車載以太網(wǎng)基礎(chǔ)篇之Ethernet Driver

前言

首先，請(qǐng)問大家?guī)讉€(gè)小小問題，你清楚：

• 你知道Eth Driver模塊的主要作用是什么嗎？
• EthDriver與以太網(wǎng)控制器，以太網(wǎng)收發(fā)器，都有哪些關(guān)系呢？
• Eth Driver的常見函數(shù)接口有哪些呢？
• Eth Driver一般存在區(qū)別其他驅(qū)動(dòng)特有的特性呢？

今天，我們就來一起探索并回答這些問題。為了便于大家理解，以下是本文的主題大綱：

正文

正如前文《車載以太網(wǎng)基礎(chǔ)篇之EthIf》所述，Eth Driver將作為配置以太網(wǎng)的底層驅(qū)動(dòng)，不僅能夠被EthIf來進(jìn)行調(diào)用，同時(shí)能夠滿足Eth收發(fā)器驅(qū)動(dòng)的調(diào)用需求，因?yàn)橛斜匾钊肓私庀萝囕d以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)(Eth Driver)在整個(gè)AUTOSAR層級(jí)中所扮演的重要作用。

如下圖1所示，Ethernet If模塊不僅會(huì)直接控制Ethernet Driver，如果存在Ethernet Switch驅(qū)動(dòng)或者Ethernet Transiver驅(qū)動(dòng)時(shí)，那么就會(huì)間接控制Ethernet Driver模塊，總而言之，以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)不僅能夠完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的正常收發(fā)，同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)針對(duì)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)或者以太網(wǎng)收發(fā)器的直接配置。

AUTOSAR層次關(guān)系

按照AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)文檔規(guī)范，有關(guān)Eth Driver模塊在整個(gè)AUTOSAR軟件架構(gòu)的具體位置描述如下圖2所示：

如上圖所示，可以得出如下幾個(gè)基本結(jié)論：

• 一個(gè)以太網(wǎng)協(xié)議棧中可以存在多家供應(yīng)商的以太網(wǎng)控制器，同時(shí)針對(duì)每家供應(yīng)商的控制器進(jìn)行單獨(dú)控制，互不影響；
• 同一供應(yīng)商的以太網(wǎng)控制器可以存在多個(gè)，但使用的以太網(wǎng)控制器驅(qū)動(dòng)可以僅使用同一套；
• 上述三家不同供應(yīng)商的以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)作為標(biāo)準(zhǔn)AUTOSAR MCAL的一部分，能夠完全實(shí)現(xiàn)與底層硬件的解耦；

模塊主體功能

Eth Driver作為車載以太網(wǎng)協(xié)議棧最為重要的底層構(gòu)件，小T將帶領(lǐng)大家從以下幾個(gè)層面初步了解認(rèn)識(shí)以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)：

• 以太網(wǎng)各個(gè)不同驅(qū)動(dòng)內(nèi)部的索引關(guān)系如何設(shè)定？
• 以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)如何進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送；
• 以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)如何進(jìn)行數(shù)據(jù)接收；
• 以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)特性如QoS，硬件時(shí)間戳，Offloading都具備什么功能？
• 在以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)常見的通信協(xié)議如MDIO，DMA如何在驅(qū)動(dòng)中發(fā)揮作用？

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驅(qū)動(dòng)索引規(guī)則

如下圖3所示，每個(gè)以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)彼此都是獨(dú)立的，同時(shí)其索引編號(hào)是從0開始，但是每個(gè)驅(qū)動(dòng)內(nèi)部的bufidx均可以從0開始，彼此之間互不干擾。

數(shù)據(jù)發(fā)送過程

上層應(yīng)用如果需要通過Eth Driver將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，那么就需要通過EthIf模塊間接調(diào)用Eth Driver的發(fā)送函數(shù)Eth_Transmit來完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。

其中EthIf模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送功能分為兩者模式，一種是Polling模式，另外一種就是Interrupt模式，一般而言都優(yōu)先采用中斷模式來滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求。

如下圖4為Polling模式，在Polling模式中可以看到在EthIf_MainfunctionTx函數(shù)中會(huì)去輪詢是否發(fā)送成功的標(biāo)志，這個(gè)也是Polling模式的典型特征。

