LINUX網路嵌入式裝置

 　　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。現在網路嵌入式裝置的功能越來越強大了，各晶片廠商的解決方案支援著這種複雜性。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泄密吧，寫得隨意一點。

　　1.一個網路晶片架構

　　大家應該看得出來，這是一個DSL晶片。其網路部分由一個switch core構成核心，對外有3個交換口(粉紅色的)：左側為乙太網路MAC，可外接乙太網路晶片MAC或PHY，稱為LAN端;右側為DSL的TPS子層，按照DSL標準傳輸ATM/PTM資料，成為WAN端;上面的是一個PDMA片級匯流排，與片上系統SoC通訊。

　　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用於擴充core外Mem;LTR和WTR是兩個轉換引擎，當LAN或WAN端的資料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，在資料包進入switch core前，先進行一個粗略的劃分，決定發往哪個連接埠。

　　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和一般乙太網路switch的區別，首先其連接埠類型就不同，所提供的功能也跟為複雜。

　　這裡給出一個簡單的乙太網路switch晶片的架構，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匯流排)，可以實現port-VLAN、二層filter等功能。其結構相對簡單，因為其所有連接埠都是乙太網路口。

　　用該晶片接在上述DSL晶片的LAN端，構成網路系統如下圖所示：

　　乙太網路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個硬體通道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，網路資料包不需要進入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與外界的互動方式

　　這裡的SoC系統主要功能有：與外界使用者的互動，解析使用者指令，配置系統。

　　解析指令對軟體系統來說很簡單，配置系統，前面也說了，主要是讀寫一些register，也很簡單。關鍵就在於與外界使用者互動。

　　很容易想到的一種方式是網路，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，通訊時並不需要MAC，這裡只是把自己偽裝成一個通用的乙太網路裝置，可以被switch core和外界PC識別。

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

　　呵呵，串連192.168.1.1實際就是去串連其內部的SoC，一般的交換器、路由器都是這樣的，而不是什麼連接埠。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，還有一個最常用的互動方式是串口UART。UART是一個非常簡單的I/O裝置，它通過直接讀寫管腳的電平訊號(串列的)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，不能用以實現複雜、可靠的功能，但用作嵌入式系統的調試方法卻非常有效。

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

　　硬體資源UART、虛擬層裝置tty都是系統的資源，在Uc/OS中，一般作為全域量，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)迴圈，不停地通過tty_get_line()讀取命令列。注意，該函數已經不是裸的硬體操作了，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)迴圈來作的。讀到電平為空白，則忽略，因為UART太簡單了，沒有中斷、緩衝機制等(沒有詳細區考究，只是粗略地瀏覽了一下代碼，好像是這樣的吧!)。

　　最後，外界使用者讀寫電平，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，儘管你可以把軟體寫得很出色。

　　傳統的PC機上電後，cpu核的指令指標(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儲存空間中，斷電也不會丟失。它們會調用我們開發的代碼(如作業系統軟體、或一些簡單的前背景程式)。

　　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。當然不同廠商的晶片，也有各自的方式特點，以公司的這款晶片來說(注意，這裡說的是晶片上整合的SoC子系統)，它有好幾種方式啟動。

　　首先，其晶片內整合了一個BootRom，它裡面的代碼(也就是二進位的門電路)是在晶片的一部分，即晶片生產出來就有的。晶片對外有個引腳(boot-mode_pin)，把它接低，則晶片上電後的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，從網路上下載OS的核心到記憶體中來運行。這就是所謂的網路無盤系統的工作方式。

　　不過現在好像這種方式用的少了，儲存空間便宜啊。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上的硬碟類似，是差不多，有點區別。PC上電後先執行BIOS，由BIOS裝載硬碟的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物理定址空間，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的地址匯流排和flash的SPI匯流排的特殊的電路串連方式決定的，呵呵，電子出身的應該不難理解。而且，有些晶片還提高一些外部引腳pin，來為地址線加上一個offset(比如1M)，那麼兩個處理晶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檔案，公司的網路系統，需要一個啟動設定檔，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，複雜一點，也可以做成檔案系統fs，如嵌入式linux。主要包括一些設定檔，log資訊檔。最重要的是IMAGE檔案，一般要被載入到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，會用特定的硬體工具廠商提供的一個初始的檔案(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中準備兩個image，板子上預留一個特殊的案例，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體支援，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乙太網路上，乙太網路事先有資料轉送時，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把資料寫到flash中不就行了。一般用http服務，client會post一個image檔案上來，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

