千兆网口 Freescale ETSEC + Marvell 88E1111 uboot Linux 驱动分析
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千兆网口 Freescale ETSEC + Marvell 88E1111 uboot Linux 驱动分析 一
在连续两个平台的uboot和Linux系统移植过程中，在千兆网口调试这块都遇到了很大的麻烦。由于寄存器数量庞大，千兆网口MAC和PHY内部结构复杂，MAC和PHY接口种类多，千兆以太网驱动的调试成了系统移植过程中最让人烦心的一个环节。就像火箭队，每次都让球迷无比揪心，不是输的窝囊，就是伤兵满营，现在新赛季又两连败了，打的比勇士还勇士，后场两个比我还瘦的家伙，怎么防守。算了，不扯这么多了，今天要说的是网口MAC+PHY的一些原理和代码分析。（以Freescale的ETSEC和Marvell的88E1111为例。）
1 千兆以太网的物理层
千兆以太网的物理层分为物理编码子层PCS（Physical Coding Sublayer）、物理介质连接子层PMA（Physical Medium Attachment）和物理介质相关子层PMD（Physical Medium Dependent）三层，如下图所示：
其中PCS子层负责8b10b编码，它可以把从GMII口接收到的8位并行的数据转换成10位并行的数据输出。因为10比特的数据能有效地减小直流分量，降低误码率，另外采用8b10b编码便于在数据中提取时钟和进行首发同步。可以把PCS两头看成GMII接口和TBI接口。
PMA子层进一步将PCS子层的编码结果向各种物理媒体传送，主要是负责完成串并转换。PCS层以125M的速率并行传送10位代码到PMA层，由PMA层转换为1.25Gbps的串行数据流进行发送，以便实际能得到1Gbps的千兆以太网传送速率。可以把PMA子层的两头分别看做TBI接口和SGMII接口。
PMD子层将对各种实际的物理媒体完成接口，完成真正的物理连接。由于1000BASE-X支持多种物理媒介，如光纤和屏蔽双绞线，它们的物理接口显然不会相同。有的要进行光电转换，有的要完成从不平衡到平衡的转换。PMD层将对这些具体的连接器作出规定。
2 Freescale 的ETSEC与PHY之间的接口
Freescale的MPC8314和P2020都自带了三速以太网控制器ETSEC，可以提供10M，100M，1000M三种速率的接口。当作为以太网时，需要外部的PHY芯片或者Serdes设备与其相连接。每个ETSEC都支持多标准的MII接口，总体结构如下图所示，可以提供GMII，RGMII，MII，RMII，RTBI，SGMII 六种接口，下图为从MPC8314 datasheet中截取的ETSEC的结构图。
如果CPU与PHY之间是GMII接口或RGMII接口，那么PHY将提供完整的PCS，PMA，PMD三层工作；如果CPU与PHY之间是RTBI接口，那么PCS层的工作在ETSEC中已经做完了，ETSEC中的TBI模块可以做PCS层的工作，PHY只需要做PMA和PMD的工作即可；如果CPU与PHY之间是SGMII接口，那么PHY只需要完成PMD的工作，ETSEC中的PCS由TBI完成，而PMA由CPU自带的Serdes模块完成。
3 BD表结构
在千兆以太网的驱动中，现在一般都使用一个叫BD表的东西来管理MAC层发送和接收的内存区域，如下图所示：
在IMMR映射的寄存器空间中有两组寄存器TBASEn和RBASEn，分别为TxBD Ringn 和 RxBD Ringn的指针。MPC8314的ETSEC允许有8个TxBD Ring和8个RxBD Ring，他们都存放在内存的某个区域中。每个Buffer Descriptor 都是有8个字节构成，两个字节的状态，两个字节的数据长度和四个字节的数据指针，这个指针指向内存的另一块地方，这才是真正存储发送接收数据的地方。Buffer Descriptor必须在网口初始化的时候初始化，并将自己的地址赋给TBASEn和RBASEn。
在网口驱动程序中可以看到，每个BD Ring中的BD数量是可变的（我们设为64），而他们之间并没有指针连接，只是一段连续的空间，顺序下来的，所谓的环只是一个虚拟的概念，在最后一个BD时，需要将BD状态位中的W位（Wrap）置一，表示这是最后一个BD，他的下一个BD就是第一个BD。如下图所示：
下面一节将结合uboot源码分析一下网口初始化以及PHY配置的过程，再下一节会分析内核中的驱动。为什么先说uboot，因为在我看来，驱动程序就是分为两个部分，1 按照Datasheet的说明去配置寄存器，2 添加符合操作系统规范去融入操作系统。在uboot下系统很简单，代码一目了然，所以我们应该在boot下先把寄存器配置好，再去分析复杂的多的内核代码
这节分析uboot中的网口驱动代码。
1 网口驱动函数列表
| 函数名 | 函数用途 |
| tsec_initialize() | 网口初始化函数 |
| tsec_init() | 网口启动函数 |
| tsec_local_mdio_write() | MDIO口写函数 |
| tsec_local_mdio_read() | MDIO口读函数 |
| tsec_send() | 网口发送函数 |
| tsec_recv() | 网口接收函数 |
| tsec_configure_serdes() | 配置TBI PHY的函数 |
| fsl_serdes_init() | Serdes模块初始化函数 |
| init_phy() | PHY初始化函数 |
| adjust_link() | 根据PHY状态配置MAC的函数 |
2 tsec_initialize()函数
该函数为ETSEC的初始化函数，在该函数中要初始化eth_device结构和私有的tsec_private结构，并初始化PHY。
int tsec_initialize(bd_t * bis, int index, char *devname)
{
struct eth_device *dev;
int i;
struct tsec_private *priv;
/*为dev分配空间*/
dev = (struct eth_device *)malloc(sizeof *dev);
if (NULL == dev)
