4. CPSW以太网控制器驱动开发基础

CPSW（Common Platform Ethernet Switch）是TI Sitara系列处理器（如AM335x、AM437x、AM57xx）内部集成的双端口千兆以太网交换子系统。它并非简单的两个独立MAC拼接，而是包含两个外部MAC端口（Port 1/Port 2）、一个内部主机端口（Port 0，连接CPU）、CPDMA控制器、ALE地址查找引擎以及中断合并模块的完整交换架构。理解这一硬件结构，是编写和调试Linux网络设备驱动的前提。

双千兆MAC与端口结构

CPSW的两个外部MAC（通常称为slave 0和slave 1）各自拥有独立的PHY接口（RGMII或RMII），可分别连接两个外部PHY芯片。每个MAC端口具备独立的发送/接收FIFO、统计计数器和流控逻辑。Port 0是内部主机端口，CPU通过它读写数据包，不占用外部引脚。ALE（Address Lookup Engine）负责在三个端口之间转发帧：当从Port 1收到帧时，ALE根据目的MAC地址决定是转发到Port 2（交换模式）还是上送Port 0（本机接收）。在典型的Linux驱动使用场景中，两个外部端口通常被配置为两个独立的网络接口（eth0、eth1），此时ALE工作在“旁路”或“双MAC”模式，每个端口的数据直接与主机端口交互，不进行端口间交换。

每个MAC端口的关键寄存器包括：MACCONTROL（控制RGMII模式、全双工、速率）、MACSTATUS（链路状态）、RXMBP（接收最大背压）、以及各统计寄存器。驱动初始化时需要根据PHY协商结果配置这些寄存器。例如，当PHY协商为1000Mbps全双工时，MACCONTROL的FULLDUPLEX位应置1，GIGABIT位应置1，同时RGMII接口需要配置为千兆模式（RGMII_ID或RGMII_TXID/RXID根据PCB走线延迟决定）。

CPDMA与DMA描述符

CPDMA（Common Platform DMA）是CPSW的数据搬运引擎，负责在外部MAC FIFO与系统内存之间搬移以太网帧。它使用描述符链表（Descriptor List）来管理缓冲区。每个描述符是一个32字节的结构体，包含以下关键字段：

• Next Descriptor Pointer：指向下一个描述符的物理地址，形成链表。
• Buffer Pointer：指向数据缓冲区的物理地址。
• Buffer Length：缓冲区长度（接收时由DMA写入实际帧长）。
• Packet Length：有效数据包长度。
• Flags：包括SOP（Start of Packet）、EOP（End of Packet）、OWNER（当前归属CPU还是DMA）、EOQ（End of Queue）等。

发送和接收使用独立的描述符队列。发送时，驱动填充缓冲区内容，设置SOP/EOP标志，清除OWNER位（表示归DMA所有），然后写CPDMA的TX_HDP寄存器触发发送。接收时，驱动预先分配好空缓冲区，设置OWNER位为DMA，DMA收到帧后写入缓冲区并翻转OWNER位，同时更新Packet Length，然后产生接收中断。驱动在中断处理中遍历接收描述符，将数据包交给网络协议栈，然后重新初始化描述符并归还给DMA。

描述符的内存必须满足对齐要求（通常32字节对齐），且其物理地址必须连续可被CPDMA访问。在Linux中，通常使用dma_alloc_coherent()分配一致性内存来存放描述符环，避免cache一致性问题。

中断处理与NAPI

CPSW的中断源包括：接收完成中断（RX）、发送完成中断（TX）、以及各种错误中断（如接收溢出、描述符错误）。在Linux驱动中，通常采用NAPI（New API）机制来平衡中断开销与吞吐量。具体做法是：在中断处理函数（hardirq）中，读取CPDMA的RX中断状态寄存器，确认有接收完成事件后，调用napi_schedule()触发软中断，然后屏蔽该中断源。在NAPI的poll函数中，驱动循环处理接收描述符，直到处理完所有待处理帧或达到预算（budget），然后重新使能中断。

发送完成中断的处理相对简单：驱动在发送描述符时记录哪些缓冲区正在使用，发送完成中断到来后，遍历已完成的发送描述符，释放对应的sk_buff内存。为了减少中断频率，CPSW还支持中断合并（Interrupt Pacing），可以通过配置CPDMA的INT_CONTROL寄存器设置接收中断的合并阈值和延迟。

Linux网络设备驱动框架

CPSW驱动在Linux中注册为平台设备驱动（platform_driver），其核心是struct net_device结构体。驱动需要实现以下关键回调函数：

• ndo_open()：打开网络接口时调用，负责初始化CPDMA描述符环、申请中断、启动PHY状态机、使能MAC和DMA。
• ndo_stop()：关闭接口时调用，停止DMA、释放中断、关闭PHY。
• ndo_start_xmit()：发送数据包时调用，将sk_buff数据映射到DMA缓冲区，填充发送描述符，触发发送。
• ndo_get_stats()：读取MAC统计寄存器，返回网络统计信息。
• ndo_set_rx_mode()：处理多播和混杂模式，配置ALE或MAC的地址过滤。

此外，驱动还需要通过register_netdev()注册网络设备，并在probe函数中完成硬件资源映射（寄存器基地址、中断号）、时钟使能、PHY连接等初始化工作。

设备树配置

在设备树中，CPSW节点需要描述MAC地址、PHY连接方式、中断和寄存器范围。以下是一个典型的AM335x CPSW设备树片段示例：

mac: ethernet@4a100000 {
    compatible = "ti,am335x-cpsw";
    reg = <0x4a100000 0x1000>;
    interrupts = <GIC_SPI 40 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,
                 <GIC_SPI 41 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,
                 <GIC_SPI 42 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,
                 <GIC_SPI 43 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;
    interrupt-names = "rx", "tx", "misc", "host";
    cpsw-phy-sel = <&phy_sel>;
    status = "okay";

    slave0: slave@0 {
        phy-mode = "rgmii-id";
        phy-handle = <&phy0>;
    };

    slave1: slave@1 {
        phy-mode = "rgmii-id";
        phy-handle = <&phy1>;
    };
};

其中phy-mode指定RGMII接口的延迟模式，phy-handle指向对应的PHY节点。驱动在probe时会解析这些属性，并根据phy-mode配置MAC的RGMII控制寄存器。如果PHY的复位GPIO或时钟需要控制，也应在设备树中通过reset-gpios和clocks属性描述。