Polling模式

Interrupt模式

如下圖5所示為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送的中斷模式，中斷模式相比Polling模式可以看出并沒有使用到EthIf_MainfunctionTx函數(shù)，而是使用Eth模塊的中斷函數(shù)來確認(rèn)發(fā)送是否成功。

數(shù)據(jù)接收功能

同理相比數(shù)據(jù)發(fā)送功能，EthIf模塊的數(shù)據(jù)接收功能也可以分為Polling模式與中斷模式兩種，如下圖9所示為EthIf模塊的數(shù)據(jù)接收Polling模式。

如下圖6所示，如果EthIf模塊數(shù)據(jù)接收采用Polling模式，那么就需要使用到EthIf_MainfunctionRx函數(shù)，在該函數(shù)中去調(diào)用EthIf_RxIndication來告知上層數(shù)據(jù)已成功被接收，使用該模式會(huì)大大降低數(shù)據(jù)接收效率，一般接收優(yōu)先采用中斷模式。

Polling模式

Interrupt模式

如下圖7所示為EthIf模塊的數(shù)據(jù)接收中斷功能，在該模式中可以看到通過Eth模塊通過中斷函數(shù)來進(jìn)而告知上層數(shù)據(jù)已被接收。

驅(qū)動(dòng)特性簡介

以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)相比其他驅(qū)動(dòng)而言，存在很多諸多獨(dú)有的特性，小T將會(huì)帶領(lǐng)大家來了解這些特性，爭取對(duì)這些特性有個(gè)基本的認(rèn)識(shí)，以便我們對(duì)以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)有個(gè)較為全面的了解，應(yīng)用它時(shí)也會(huì)更加得心應(yīng)手。

以下列舉了以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)(網(wǎng)卡)常見的三種特性：Offloading 特性，硬件TimeStamp特性，QoS特性。

Offloading特性

“Offload"顧名思義表示卸載的意思，那么給誰卸載以及卸載什么呢？其實(shí)該特性存在的目的就是為了給CPU卸載，卸載的方式如將CRC計(jì)算交給硬件來做，或者分包組包的動(dòng)作也放在硬件中來處理，從而減小這部分在以太網(wǎng)協(xié)議棧中的占用時(shí)間，降低軟件運(yùn)行延遲造成的性能不足以及CPU loading過高等問題。

在AUTOSAR規(guī)范中針對(duì)以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)(Eth Driver)發(fā)送或者接收?qǐng)?bào)文的CRC進(jìn)行了Offloading的特別說明如下：

• 對(duì)于IPV4幀，如果EthCtrlEnableOffloadChecksumIPv4設(shè)置成TRUE，那么就可以O(shè)ffloading CRC；
• 對(duì)于ICMP幀，如果 EthCtrlEnableOffloadChecksumICMP設(shè)置成TRUE，那么就可以O(shè)ffloading CRC；
• 對(duì)于TCP幀，如果 EthCtrlEnableOffloadChecksumTCP 設(shè)置成TRUE，那么就可以O(shè)ffloading CRC；
• 對(duì)于UDP幀，如果 EthCtrlEnableOffloadChecksumUDP設(shè)置成TRUE，那么就可以O(shè)ffloading CRC；

值得注意的是這些CRC計(jì)算都僅會(huì)在硬件中完成，對(duì)于接收方而言，CRC校驗(yàn)檢測(cè)會(huì)通過硬件來完成，如果CRC校驗(yàn)不通過，那么就會(huì)丟棄該接收到的幀。

硬件TimeStamp特性

如之前文章《cantsyncc》與《StbM》所述，大家相比CAN時(shí)間同步有了一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)與了解，與CAN時(shí)間同步對(duì)比，以太網(wǎng)時(shí)間同步協(xié)議采用的IEEE1588或者IEEE802.1AS的PTP(Precise Time Protocal)協(xié)議，該協(xié)議需要確認(rèn)使用的網(wǎng)卡(MAC)是否本身支持。

該協(xié)議使用到通過底層硬件MAC來打上對(duì)應(yīng)的以太網(wǎng)報(bào)文收發(fā)的時(shí)間戳，能夠最大限度的降低軟件時(shí)間戳所帶來的不確定性，將時(shí)間同步精度能夠做到微秒甚至是納微秒級(jí)別。