return 0;
memset(dev, 0, sizeof *dev);
/*为priv分配空间*/
priv = (struct tsec_private *)malloc(sizeof(*priv));
if (NULL == priv)
return 0;
/*从tsec_info 数组中取合适的值去初始化私有结构tsec_private*/
privlist[num_tsecs++] = priv;
priv->regs = tsec_info[index].regs; //每个tsec寄存器的基址
priv->phyregs = tsec_info[index].miiregs; //PHY MDIO读写状态寄存器基址
/*TBI PHY的MDIO读写状态寄存器基址*/
priv->phyregs_sgmii = tsec_info[index].miiregs_sgmii;
priv->phyaddr = tsec_info[index].phyaddr; //PHY 地址
priv->flags = tsec_info[index].flags;
priv->ID = index;
/*使用将priv结构体挂到dev结构体下，挂载tsec的打开、关闭、发送、接收函数*/
sprintf(dev->name, tsec_info[index].devname);
dev->iobase = 0;
dev->priv = priv;
dev->init = tsec_init;
dev->halt = tsec_halt;
dev->send = tsec_send;
dev->recv = tsec_recv;
/*初始化IP地址*/
for (i = 0; i < 6; i++)
dev->enetaddr[i] = 0;
/*设置当前活跃的网口名相当于 set ethact eTSECn，将多个网口级联*/
eth_register(dev);
/* 通过设置MACCFG1寄存器重启 MAC */
priv->regs->maccfg1 |= MACCFG1_SOFT_RESET;
udelay(2); /* Soft Reset must be asserted for 3 TX clocks */
priv->regs->maccfg1 &= ~(MACCFG1_SOFT_RESET);
/*挂载MII口的读写函数*/
#if defined(CONFIG_MII) || defined(CONFIG_CMD_MII) /
&& !defined(BITBANGMII)
miiphy_register(dev->name, tsec_miiphy_read, tsec_miiphy_write);
#endif
/* 初始化PHY，并返回 */
return init_phy(dev);
}
3 init_phy()
static int init_phy(struct eth_device *dev)
{
struct tsec_private *priv = (struct tsec_private *)dev->priv;
struct phy_info *curphy;
volatile tsec_t *regs = priv->regs;
/*在TBIPA的寄存器中写入TBI PHY的地址*/
regs->tbipa = CONFIG_SYS_TBIPA_VALUE + priv->ID;
asm("sync");
/* 重启MII接口 */
priv->phyregs->miimcfg = MIIMCFG_RESET;
asm("sync");
priv->phyregs->miimcfg = MIIMCFG_INIT_VALUE;
asm("sync");
while (priv->phyregs->miimind & MIIMIND_BUSY) ;
/* 通过读PHY的2号3号寄存器获得该ETSEC外连的PHY的ID，搜索phy_info数组，找到符合ID的PHY信息返回。 */
curphy = get_phy_info(dev);
if (curphy == NULL)
{
priv->phyinfo = NULL;
printf("%s: No PHY found/n", dev->name);
return 0;
}
/*如果是SGMII的接口，需要使用TBI PHY，初始化TBI PHY，注意这里名字竟然叫serdes配置，Linux里面也这么叫，真是误人子弟啊。*/
if (regs->ecntrl & ECNTRL_SGMII_MODE)
tsec_configure_serdes(priv);
/*在符合条件的PHY的phy_info数组中调用其初始化配置函数*/
priv->phyinfo = curphy;
phy_run_commands(priv, priv->phyinfo->config);
return 1;
}
4 phy_info结构
Uboot中使用这个结构来完成phy的操作，所有的phy都要使用这个结构表示，下面是88E1111的phy_info结构：
struct phy_info phy_info_M88E1111S = {
0x01410cc, // PHY ID
"Marvell 88E1111S", // PHY名称
4,
(struct phy_cmd[])
{
/* 配置数组，在调用priv->phyinfo->config时将依次调用下面的内容，每个大括号内，第一个为PHY寄存器地址，第二个为value*/
/* Reset and configure the PHY */
{MIIM_CONTROL, MIIM_CONTROL_RESET, NULL},
/* Delay RGMII TX and RX */
{MIIM_GBIT_CONTROL, MIIM_GBIT_CONTROL_INIT, NULL},
{MIIM_ANAR, MIIM_ANAR_INIT, NULL},
{MIIM_CONTROL, MIIM_CONTROL_RESET, NULL},
{MIIM_CONTROL, MIIM_CONTROL_INIT, &mii_cr_init},
{miim_end,}
},
(struct phy_cmd[])
{
