📚 课程目录第3章 ST Stellar以太网外设与驱动架构

3. ST Stellar以太网外设与驱动架构

ST Stellar 系列 MCU 面向车载中央网关、域控制器与区域控制器，其以太网子系统并非单一 MAC，而是由多个以太网外设实例、DMA 引擎、TSN 硬件调度单元与中断汇聚逻辑共同构成的片上通信子系统。理解这一层的寄存器模型、描述符结构与驱动初始化顺序，是后续做 TSN 流量调度、gPTP 时间同步和诊断调试的基础。本节从硬件对象出发，逐层落到驱动实现与调试手段。

一、MAC 控制器寄存器模型

Stellar 的以太网 MAC 遵循 Synopsys DesignWare GMAC（DWMAC）风格的分页寄存器布局，每个 MAC 实例在系统地址空间中占据一段连续区域，典型划分为以下几个功能区：

MAC 配置区（0x0000 起）：MAC_Configuration、MAC_Frame_Filter、MAC_Packet_Filter 等，控制收发使能、速率（10/100/1000 Mbps）、双工模式、CRC 剥离、VLAN 过滤与混杂模式。
流控与时间戳区：Flow_Control、Timestamp_Control，配合 TSN 的 gPTP 硬件打戳，时间戳精度由 PTP_Timestamp_Status 中的 ns 字段与亚纳秒字段共同给出。
MDIO 区：MAC_MDIO_Address、MAC_MDIO_Data，用于访问外部 PHY 的 32 个寄存器，是链路建立与自协商的入口。
DMA 控制区（0x1000 起）：DMA_Mode、DMA_Status、DMA_Interrupt_Enable、DMA_Channel_Control，每个收发通道独立一套寄存器。
MTL 队列区：MTL_Operation_Mode、MTL_RxQ_Operation_Mode，配置队列深度、阈值与仲裁方式，是 TSN 多队列调度的落点。

驱动访问这些寄存器时，通常先通过 readl()/writel() 完成 32 位读写，再配合位域宏（如 GMAC_CONFIG_TE、GMAC_CONFIG_RE）做原子置位。需要特别注意的是，MAC 配置寄存器中的 TE（Transmitter Enable）与 RE（Receiver Enable）必须在 DMA 通道初始化完成后再置位，否则会出现描述符未就绪而丢帧。

二、DMA 描述符与缓冲区管理

Stellar 以太网采用环形描述符队列，每个通道由 TX Ring 与 RX Ring 组成。描述符本身是 16 字节结构，包含 32 位缓冲区地址、32 位状态与控制字段、以及可选的扩展时间戳字段。驱动在初始化阶段需要完成三件事：分配描述符内存（必须 16 字节对齐，且位于 DMA 可访问的 SRAM 区域）、分配数据缓冲区（通常 1536 或 2048 字节，按 cache line 对齐）、建立描述符与缓冲区的映射关系。

RX 路径上，驱动预先填充若干描述符并置 OWN 位为 1，表示所有权交给 DMA；当帧到达，DMA 写入数据并清 OWN 位，同时置 FD（首描述符）与 LD（末描述符）标志。驱动在中断或轮询中扫描 RX Ring，遇到 OWN=0 即取出帧，处理完后重新置 OWN=1 归还给 DMA。TX 路径相反：驱动填充缓冲区、置 OWN=1 并触发 DMA_Tx_Poll_Demand，DMA 发送完成后清 OWN 并置 TBU（Transmit Buffer Unavailable）或 TJT（Transmit Jabber Timeout）等状态位。

缓冲区管理的关键是 cache 一致性。Stellar 的 Cortex-M7 带 D-Cache，驱动在把描述符交给 DMA 前必须执行 SCB_CleanDCache_by_Addr()，在 DMA 写回后读取前执行 SCB_InvalidateDCache_by_Addr()。若忽略这一步，会出现“描述符已更新但 CPU 读到旧值”的典型故障。