　　前面提到的公司晶片解決方案，SoC子系統的功能很有限，通訊資料包一般不會到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體，如Linux。

　　這是一塊單獨的晶片，而其幾乎包含了一個完整的PC機主板上的所有內容，CPU的功能還是很強勁了，670MHz的MIPS核，通過橋片串連資料匯流排。這裡的sys_bus差不多相當於PC中的PCI匯流排，諸如USB控制器等都掛在其下。這裡主要看一下網路裝置，主要有兩個，一個802.11n標準的WLAN收發器，一個4FE+2GE的乙太網路交換器。

　　和之前介紹的DSL晶片不同，他的兩個網路介面都是接在系統匯流排上，而沒有通過一個switch-core互動。因此，CPU內必須維護一個功能完整的協議棧，而且SWC往往也被虛擬化為wan和lan口，參見下面的結構圖：

　　首先，先明確一個概念，在統計網路裝置的連接埠數，不要忘了還有一個連接埠串連CPU的。比如，SWC對外有4FE+2GE，而實際上它還有第七個連接埠串連到CPU。然後就能理解有些資料轉送只在這些只能得網路裝置中完成了，而有些則需要進入CPU的協議棧。更準確的概念應該是，片內CPU系統也相當於一個PC，共同接在交換裝置上。

　　這裡比較特殊的是這個SWC裝置，照理它的所有連接埠應該是等價的，所處網段也相同，但通過VLAN技術，把3、4、CPU連接埠化為一個VLAN，而5、CPU化為另一個VLAN，這是SWC硬體支援的port-mapping，它能只允許同一個VLAN下的機器通訊。這裡就有一個特殊的CPU連接埠，它同屬於兩個VLAN，稱為trunk，SWC硬體在trunk口下收發資料時，必須帶有vlan_tag(802.1q)。在CPU系統內，因為物理通路只有一個，只能通過軟體的方式來實現VLAN的劃分(如Linux下的VLAN)。另外，一般把wlan掛在LAN內，所以在Linux中可以用一個虛擬Bridge裝置來串連這兩個裝置。下面來看幾種資料交換的途徑：

　　3、4間通訊，在PC機發起的ARP協議階段，SWC也學習並記錄了MAC表，SWC可以直接交換。

　　1、2間通訊，也像ethernet交換器那樣，直接在wlan裝置中交換嗎?沒研究過wlan協議啊，姑且這樣認為吧。

　　3、1間通訊，是同一網段的，DMAC為PC1的MAC地址，在SWC中會將它從CPU連接埠發出去，當然會加上lan_vlan-tag，因此會被netdev_eth裝置接收到，而該裝置已經變成了bridge裝置的一個連接埠，因此bridge裝置會接管該pkt，並根據MAC表，從netdev_wlan裝置(已經是連接埠啦)發出，wlan裝置受到pkt後，根據802.11n協議，發給對應的PC。

　　5和其它通訊，不管是3、4還是1、2，都是不同網段，因此在PC的路由系統中，會將資料發往gw-IP2，即pkt的DMAC為片上CPU的MAC，那麼在SWC中會將pkt從CPU連接埠發出去，當然會打上wan_vlan-tag，因此會被netdev_eth-vlan裝置接收，並進入片上CPU系統的協議棧(注意，之前的3種情況都不會進的)。此時片上CPU系統就充當了路由功能，選擇bridge裝置下發，bridge裝置中根據MAC選擇對應連接埠下發。

　　其它向5通訊，和上面一樣，只是方向反過來。

　　片上CPU系統自身也有MAC、IP(192.168.1.1)，外部PC發送資料，通過wlan、swc裝置到達CPU系統的interface，interface發現是發給自己的，則會傳遞給上層協議棧。

　　當然這裡只是最基本的情況，現在的路由器裝置已經整合了非常多的功能，如DHCP、NAT、DNS等等。