树莓派4裸机操作系统开发指南：SPI以太网通信实现

树莓派4裸机操作系统开发指南：SPI以太网通信实现

rpi4-osdev Tutorial: Writing a "bare metal" operating system for Raspberry Pi 4 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/rp/rpi4-osdev

前言

在嵌入式系统开发中，网络通信能力是扩展系统功能的关键。本文将详细介绍如何在树莓派4裸机操作系统项目中通过SPI接口实现以太网通信功能。我们将使用ENC28J60以太网模块，这是成本低于10英镑的经济型解决方案。

硬件准备与连接

所需材料

• ENC28J60以太网模块（已验证兼容型号）
• 母对母跳线若干
• 标准以太网电缆（用于连接路由器）

硬件连接指南

将ENC28J60模块连接到树莓派4的SPI0接口，具体引脚对应关系如下：

| 树莓派引脚 | GPIO功能 | ENC28J60引脚 | |------------|--------------|--------------| | 17号引脚 | +3.3V电源 | VCC | | 19号引脚 | GPIO10/MOSI | SI | | 20号引脚 | 地线 | GND | | 21号引脚 | GPIO09/MISO | SO | | 23号引脚 | GPIO11/SCLK | SCK | | 24号引脚 | GPIO08/CE0 | CS |

注意：ENC28J60的片选(CS)引脚是低电平有效，因此当GPIO08为低电平时模块被选中，高电平时取消选中。

SPI通信库实现

SPI初始化

在lib/spi.c中实现了SPI通信的核心功能。初始化过程包括：

1. 配置GPIO7、9、10和11为ALT0功能，将其映射到SPI0接口
2. 初始化GPIO8为输出引脚，用于片选控制

数据传输机制

spi_send_recv()函数处理SPI数据传输的核心流程：

1. 设置DLEN寄存器指定传输字节数
2. 清除RX和TX FIFO
3. 设置传输激活(TA)标志
4. 通过FIFO进行数据读写
5. 等待传输完成标志
6. 清除TA标志

为简化使用，还提供了两个便捷函数：

• spi_send()：专门用于发送数据
• spi_recv()：专门用于接收数据

ENC28J60驱动集成

驱动适配层

在net/encspi.c中实现了驱动与硬件的桥梁，主要包含四个关键函数：

1. ENC_SPI_Select()：控制片选信号
2. ENC_SPI_SendBuf()：发送和接收缓冲区数据
3. ENC_SPI_Send()：发送单字节命令
4. ENC_SPI_SendWithoutSelection()：不改变片选状态的发送

定时器支持

网络驱动需要精确的定时功能，在kernel/kernel.c中实现：

• HAL_GetTick()：获取系统启动后的计时器计数值
• HAL_Delay()：实现毫秒级延迟

这些函数基于树莓派4的系统计时器实现，确保了网络通信的时序要求。

网络功能实现

网络初始化

在kernel/arp.c中完成网络初始化：

1. 配置ENC28J60工作模式（半双工、硬件校验和等）
2. 设置MAC地址（示例使用C0:FF:EE:C0:FF:EE）
3. 启动驱动并检测链路状态
4. 等待物理连接建立

ARP协议实现

ARP（地址解析协议）是网络设备相互发现的基础协议。实现要点包括：

1. 以太网帧结构：包含目标/源MAC地址和以太类型
2. ARP包结构：包含硬件类型、协议类型等字段
3. 字节序处理：网络协议使用大端序，而树莓派是小端架构

关键函数SendArpPacket()完成ARP请求的构造和发送，而arp_test()则处理ARP响应的接收和解析。

系统集成与测试

在kernel/kernel.c中按顺序调用：

spi_init();        // 初始化SPI接口
init_network();    // 初始化网络功能
arp_test();        // 执行ARP测试

成功运行时，系统将显示路由器的MAC地址，证明网络通信功能正常工作。

结语

通过本文介绍的方法，我们成功在树莓派4裸机操作系统中实现了基于SPI的以太网通信。这一成果不仅验证了硬件连接的正确性，也为后续实现更复杂的网络协议（如TCP/IP栈）奠定了基础。这种低成本网络解决方案特别适合嵌入式系统和物联网设备的开发。

技术亮点：

• 完整SPI通信协议栈实现
• ENC28J60驱动的高效集成
• ARP协议的原生实现
• 裸机环境下的精确时序控制

这一实现为后续开发更高级的网络功能（如Web服务器）提供了坚实基础。

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