三、中断与轮询模式

Stellar 以太网提供两种收包处理模式。中断模式下，DMA 在收到帧后置 RI（Receive Interrupt）位，若 DMA_Interrupt_Enable 中对应位使能，则向 NVIC 发出中断请求。驱动在 ISR 中读取 DMA_Status 判断中断源，调用 NAPI 风格的 poll() 批量处理 RX Ring，避免每帧一次中断带来的开销。TX 完成中断则用于回收已发送缓冲区。

轮询模式适用于低延迟或中断负载敏感的场景：驱动关闭 RI 使能，在任务循环中周期性读取 DMA_Status 的 RS（Receive Status）位，或直接扫描 RX Ring 的 OWN 位。轮询间隔需要权衡：过密会占用 CPU，过疏会增加延迟。在 Stellar 上，若以太网用于 TSN 时间敏感流，通常建议中断与轮询混合——高优先级队列用中断，低优先级队列用轮询。

调试时若发现“中断触发但收不到帧”，优先检查 DMA_Interrupt_Enable 是否使能了 RIE，以及 DMA_Status 中的 RI 是否被正确清除。Stellar 的 DMA 状态位是写 1 清除（W1C），误用读改写会导致中断反复触发。

四、驱动初始化流程

一个可工作的 Stellar 以太网驱动初始化通常按以下顺序展开：

时钟与复位：使能 MAC 与 DMA 的 AHB 时钟，释放外设复位，等待 DMA_Mode 的 SWR（Software Reset）位自清。
MDIO 扫描：通过 MAC_MDIO_Address 遍历 PHY 地址 0~31，读取 PHY ID 寄存器（地址 2、3），确认 PHY 存在并记录地址。
PHY 配置：写 PHY 控制寄存器（地址 0）设置自协商、速率与双工；读取 PHY 状态寄存器（地址 1）确认链路已建立。
MAC 配置：设置 MAC_Configuration 的速率、双工、CRC 剥离、巨帧支持；配置 MAC_Frame_Filter 的 MAC 地址过滤。
DMA 描述符初始化：分配 TX/RX Ring，填充缓冲区地址，设置 DMA_Channel_Control 的 PBL（突发长度）与 DSL（描述符跳转长度）。
MTL 队列配置：设置 MTL_RxQ_Operation_Mode 的 RQS（队列大小）与 RTC（接收阈值），为 TSN 多队列预留空间。
使能收发：置 MAC_Configuration 的 TE 与 RE，置 DMA_Channel_Control 的 ST（Start Transmission）与 SR（Start Reception）。
中断注册：配置 NVIC 优先级，使能 DMA_Interrupt_Enable 中的 NIE、RIE、TIE。

初始化完成后，驱动应能通过 DMA_Status 的 RBU（Receive Buffer Unavailable）与 TBU 位判断缓冲区是否耗尽，并据此触发补充描述符的逻辑。

五、调试方法

Stellar 以太网调试可从三个层面入手。寄存器层面，用调试器直接读取 MAC_Configuration、DMA_Status、MTL_RxQ_Debug，确认收发使能、队列水位与错误计数。描述符层面，在内存窗口中查看 RX Ring 的 OWN 位分布，若大量描述符长期 OWN=1，说明 DMA 未收到帧或 PHY 链路未通。统计层面，读取 MMC 计数器（如 MMC_RxPacketCount、MMC_TxPacketCount、MMC_RxCRCError），可快速区分“链路不通”与“帧被过滤”。

若 MMC_RxPacketCount 增长但应用层收不到数据，优先检查 RX Ring 的 OWN 位是否被驱动正确归还，以及 cache invalidate 是否在读取前执行。这是 Stellar 平台上最常见的“计数正常但丢帧”原因。

综合来看，Stellar 以太网驱动的核心在于把寄存器模型、描述符环与 cache 一致性三者对齐。寄存器决定 MAC 行为，描述符决定数据搬运，cache 操作决定 CPU 与 DMA 看到的是否是同一份数据。把这三层关系理清，后续的 TSN 队列调度、gPTP 时间戳与诊断抓包才有稳定的底层支撑。