QNX操作系統的網絡交換機驅動設計

◆傅遷

（遼寧廣播電視大學丹東分校 遼寧 118000）

隨著持續的智能化電力系統不斷發展，對自動化設備的通信技術提出了更高的要求。在要求穩定可靠的通信同時，它還需要盡可能多的網絡接口以及冗余的通信接口。傳統的通信中，模塊通常使用特定于CPU 的MAC 控制器以及獨立的PHY 來進行網絡通信。受到資源的桎梏，CPU 通常僅設計有兩個MAC 控制器，從而對擴展通信網絡的端口產生了限制。通過網絡交換芯片的88e6060 來設計具有五個或更多網絡端口的通信模塊比較容易，并且可以最大限度地滿足。電源系統關于通信的要求。

1 QNX 系統概述

QNX 是一種類似于UNIX 的操作系統，也是實時的分布式操作系統。它通過特定微內核的結構，可以通過內核來、進程通信、底層的網絡通信以及中斷處理，所以具有較小的內核以及較快的運行速度。把內核中存儲的地址空間和文件系統、網絡協議、應用程序以及驅動程序中存儲的地址空間分開。應用程序難以對內核的空間進行直接的訪問。由于此類微內核的結構較為封閉，外部模塊故障對內核不能造成影響，大幅度地提升了系統的穩定性。此外，QNX 支持擴展以及調整，并且可以根據用戶需求對各種功能的模塊進行定制，以開發靈活的嵌入式模塊。

2 QNX操作系統的網絡交換機驅動設計的原理

通信模塊通過AM3352 作為主控制的CPU。這是在ARM Cortex-A8 內核的微處理器基礎上，支持720MHz 的高主頻率，具有1600 DMIPS 的高計算能力，并且外圍的接口較為豐富?？梢耘cDDR3結合使用以支持NAND 閃存以及eMM 的高容量。圖1 顯示了CPU和交換芯片之間連接情況。交換芯片是10/100 BaseT 的網絡收發器。端口P5 可以設計為以MII-PHY 模式連接到CPU。P0 到P4 可以與錄波器、DCS、信息子系統站以及其他網絡進行通信。

圖1 CPU 和交換芯片之間連接情況

3 QNX操作系統網絡交換機驅動程序設計

3.1 QNX 基礎上網絡驅動程序的層次結構

QNX 網絡模塊的實際使用分層的機構。網絡設備的驅動程序模塊位于最低級別，受到io-pkt 的管理以及調度，需要將數據的發送、傳遞以及接收情況向io-pkt 報告。中間層作為頂層以及底層之間搭建的數據橋，并為協議模塊提供較為一致的接口。頂層的資源管理器允許Socket API 調用的read、write 以及open 以及其他函數。利用讀取應用程序層將數據發送給io-pkt，并利用read 的應用程序層將源于io-pkt 的數據進行接收，利用write 這一應用層將數據發送給io-pkt，而io-pkt 用于進行UDP、TCP、IP 這類的網絡傳輸協議。

3.2 QNX 中網絡交換機驅動的方法以及原理

3.2.1 初始化模塊的設計

初始化模塊映射寄存器的地址空間，對寄存器進行配置，并向系統提供寄存器的中斷處理、數據包接收以及數據包發送等功能。這使系統能夠識別網絡設備，可以與網絡通信。最后，使用io-pkt 對數據包發送、接收進行調用。程序先要清除TX_HDP 以及RX_HDP，把CPPI 空間的前4KB 分給接收隊列的描述字Rx_Descriptors，并將最后4KB 空間用于發送隊列的描述字Tx_Descriptors。 Rx_Descriptors是使用以下結構界定的數組。它的Next 指向接下來的Rx_Descriptor，其Buffer 指向存儲數據主體儲存的RAM 空間，off_len 將有效數據的長度存儲在Buffer 中。flag_len 對數據包的有效長度以及緩沖區的狀態信息進行存儲。

為Rx_Descriptor 建立單一方向的鏈接列表，以便RX_HDP 能指向鏈接的列表開頭。列表詳見圖2。

圖2 接收隊列鏈表圖

建立隊列的描述表之后，驅動程序必須調用設備的函數dev_attach，以將網絡設備 dev 分配給每個端口。必須為結構iopkt_inter 對中斷使能函數以及中斷處理的函數進行定義，并最終在io-pkt 中注冊名為ether_ifattach、if_attach 以及interrupt_entry_init 的函數。

