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网络时钟RTL8019AS的同步工作流程

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发布：2011-5-16

ledsup-083a用的网络芯片是rtl8019as，但是在移植u-boot到开发板的时候，网络的移植出了一点问题。所以想看看rtl8019as这个网卡是如何工作的，很不幸的是，正如网络上很多人说的那样，rtl8019的文档及其的烂，真的不是一般的烂。基本上看过它的文档，跟没看过没什么区别。现将网络同步时钟的网卡工作过程详细讲述一下。

rtl8019as网卡的功能：

一句话来说，网卡所完成的功能就是收发数据。

接收功能：从网络上接收数据，然后存储于网卡内部的RAM(本网卡为16KB)中，然后触发中断，通知CPU来取走数据。
发送功能：CPU发送的数据被复制到网卡内部的RAM中，然后网卡自主的在网络上发送这些数据。

由此可见，对于程序员来说，网卡其实就是一片内存区域。程序员对网卡的操作实际上可以认为是对内存的读写操作。当网络上有数据传来时，LED时钟网卡存储这些数据到内存，并通知CPU到内存的相应位置取相应大小的数据。当时钟CPU想向网络上传输数据时，只需要将数据写入网卡的内存，然后给网卡一个”发送”命令即可。就是这么简单。

很明显的，网络数据是一个层次性很强的东西，OSI就规定了网络的7层协议,TCP/IP规定了5层协议，从数据上来说，tcp帧作为IP帧的数据被打包进IP帧，而IP帧又作为以太网帧的数据被打包进以太网帧。如上所述，CPU跟网卡的交互就是数据的读和写”数据”,但是，这个数据到底是什么数据呢？我们该怎么理解从同步时钟的网卡中接收到的二进制数据呢?我应该认为它是一帧IP帧，还是一帧以太网帧呢？我们写内存来发送数据，那么，我们发送的应该是什么格式的数据呢？我们是打包成IP数据，还是需要打包成以太网数据呢？接收和发送的数据的帧格式并不一样，如下图所示：

由上图可见，LED电子时钟只需要将如上图所示的IP帧写入RAM中，其余的就叫给网卡去办就可以了。而接收的数据，其实是一个修改过了的IP帧，整体还是在IP这个层次上。由此可见，对于网络数据，应用层程序只需要处理到IP层，将数据打包成变形的IP帧即可。至于将IP帧打包成以太网帧然后在网络上传输，这些功能都是时钟网卡自己完成的。接收数据也是一样，从网卡的RAM中接收到的数据就是变形的IP帧，至于底层的物理链路数据和以太帧的解析，这些都是网卡完成的。也就是说，IP层以下的处理，对于程序员来说，是透明的。

时钟网络组件联网同步芯片RTL8019AS寄存器介绍：
1、rtl8019as的工作机制以及原理：
网络时钟接收：rtl8019as的RAM是一个循环RAM空间，当网卡从网络上接收到数据后，会按照RAM地址从小到大依次存放接收到的数据。但是RAM的空间只有16K，而且，有一部分还是划为用来做发送缓存，另外的那一部分才是用来做接收缓存的。当网络上的数据超过了缓存的大小怎么办呢？这里就需要介绍一些，rtl8019as的RAM是一种循环RAM，所谓循环RAM，比如说用来做接收缓存的RAM的页是从50页～80页，接收的数据从第50页开始存放，一直存放到第80页。当接收的数据过多，超过了上限的第80页时，再接收到的数据就会重新从第50页开始依次从低到高存放！当然，时钟CPU也在同时的从RAM中读取走数据，所以只要安排得当，采用循环RAM，还是有可能不会将原先的数据冲掉的。而且RAM的利用率将会得到提高。那么怎么样才叫安排得当呢？在实际的机制中，引入了CURR和BNRY这两个”指针”(两个实际的寄存器)。这两个寄存器都是存放的RAM的页地址(rtl8019as也是以页为单位存储的)CURR表示如果网卡接收到了数据，应该从CURR页开始存放。而且这个CURR寄存器的值是网卡自动为它赋值的，每填满一个页，CURR寄存器的值就增加1，表示下一次有数据来的时候从下一个页开始存放。BNRY表示，CPU已经从RAM中接收的数据，到BNRY页为止，就是BNRY+1页的数据还没有被CPU取走。CPU下来再来取数据的时候就应该从BNRY+1页来取数据。那么可以想见，当网卡从网络上接收到数据，已经超过了接收缓冲的上限，重新从下限开始存放的时候，只要我不存放到超过BNRY页，都是不会引起将原来被有被CPU取走的数据覆盖的，不是么？正是这样。这真是一个很好的方法啊。
网络时钟发送：相对于接收，发送功能就要简单一点了。应用程序只需要将数据写入到RAM中，想网卡发出发送命令即可完成数据向网络的发送了(置RD2,RD1,RD0的值为011即可)，当网口通知CPU有数据到来，或者CPU检测到RAM中有数据需要读取的时候，设置两个地址值RSAR和RBCR。RSAR0,1：要读取的数据的起始地址，RBCR0,1：要读取的数据的大小(可以以字节为单位)，然后我们从数据寄存器中读取数据，每读取一次，数据寄存器中所指向的地址就会增加1。其寄存器变化原理图如下：

