不過現在好像這種方式用的少了，存儲器便宜啊。一般都會把boot-mode_pin拉高，這樣上電後ip指向外部flash。很容易想到flash和PC上的硬盤類似，是差不多，有點區別。PC上電後先執行BIOS，由BIOS裝載硬盤的bootloader扇區。而嵌入式系統一般不這麼麻煩，它直接就在flash中運行這些代碼。

　　現在的cpu-core一般都是32位的，即有4G物理尋址空間，而嵌入式的SDRAM並不要那麼大，所有可以把外部flash和SDRAM一起編址：

　　系統上電後，ip指向2G處，則可以直接在flash運行初始的代碼，只是速率比較慢，所以開始的代碼往往是把後面的一個image下載到SDRAM中去，然後在SDRAM中運行。

　　至於flash的基址為什麼能是2G，這是由CPU的地址總線和flash的SPI總線的特殊的電路連接方式決定的，呵呵，電子出身的應該不難理解。而且，有些芯片還提高一些外部引腳pin，來為地址線加上一個offset(比如1M)，那麼兩個處理芯片就可以使用同一個flash的不同的部分了(0~1M，1~2M)，而其內部只覺得都是從2G地址開始的。

　　下面一個關鍵問題就是，flash中是什麼，怎麼來的，能改變嗎?

　　一般flash中的東西，是有具體應用來決定的，開頭一般都是bootloader代碼，後面有一個image文件，公司的網絡系統，需要一個啟動配置文件，也簡單的放在flash中：

　　Bootloaer一般放在開頭，便於執行。後面的則也可以直接這樣按照物理空間分配，復雜一點，也可以做成文件系統fs，如嵌入式linux。主要包括一些配置文件，log信息文件。最重要的是IMAGE文件，一般要被加載到SDRAM中去運行，這也是我們開發系統功能應用的關鍵。

　　那這些內容怎麼來的呢?一般初始時，會用特定的硬件工具廠商提供的一個初始的文件(格式就是上圖所示)燒到flash中，就像當年我們燒8051單片機一樣，再把flash焊在板子上。如果運行過程中，代碼被改死了，系統再也起不來了，那對不起，只能重新焊一個新的flash了。而一個不就的方法是在flash中准備兩個image，板子上預留一個特殊的案件，按下後啟動新的image(前面講的flash-offset方法)。還有一種方法，是通過內部bootrom啟動，無盤啟動。實現當然需要一定的硬件支持，如前面所述的那個boot-mode_pin不能焊死，用一個跳冒，或者通過一些特殊電路接在以太網上，以太網事先有數據傳輸時，則使用內啟動，如組播升級。方法各不一啦。

　　最後，flash裡面的內容怎麼變?很簡單，它既然也在cpu的變址內，直接用cpu把數據寫到flash中不就行了。一般用http服務，client會post一個image文件上來，server端檢查沒問題，就寫到flash中，這就是手動升級。

　　3.一個無線路由器的架構分析

　　前面提到的公司芯片解決方案，SoC子系統的功能很有限，通信數據包一般不會到SoC的協議棧。而目前市場上的無線路由器系統，系統中的CPU功能一般很強大，RAM配置也很強大，一般都能運行大型系統軟件，如Linux。