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(lái)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。

圖1 Ethernet Driver與其他以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)關(guān)系

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：

圖2 Eth Driver與以太網(wǎng)協(xié)議棧關(guān)系

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？

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。

圖3 Eth Driver索引關(guān)系

數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程

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

圖4 數(shù)據(jù)發(fā)送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(lái)確認(rèn)發(fā)送是否成功。

圖5 數(shù)據(jù)發(fā)送中斷模式

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(lái)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

圖6 數(shù)據(jù)接收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(guò)Eth模塊通過(guò)中斷函數(shù)來(lái)進(jìn)而告知上層數(shù)據(jù)已被接收。

圖7 數(shù)據(jù)接收中斷模式

驅(qū)動(dòng)特性簡(jiǎn)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(lái)了解這些特性，爭(zhēng)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(shuí)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(lái)做，或者分包組包的動(dòng)作也放在硬件中來(lái)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(guò)高等問(wèn)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(shuō)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(guò)硬件來(lái)完成，如果CRC校驗(yàn)不通過(guò)，那么就會(huì)丟棄該接收到的幀。

硬件TimeStamp特性

如之前文章《AUTOSAR基礎(chǔ)篇之CanTsyn》與《AUTOSAR基礎(chǔ)篇之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(guò)底層硬件MAC來(lái)打上對(duì)應(yīng)的以太網(wǎng)報(bào)文收發(fā)的時(shí)間戳，能夠最大限度地降低軟件時(shí)間戳所帶來(lái)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。

圖8 雙步以太網(wǎng)端延時(shí)機(jī)制PTP時(shí)間同步協(xié)議

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(guò)BMCA(Best Master Clock Algorithm)來(lái)實(shí)現(xiàn)，不過(guò)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(wú)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(guò)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(lái)保證在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)擁堵時(shí)通過(guò)優(yōu)先級(jí)方式來(lái)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：

圖9 IEEE802.1Q標(biāo)簽頭信息

以太網(wǎng)幀通過(guò)QoS特性來(lái)通過(guò)802.1Q標(biāo)簽中的802.1P用戶優(yōu)先級(jí)(COS)來(lái)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：

圖10 COS優(yōu)先級(jí)說(shuō)明

通訊協(xié)議介紹

在使用車載以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)的過(guò)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接口是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：

圖11 以太網(wǎng)MAC與PHY之間的MII物理連接示意圖

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)被稱為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Pin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(guò)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(guò)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(lái)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(jiǎn)要說(shuō)明：

Clause 22讀數(shù)據(jù)幀格式如下：

圖12 Clause 22 讀數(shù)據(jù)幀格式

Clause 22寫數(shù)據(jù)幀格式如下：

圖13 Clause 22 寫數(shù)據(jù)幀格式

Clause 45 地址幀格式如下：

圖14 Clause 45 地址幀格式

Clause 45 讀數(shù)據(jù)幀格式如下：

圖15 Clause 45 讀數(shù)據(jù)幀格式

Clause 45 寫數(shù)據(jù)幀格式如下：

圖16 Clause 45 寫數(shù)據(jù)幀格式

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(shuō)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)。

圖17 Clause 22與Clause 45幀格式區(qū)別與聯(lián)系

DMA協(xié)議基礎(chǔ)介紹

DMA協(xié)議對(duì)于使用過(guò)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(lái)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(guò)多的解釋說(shuō)明，旨在說(shuō)明DMA在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)過(guò)程中如何起作用，通過(guò)如下的兩張圖來(lái)了解認(rèn)識(shí)DMA在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)過(guò)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(guò)程中的作用表現(xiàn)：

圖18 以太網(wǎng)DMA發(fā)送過(guò)程

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(guò)程中的作用表現(xiàn)：

圖18 以太網(wǎng)DMA接收過(guò)程

常用函數(shù)總結(jié)

為了便于大家更好地使用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(shuō)明，如下圖19所示：

圖19 以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)常用函數(shù)接口

審核編輯：劉清