2、CR的位定义如下：
时钟内部寄存器7，6bit是用来选寄存器的页的，设置完之后，对01～20的寄存器的操作
设置5-3bit位下列值时有不同的功能：
设置RD2RD1RD0=000->表示启动网卡的remote读功能，此时可以从BNRY开始通过DMA从RAM中读出数据
设置RD2RD1RD0=010->表示启动网卡的remote写功能，此时可以从TPSR开始通过DMA写入数据到RAM中去
设置RD2RD1RD0=100->表示启动网卡的向外传输数据功能，当bit2被置位，则网卡启动传输，开始向网络传输
具体如下图：

3、RSR:接收状态寄存器

4、RCR：接受配置寄存器

了解网卡的工作流程，分析分析驱动程序是再好不过的方式了。

网上流传的rtl8019as的驱动还是比较多版本的，这里用的是U-boot-1.1.6中的rtl8019as的驱动:

//定义Page的地址

#define RTL8019_REG_00 (RTL8019_BASE + 0x00<<1)

#define RTL8019_REG_01 (RTL8019_BASE + 0x01<<1)

#define RTL8019_REG_02 (RTL8019_BASE + 0x02<<1)

#define RTL8019_REG_03 (RTL8019_BASE + 0x03<<1)

#define RTL8019_REG_04 (RTL8019_BASE + 0x04<<1)

#define RTL8019_REG_05 (RTL8019_BASE + 0x05<<1)

#define RTL8019_REG_06 (RTL8019_BASE + 0x06<<1)

#define RTL8019_REG_07 (RTL8019_BASE + 0x07<<1)

#define RTL8019_REG_08 (RTL8019_BASE + 0x08<<1)

#define RTL8019_REG_09 (RTL8019_BASE + 0x09<<1)

#define RTL8019_REG_0a (RTL8019_BASE + 0x0a<<1)

#define RTL8019_REG_0b (RTL8019_BASE + 0x0b<<1)

#define RTL8019_REG_0c (RTL8019_BASE + 0x0c<<1)

#define RTL8019_REG_0d (RTL8019_BASE + 0x0d<<1)

#define RTL8019_REG_0e (RTL8019_BASE + 0x0e<<1)

#define RTL8019_REG_0f (RTL8019_BASE + 0x0f<<1)

#define RTL8019_REG_10 (RTL8019_BASE + 0x10<<1)

#define RTL8019_REG_1f (RTL8019_BASE + 0x1f<<1)