將IP 地址對MAC 地址進行映射，實現網絡中網絡設備的MAC地址是唯一的。初始化的程序進行配置文件的讀取，并得到每個網絡設備具有的IP 地址。接下來，將MAC[3：0]調整成IP[3:0]，以對網絡設備的IP 地址以及MAC 地址進行同步。

在正常工作中，電網通信的特征大體是流量較小，但突發的流量大。通過網絡發送具有各種特征的數據包會產生各種的流量特點。不正確的網絡配置可能導致不正確的數據包傳輸、網絡風暴以及網絡通信系統運行異常。所以，通信設備需要一項功能，可以抵御網絡的風暴。所以，能夠將AM335X 的INT_CONTROL 以及RX_IMAX 寄存器配置為限制每毫秒可接收到的中斷數?？梢钥刂瓢l生風暴時消耗的系統資源，并在風暴消失之后對通信的功能進行快速地恢復。

下一步要對DMA 引擎進行配置，打開DMA 的發送以及接收使能，并中斷使能DMA 中。最后，利用SMI 配置交換機的芯片，并將PHY 配置為自動協商操作的全雙工速率這一模式。為了實現網絡通信具有多個的網絡端口，應根據表1 對交換機路由表進行配置。

表1 VLANTable 的設置情況

配置成功之后，便呈現圖3 中連接情況。P0 至P4 與P5 是雙向的連接狀態。P0-P4 的接口收到源于外部的請求之后，經由P5 接口將這些數據傳輸到CPU，CPU 完成處理后，P5 接口把數據傳輸到請求的端口。

圖3 路由圖的連接情況

3.2.2 中斷處理的設計

在網絡數據到達的時候，DMA 控制器將數據放置在外部的緩沖區中，并且CPU 對Rx_descriptor 中的flag_len、off_len 以及Buffer區域進行更新。此外，中斷控制器生成一個中斷的信號，然后io-pkt對該中斷進行接管，并間接地調用驅動程序中的函數process_interrupt。使用函數process_interrupt 調對函數Receive=進行調用，并完成數據的接收。

3.2.3 接收數據的設計

接收函數利用接收隊列的描述字，進而得到有效的數據長度，并使用該長度來對接收到的mbuf 數據鏈的mlen 以及m_pkthdr.len 域進行更新。利用RMMI 從P5 接口接收的數據是帶有標記的幀，在尾部帶有4 字節的定制標簽，進而在將數據發送給io-pkt 之前必須刪除其標簽。在mlen 上執行減號4 的運算，同時通知源于哪個網絡接口的io-pkt 數據。標記幀的定制標簽的DPV[5：0]指示數據所源自的端口?？梢允褂肈PV[5：0]對與網絡設備dev 有關的common_ecom[]的數組成員進行確定。對網絡接口ifnet 進行確定并將ifnet 參數在ip_input中傳遞，所以io-pkt 明白數據來自的網絡接口以及響應數據將到達的網絡接口。

3.2.4 發送數據的設計

啟動iif_start 這一分組傳輸的函數需要經過io-pkt，并將響應數據發給有關相的網絡接口。因為P5 接口設計為egress trailer 的模式，所以驅動程序必須在響應數據的末尾之處添加一個tailer 標簽，具體為4 字節。所以，數據區域m3 通過m_get 函數對數據區m3 進行分配，用于tailer 標簽的存儲。可以經由if_start 函數中ifnet 這一參數，確定其網絡的設備。網絡設備當中，device_index 成對設備的ID 進行存儲，設備 ID 是數據發送到的端口序號。將 1 向左移動device_index 位之后，然后將其寫入m3 中的m_data 數據成員中。要告知88e6060 將數據發送到何處，把m3 與m2 的末尾進行鏈接，進而創建鏈接列表。由于添加了tailer 標簽（大小為4 個字節），需要將成員m1 當中的m_pkthdr.len 一直增加到4。最后，對發送隊列的描述字進行更新，將發送隊列描述字的起始地址寫入TX_HDP，并啟動TXDMA 進行數據的發送。

4 結語

交換芯片88e6060 允許輕松、方便地對網絡的接口進行擴展，以實現電力系統中自動化設備具有多個通信端口。88e6060 設計的通信模塊已完成實際測試。它的網絡通信穩定、可靠并且能對抗網絡的風暴。將其用在電力系統領域，可以確保電力系統的性能穩定。