/* 启动数组，在ETSEC启动的时候要依次调用。 */
/* Status is read once to clear old link state */
{MIIM_STATUS, miim_read, NULL},
/* Auto-negotiate */
{MIIM_STATUS, miim_read, &mii_parse_sr},
/* Read the status */
{MIIM_88E1011_PHY_STATUS, miim_read, &mii_parse_88E1011_psr},
{miim_end,} },
(struct phy_cmd[])
{
/* shutdown */
{miim_end,}
},
};
需要注意的是，这个数组时uboot的源码中提供的，但是由于PHY与MAC之间接口使用的不同，这个数组中的内容需要根据需要，参考相应PHY的datasheet作出一定的修改。
5 tsec_init()
该函数不会在初始化的时候调用，它在每当你使用网口的时候被调用，使用网口，不管是ping，还是tftp。
int tsec_init(struct eth_device *dev, bd_t * bd)
{
uint tempval;
char tmpbuf[MAC_ADDR_LEN];
int i;
struct tsec_private *priv = (struct tsec_private *)dev->priv;
volatile tsec_t *regs = priv->regs;
/* 初始化MACCFG2和ECNTRL两个寄存器，这两个寄存器非常重要，它们主要是用来是配置MAC对PHY的接口。在这里先给个初始化的值，默认为GMII。*/
tsec_halt(dev);
regs->maccfg2 = MACCFG2_INIT_SETTINGS;
regs->ecntrl = ECNTRL_INIT_SETTINGS;
/* 配置MAC地址。 */
for (i = 0; i < MAC_ADDR_LEN; i++)
{
tmpbuf[MAC_ADDR_LEN - 1 - i] = dev->enetaddr[i];
}
tempval = (tmpbuf[0] << 24) | (tmpbuf[1] << 16) | (tmpbuf[2] << 8) |
tmpbuf[3];
regs->macstnaddr1 = tempval;
tempval = *((uint *) (tmpbuf + 4));
regs->macstnaddr2 = tempval;
/* reset the indices to zero */
rxIdx = 0;
txIdx = 0;
/* 清除其它的寄存器 */
init_registers(regs);
/* 启动tsec */
startup_tsec(dev);
/* If there's no link, fail */
return (priv->link ? 0 : -1);
}
6 startup_tsec()
static void startup_tsec(struct eth_device *dev)
{
int i;
struct tsec_private *priv = (struct tsec_private *)dev->priv;
volatile tsec_t *regs = priv->regs;
/* 初始化BD表基址指针 */
regs->tbase = (unsigned int)(&rtx.txbd[txIdx]);
regs->rbase = (unsigned int)(&rtx.rxbd[rxIdx]);
/* 初始化RX BD*/
for (i = 0; i < PKTBUFSRX; i++) {
rtx.rxbd[i].status =( RXBD_EMPTY | RXBD_INTERRUPT);
rtx.rxbd[i].length = 0;
rtx.rxbd[i].bufPtr = (uint) NetRxPackets[i];
}
rtx.rxbd[PKTBUFSRX - 1].status |= RXBD_WRAP;
/*初始化TX BD*/
for (i = 0; i < TX_BUF_CNT; i++) {
rtx.txbd[i].status = 0;
rtx.txbd[i].length = 0;
rtx.txbd[i].bufPtr = 0;
}
rtx.txbd[TX_BUF_CNT - 1].status |= TXBD_WRAP;
/*又要去找phy_info数组了，这次调用的是startup中的命令和函数*/
if(priv->phyinfo)
phy_run_commands(priv, priv->phyinfo->startup);
/*根据PHY的Copper侧值配置MAC寄存器*/
adjust_link(dev);
/* 使能MACCFG1中的发送接收使能 */
regs->maccfg1 |= (MACCFG1_RX_EN | MACCFG1_TX_EN);
/* 让DMA知道可以准备搬运了这里的DMA是ETSEC内部的，并不是CPU中的DMA单元。*/
regs->dmactrl |= DMACTRL_INIT_SETTINGS;
regs->tstat = TSTAT_CLEAR_THALT;
regs->dmactrl &= ~(DMACTRL_GRS | DMACTRL_GTS);
}
参照上面的phy_info数组的startup中的内容得知这里phy_run_commands(priv, priv->phyinfo->startup)要调用两个函数mii_parse_sr和mii_parse_88E1011_psr。
这两个函数主要是配置三个重要的priv结构体中的成员
priv->link
priv->speed
priv-> duplexity
分别是link状态，速率和双工。具体的代码就不分析了，主要是读PHY的Copper侧寄存器，然后根据寄存器的值去配置这三个成员，在后面的adjust_link函数中会根据这三个成员的值去配置MAC的MACCFG2和ECNTRL寄存器。
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