//将物理寄存器映射为各种功能寄存器，方便理解

#define RTL8019_COMMAND RTL8019_REG_00 //CR寄存器

#define RTL8019_PAGESTART RTL8019_REG_01 //接收缓冲启始位置

#define RTL8019_PAGESTOP RTL8019_REG_02 //接收缓冲结束位置

#define RTL8019_BOUNDARY RTL8019_REG_03 //Boundary寄存器

#define RTL8019_TRANSMITSTATUS RTL8019_REG_04 //传输状态寄存器

#define RTL8019_TRANSMITPAGE RTL8019_REG_04 //传输开始page

#define RTL8019_TRANSMITBYTECOUNT0 RTL8019_REG_05 //传输字节数低8位

#define RTL8019_NCR RTL8019_REG_05 //冲突次数

#define RTL8019_TRANSMITBYTECOUNT1 RTL8019_REG_06 //传输字节数高8位

#define RTL8019_INTERRUPTSTATUS RTL8019_REG_07 //中断状态寄存器

#define RTL8019_CURRENT RTL8019_REG_07 //CURRENT寄存器

#define RTL8019_REMOTESTARTADDRESS0 RTL8019_REG_08 //接收数据起始地址低8位

#define RTL8019_CRDMA0 RTL8019_REG_08

#define RTL8019_REMOTESTARTADDRESS1 RTL8019_REG_09 //接收数据起始地址高8位

#define RTL8019_CRDMA1 RTL8019_REG_09

#define RTL8019_REMOTEBYTECOUNT0 RTL8019_REG_0a //接收数据字节大小低8位

#define RTL8019_REMOTEBYTECOUNT1 RTL8019_REG_0b //接收数据字节大小高8位

#define RTL8019_RECEIVESTATUS RTL8019_REG_0c //接收状态寄存器

#define RTL8019_RECEIVECONFIGURATION RTL8019_REG_0c //接收配置寄存器

#define RTL8019_TRANSMITCONFIGURATION RTL8019_REG_0d //发送接收寄存器

#define RTL8019_FAE_TALLY RTL8019_REG_0d

#define RTL8019_DATACONFIGURATION RTL8019_REG_0e //数据配置寄存器

#define RTL8019_CRC_TALLY RTL8019_REG_0e

#define RTL8019_INTERRUPTMASK RTL8019_REG_0f //中断屏蔽寄存器

#define RTL8019_MISS_PKT_TALLY RTL8019_REG_0f

#define RTL8019_PHYSICALADDRESS0 RTL8019_REG_01 //MAC地址0

#define RTL8019_PHYSICALADDRESS1 RTL8019_REG_02

#define RTL8019_PHYSICALADDRESS2 RTL8019_REG_03

#define RTL8019_PHYSICALADDRESS3 RTL8019_REG_04

#define RTL8019_PHYSICALADDRESS4 RTL8019_REG_05

#define RTL8019_PHYSICALADDRESS5 RTL8019_REG_06

#define RTL8019_MULTIADDRESS0 RTL8019_REG_08 //多播地址配置

#define RTL8019_MULTIADDRESS1 RTL8019_REG_09

#define RTL8019_MULTIADDRESS2 RTL8019_REG_0a

#define RTL8019_MULTIADDRESS3 RTL8019_REG_0b

#define RTL8019_MULTIADDRESS4 RTL8019_REG_0c

#define RTL8019_MULTIADDRESS5 RTL8019_REG_0d

#define RTL8019_MULTIADDRESS6 RTL8019_REG_0e

#define RTL8019_MULTIADDRESS7 RTL8019_REG_0f

#define RTL8019_DMA_DATA RTL8019_REG_10 //DMA传输寄存器(读出/写入)