AUTOSAR規(guī)范中定義的EthTsync模塊使用的是雙步端延時(shí)PTP時(shí)間同步協(xié)議，如下為基于該協(xié)議的Time Master與Time Slave兩者之間的交互關(guān)系，后期也會(huì)針對(duì)EthTsync模塊進(jìn)行單一講解，敬請(qǐng)關(guān)注。

如上圖8所示，如果是基于單步模式下的以太網(wǎng)端延時(shí)機(jī)制的PTP時(shí)間同步，那么虛線標(biāo)注的部分則不會(huì)有，如果是基于雙步模式下的以太網(wǎng)端延時(shí)機(jī)制的PTP時(shí)間同步，那么虛線標(biāo)注的部分必須要有。

值得注意的是在IEEE802.1AS存在一個(gè)GrandMaster概念，需要通過BMCA(Best Master Clock Algorithm)來實(shí)現(xiàn)，不過由于汽車內(nèi)部屬于靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)，因此只會(huì)存在唯一的GrandMaster，無需使用到BMCA動(dòng)態(tài)分配確認(rèn)算法。

以太網(wǎng)硬件實(shí)現(xiàn)PTP協(xié)議有如下兩種方式：

• 以太網(wǎng)MAC控制器支持PTP協(xié)議，常見雙步模式；
• 有些TI的PHY層也可以支持PTP，不過一般是單步模式，如果使用AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)的EthTsync模塊，要提前確認(rèn)是否支持雙步模式；

QoS特性

Qos是IEEE 802.1P協(xié)議，該協(xié)議運(yùn)行在以太網(wǎng)第二層，用來保證在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)擁堵時(shí)通過優(yōu)先級(jí)方式來保證重要的數(shù)據(jù)包能夠及時(shí)發(fā)送出去。

普通的以太網(wǎng)二層報(bào)文是不包含優(yōu)先級(jí)字段的，IEEE802.1P是IEEE802.1Q(VLAN標(biāo)簽技術(shù))標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)充技術(shù)，彼此之間協(xié)同工作，802.1Q雖然定義了標(biāo)簽字段，但是并沒有定義與使用優(yōu)先級(jí)，而使用802.1P協(xié)議補(bǔ)充之后便可以正常使用優(yōu)先級(jí)，正如IEEE 802.1P與IEEE802.1Q兩者協(xié)同定義的標(biāo)簽字段如下圖9所示：

以太網(wǎng)幀通過QoS特性來通過802.1Q標(biāo)簽中的802.1P用戶優(yōu)先級(jí)(COS)來進(jìn)行標(biāo)記，其優(yōu)先級(jí)具備8級(jí)，從優(yōu)先級(jí)0至優(yōu)先級(jí)7，如下圖10所示：

通訊協(xié)議介紹

在使用車載以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)的過程中，我們經(jīng)常性會(huì)碰到如下三種常見的通訊協(xié)議，這三種通訊協(xié)議對(duì)于車載以太網(wǎng)正常工作，非常重要：

• MII接口通訊協(xié)議，用于以太網(wǎng)MAC層與物理層收發(fā)器PHY之間的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議；
• MDIO通訊協(xié)議，用于以太網(wǎng)MAC層控制PHY的狀態(tài)設(shè)置與獲取協(xié)議；
• DMA通訊協(xié)議，用于以太網(wǎng)MAC層與CPU之間的數(shù)據(jù)搬運(yùn)通訊協(xié)議，提高數(shù)據(jù)搬運(yùn)效率，降低CPU負(fù)載；

MII接口通訊協(xié)議基礎(chǔ)介紹

MII接口時(shí)IEEE802.3定義的以太網(wǎng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)就是為了解決，以太網(wǎng)MAC層與PHY之間的兼容性，保證即使更換了不同類型的MAC，PHY始終能夠正常工作。

MII接口隨著技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，目前已經(jīng)衍生出了多種增強(qiáng)型MII接口，常用的就有MII，RMII，SMII，SSMII，SSSMII，GMII，RGMII，SGMII ，其中對(duì)于車載以太網(wǎng)最為常用的還是RGMII接口。

具體的通訊協(xié)議介紹不在本文中進(jìn)行展開，該接口的選擇只要軟件上MCAL配置使用對(duì)應(yīng)的MII接口類型，其余都是硬件行為，硬件上保證接口正常連接即可，如下圖11所示，介紹了MII接口在以太網(wǎng)硬件連接上的所處關(guān)系：