#define RTL8019_RESET RTL8019_REG_1f //NIC复位寄存器

//定义一些用来设置寄存器的值

#define RTL8019_PAGE0 0x22 //0010 0010

#define RTL8019_PAGE1 0x62 //0110 0010

#define RTL8019_PAGE0DMAWRITE 0x12 //0001 0010

#define RTL8019_PAGE2DMAWRITE 0x92 //1001 0010

#define RTL8019_REMOTEDMAWR 0x12 //0001 0010

#define RTL8019_REMOTEDMARD 0x0A //0000 1010

#define RTL8019_ABORTDMAWR 0x32 //0011 0010

#define RTL8019_ABORTDMARD 0x2A //0010 1010

#define RTL8019_PAGE0STOP 0x21 //0010 0001

#define RTL8019_PAGE1STOP 0x61 //0110 0001

#define RTL8019_TRANSMIT 0x26 //0010 0110

#define RTL8019_TXINPROGRESS 0x04 //0000 0100

#define RTL8019_SEND 0x1A //0001 1010

#define RTL8019_PSTART 0x4c //0100 1100

#define RTL8019_PSTOP 0x80 //1000 0000

#define RTL8019_TPSTART 0x40 //0100 0000

static void eth_reset (void)

{

unsigned char ucTemp;

/* reset NIC */

//向reset寄存器中写入任何值就可以完成NIC的reset

ucTemp = get_reg (RTL8019_RESET);

put_reg (RTL8019_RESET, ucTemp);

//清除所有的中断位

put_reg (RTL8019_INTERRUPTSTATUS, 0xff);

udelay (2000); /* wait for 2ms */

}

int eth_init (bd_t * bd)

{

//初始化NIC

eth_reset ();

put_reg (RTL8019_COMMAND, RTL8019_PAGE0STOP);//选择page0,停机状态

put_reg (RTL8019_DATACONFIGURATION, 0x48);//设置为loopback模式，且DMA为8位模式

put_reg (RTL8019_REMOTEBYTECOUNT0, 0x00);//清除接收数据寄存器

put_reg (RTL8019_REMOTEBYTECOUNT1, 0x00);

put_reg (RTL8019_RECEIVECONFIGURATION, 0x00); //瞎写

put_reg (RTL8019_TRANSMITPAGE, RTL8019_TPSTART);//传输起始page设为Page40

put_reg (RTL8019_TRANSMITCONFIGURATION, 0x02);//传输配置，loopback模式(跟DCR配对，均需设置)

put_reg (RTL8019_PAGESTART, RTL8019_PSTART);//接收数据起始page设置为Page4c

put_reg (RTL8019_BOUNDARY, RTL8019_PSTART);//Boundary初始化为page4c

put_reg (RTL8019_PAGESTOP, RTL8019_PSTOP);//接收数据边界页为Page80

put_reg (RTL8019_INTERRUPTSTATUS, 0xff);//清除所有中断寄存位

put_reg (RTL8019_INTERRUPTMASK, 0x11); //只允许第0位和第4位中断

put_reg (RTL8019_COMMAND, RTL8019_PAGE1STOP);//选择page1,停机状态

put_reg (RTL8019_PHYSICALADDRESS0, bd->bi_enetaddr[0]);//设置MAC地址

put_reg (RTL8019_PHYSICALADDRESS1, bd->bi_enetaddr[1]);

put_reg (RTL8019_PHYSICALADDRESS2, bd->bi_enetaddr[2]);

put_reg (RTL8019_PHYSICALADDRESS3, bd->bi_enetaddr[3]);

put_reg (RTL8019_PHYSICALADDRESS4, bd->bi_enetaddr[4]);

put_reg (RTL8019_PHYSICALADDRESS5, bd->bi_enetaddr[5]);

put_reg (RTL8019_MULTIADDRESS0, 0x00);//设置多播地址(设置的值是什么意思呢？？)

put_reg (RTL8019_MULTIADDRESS1, 0x00);

put_reg (RTL8019_MULTIADDRESS2, 0x00);

put_reg (RTL8019_MULTIADDRESS3, 0x00);

put_reg (RTL8019_MULTIADDRESS4, 0x00);

put_reg (RTL8019_MULTIADDRESS5, 0x00);

put_reg (RTL8019_MULTIADDRESS6, 0x00);

put_reg (RTL8019_MULTIADDRESS7, 0x00);

put_reg (RTL8019_CURRENT, RTL8019_PSTART);//设置CURRENT寄存器为Page4c

put_reg (RTL8019_COMMAND, RTL8019_PAGE0);//选择Page0,且NIC开机(处于开机状态，使其能够接收数据)

put_reg (RTL8019_TRANSMITCONFIGURATION, 0xe0);//设置传输模式为1110 0000

//正常模式(非loopback模式),CRC使能

return 0;

}

static unsigned char nic_to_pc (void)

{//返回接收操作完成之后的CURRENT寄存器值

//该函数完成的功能是从boundary寄存器中存储的地址开始接收一帧的数据

unsigned char rec_head_status;

unsigned char next_packet_pointer;

unsigned char packet_length0;

unsigned char packet_length1;

unsigned short rxlen = 0;

unsigned int i = 4;

unsigned char current_point;

unsigned char *addr;

* The RTL8019's first 4B is packet status,page of next packet

* and packet length(2B).So we receive the fist 4B.

//rtl8019as的帧的头4Byte如上所述：

//第一字节为status

//第二字节为下一个帧的起始Page

//第3,4字节为本帧的长度，以字节为单位

put_reg (RTL8019_REMOTESTARTADDRESS1, get_reg (RTL8019_BOUNDARY));

put_reg (RTL8019_REMOTESTARTADDRESS0, 0x00);//因为实际接收地址是boundary<<8,所以低8位地址恒定为0

put_reg (RTL8019_REMOTEBYTECOUNT1, 0x00);

put_reg (RTL8019_REMOTEBYTECOUNT0, 0x04);//从接收缓冲区中接收4字节的数据

put_reg (RTL8019_COMMAND, RTL8019_REMOTEDMARD);//在CR中设置接收位为001(Remote Read)

rec_head_status = get_reg (RTL8019_DMA_DATA);//读第一个字节

next_packet_pointer = get_reg (RTL8019_DMA_DATA);//读第二个字节

packet_length0 = get_reg (RTL8019_DMA_DATA);//第三个字节

packet_length1 = get_reg (RTL8019_DMA_DATA);//第四个字节

put_reg (RTL8019_COMMAND, RTL8019_PAGE0);//设置CR为Page0

/*Packet length is in two 8bit registers */

rxlen = packet_length1;

rxlen = (((rxlen < < 8) & 0xff00) + packet_length0);

rxlen -= 4;

if (rxlen > PKTSIZE_ALIGN + PKTALIGN)

printf ("packet too big!\n");

/*Receive the packet */

put_reg (RTL8019_REMOTESTARTADDRESS0, 0x04);//配置DMA的读取起始地址(减去了4个字节)

put_reg (RTL8019_REMOTESTARTADDRESS1, get_reg (RTL8019_BOUNDARY));

put_reg (RTL8019_REMOTEBYTECOUNT0, (rxlen & 0xff));//配置DAM读取长度

put_reg (RTL8019_REMOTEBYTECOUNT1, ((rxlen >> 8) & 0xff));

put_reg (RTL8019_COMMAND, RTL8019_REMOTEDMARD);//设置CR为READ状态

//这里是8位DMA的情况，16位DMA的情况需要做调整,每次能够读出16位的数据

for (addr = (unsigned char *) NetRxPackets[0], i = rxlen; i > 0; i--)

*addr++ = get_reg (RTL8019_DMA_DATA);

/* Pass the packet up to the protocol layers. */

NetReceive (NetRxPackets[0], rxlen);//将接收到的数据交给上层协议处理

while (!(get_reg (RTL8019_INTERRUPTSTATUS)) & 0x40); /* wait for the op. */

//等待DMA操作结束(RDC位被自动置位的时候表示DMA操作结束)

* To test whether the packets are all received,get the

* location of current point

put_reg (RTL8019_COMMAND, RTL8019_PAGE1);

current_point = get_reg (RTL8019_CURRENT);

put_reg (RTL8019_COMMAND, RTL8019_PAGE0);

put_reg (RTL8019_BOUNDARY, next_packet_pointer);//将下一帧的起始页数写入到boundary中

//这里难道不需要考虑boundary>80的情况吗？？？？

return current_point;