MDIO協(xié)議基礎(chǔ)介紹

首先，MDIO是Management Data Input/Output的縮寫，且該接口協(xié)議在IEEE802.3中也有所體現(xiàn)，是一種專門用于管理MAC與PHY之間的串口數(shù)據(jù)接口，基本功能如下：

• 讀取PHY相關(guān)寄存器的值；
• 獲取PHY的Link及其他工作狀態(tài)等；
• 設(shè)置對(duì)應(yīng)PHY的工作模式等；

除此之外，MDIO協(xié)議接口是一種實(shí)時(shí)，半雙工，串行的數(shù)據(jù)接口，由兩個(gè)線組成，一個(gè)叫做MDIO線，另外一根則是MDC線。

MDIO線負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸，MAC與PHY之間可以雙向傳輸，寫寄存器時(shí)由MAC驅(qū)動(dòng)，讀寄存器由PHY驅(qū)動(dòng)，先傳高位(MSB)，再傳低位(LSB)，且該P(yáng)in腳需要上拉1.5kΩ-10kΩ范圍內(nèi)的電阻。

MDC線負(fù)責(zé)傳遞時(shí)鐘同步信號(hào)，只能單向通過MAC驅(qū)動(dòng)，且只能在MDC上升沿對(duì)MDIO線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，該MDC允許最大的時(shí)間頻率一般都通過PHY決定。

一個(gè)MDIO接口可支持32個(gè)PHY地址，該接口有32個(gè)寄存器地址，其中前16個(gè)寄存器已經(jīng)在標(biāo)準(zhǔn)中定義，其余16個(gè)則有各個(gè)器件廠商自行定義。

根據(jù)IEEE802.3協(xié)議中將MDIO協(xié)議分為兩種幀格式，分別為Clause 22與Clause 45，其中Clause 22主要用于千兆以下的以太網(wǎng)PHY，而Clause 45則用于千兆以上的以太網(wǎng)PHY。

接下來就針對(duì)Clause 22與Clause 45兩者協(xié)議的基本使用與區(qū)別做個(gè)簡要說明：

Clause 22讀數(shù)據(jù)幀格式如下：

Clause 22寫數(shù)據(jù)幀格式如下：

Clause 45 地址幀格式如下：

Clause 45 讀數(shù)據(jù)幀格式如下：

Clause 45 寫數(shù)據(jù)幀格式如下：

如下圖17，小T根據(jù)上述Clause 22與Clause 45的幀格式定義，列舉了兩者之間的幀格式的定義說明以及區(qū)別聯(lián)系，這樣便于大家對(duì)兩者格式的使用有個(gè)基本認(rèn)識(shí)。

DMA協(xié)議基礎(chǔ)介紹

DMA協(xié)議對(duì)于使用過它的朋友而言，特別是做底層驅(qū)動(dòng)開發(fā)的朋友應(yīng)該不會(huì)陌生，DMA就是為了在不需要CPU干預(yù)的前提下來實(shí)現(xiàn)外設(shè)與內(nèi)存之間的搬運(yùn)或者內(nèi)存與內(nèi)存之間的搬運(yùn)，那么以太網(wǎng)DMA也是如此，就是為了實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)外設(shè)與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)交換。

本文不會(huì)對(duì)DMA協(xié)議本身做過多的解釋說明，旨在說明DMA在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)過程中如何起作用，通過如下的兩張圖來了解認(rèn)識(shí)DMA在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)過程中的用途。

以太網(wǎng)DMA發(fā)送

如下圖18所示，Tx ringbuffer作為DMA描述符，DMA在以太網(wǎng)發(fā)送過程中的作用表現(xiàn)：

以太網(wǎng)DMA接收

如下圖19所示，Tx Ringbuffer作為DMA描述符，DMA在以太網(wǎng)接收過程中的作用表現(xiàn)：

常用函數(shù)總結(jié)

為了便于大家更好的使用Eth Driver這個(gè)模塊，小T整理了關(guān)于車載以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)這部分常用的函數(shù)接口與功能說明，如下圖19所示：

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到了這里，關(guān)于車載以太網(wǎng)基礎(chǔ)篇之Eth Driver的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！