}

/* Get a data block via Ethernet */

extern int eth_rx (void)

{

unsigned char temp, current_point;

put_reg (RTL8019_COMMAND, RTL8019_PAGE0);//选取Page0,开机状态

while (1) {

temp = get_reg (RTL8019_INTERRUPTSTATUS);

if (temp & 0x90) {

/*中断寄存器为90表示接收数据太快，接收缓冲被用完了，此时由于循环RAM的缘故,CURRENT=BOUNDARY*/

put_reg (RTL8019_COMMAND, RTL8019_PAGE0STOP);//停机

udelay (2000);

put_reg (RTL8019_REMOTEBYTECOUNT0, 0);

put_reg (RTL8019_REMOTEBYTECOUNT1, 0);

put_reg (RTL8019_TRANSMITCONFIGURATION, 2);//进入内部loopback模式

do {

//反复读取缓冲中的值，直到boundary==current(注意这时current_point是不变的!!)

current_point = nic_to_pc ();

} while (get_reg (RTL8019_BOUNDARY) != current_point);

put_reg (RTL8019_TRANSMITCONFIGURATION, 0xe0);//推出loopback模式，设置传输配置寄存器为普通模式

}

if (temp & 0x1) {//如果有帧被顺利的接收到，会自动给bit0置位

/*packet received */

do {

//反复读取直到NIC收到的数据全部被CPU接收

put_reg (RTL8019_INTERRUPTSTATUS, 0x01);//清除bit0

current_point = nic_to_pc ();

} while (get_reg (RTL8019_BOUNDARY) != current_point);//这个条件对么？还是应该用burndary+1 == current_point来判断？？？

}

if (!(temp & 0x1))//如果没有数据收到则退出

return 0;

/* done and exit. */

}

/* Send a data block via Ethernet.发送 */

extern int eth_send (volatile void *packet, int length)

{

volatile unsigned char *p;

unsigned int pn;

pn = length;

p = (volatile unsigned char *) packet;

while (get_reg (RTL8019_COMMAND) == RTL8019_TRANSMIT);//等待上一次传输结束

put_reg (RTL8019_REMOTESTARTADDRESS0, 0);//设置传输起始地址

put_reg (RTL8019_REMOTESTARTADDRESS1, RTL8019_TPSTART);

put_reg (RTL8019_REMOTEBYTECOUNT0, (pn & 0xff));//设置传输长度

put_reg (RTL8019_REMOTEBYTECOUNT1, ((pn >> 8) & 0xff));

put_reg (RTL8019_COMMAND, RTL8019_REMOTEDMAWR);//标明处于WRITE状态,TPX为0

while (pn > 0) {

put_reg (RTL8019_DMA_DATA, *p++);

pn--;

}

pn = length;

//如果数据长度小于60个字节时，则自动以0补全

while (pn < 60) {

/*Padding */

put_reg (RTL8019_DMA_DATA, 0);

pn++;

}

while (!(get_reg (RTL8019_INTERRUPTSTATUS)) & 0x40);//等待DMA操作结束(发送结束)

put_reg (RTL8019_INTERRUPTSTATUS, 0x40);清除相应中断位

put_reg (RTL8019_TRANSMITPAGE, RTL8019_TPSTART);复位传输起始page

put_reg (RTL8019_TRANSMITBYTECOUNT0, (pn & 0xff));设置传输字节大小

put_reg (RTL8019_TRANSMITBYTECOUNT1, ((pn >> 8 & 0xff)));

put_reg (RTL8019_COMMAND, RTL8019_TRANSMIT);//哦，恍然大悟

//此处是启动NIC通过网卡向外发送数据，上面的REMOTEDMAWR是使NIC进入DMA状态，以便从CPU传数据到发送缓冲中去。

return 0;

}

最终，网络同步授时LED时钟将会正确获取网络NTP服务器的时间信息，并显示出年、月、日、时、分、秒、星期等信息，具体农历的计算请参考我们发布的时钟农历计算方法。

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