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/rpi/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接口连接ENC28J60以太网模块实现基础网络通信功能。

硬件准备与连接

所需材料

• ENC28J60以太网模块：这是一款低成本、高性能的10Mbps以太网控制器
• 6根母对母跳线：用于连接树莓派与以太网模块
• 标准以太网线：用于连接路由器或其他网络设备

硬件连接指南

按照以下引脚对应关系连接树莓派4与ENC28J60模块：

| 树莓派引脚 | GPIO功能 | 推荐线色 | ENC28J60引脚 | | ---------- | ------------- | -------- | ------------ | | 17号引脚 | +3.3V电源 | 红色 | VCC | | 19号引脚 | GPIO10/MOSI | 绿色 | SI | | 20号引脚 | 地线 | 黑色 | GND | | 21号引脚 | GPIO09/MISO | 黄色 | SO | | 23号引脚 | GPIO11/SCLK | 蓝色 | SCK | | 24号引脚 | GPIO08/CE0 | 绿色 | 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通信基础实现

SPI初始化流程

在lib/spi.c中实现的SPI初始化主要包括以下步骤：

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
3. 设置SPI0控制寄存器，配置通信参数

数据收发机制

spi_send_recv()函数实现了完整的SPI通信流程：

1. 设置数据长度寄存器(DLEN)
2. 清除接收和发送FIFO
3. 激活传输(设置TA标志)
4. 通过FIFO进行数据读写
5. 等待传输完成(DONE标志置位)
6. 清除TA标志结束传输

为简化接口使用，还提供了spi_send()和spi_recv()两个便捷函数。

ENC28J60驱动集成

驱动适配层实现

在net/encspi.c中实现了四个关键函数，作为驱动与硬件间的桥梁：

1. ENC_SPI_Select()：控制片选信号
2. ENC_SPI_SendBuf()：带缓冲区的数据收发
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

定时器功能支持

网络驱动需要精确的定时功能，在kernel/kernel.c中实现了：

1. HAL_GetTick()：获取系统启动后的计时值
2. HAL_Delay()：毫秒级延时函数

这些函数基于树莓派4的系统定时器实现，为网络协议栈提供时间基准。

网络功能实现

网络初始化流程

在kernel/arp.c中的init_network()函数完成以下初始化：

1. 配置以太网工作模式为半双工
2. 设置MAC地址(示例使用C0:FF:EE:C0:FF:EE)
3. 启用硬件校验和功能
4. 使能链路状态和接收数据包中断
5. 调用ENC_Start()启动以太网控制器
6. 轮询等待物理链路建立

ARP协议实现

ARP(地址解析协议)用于将IP地址解析为MAC地址，实现过程包括：

1. 构建以太网帧头：包含目标MAC、源MAC和协议类型
2. 构建ARP数据包：包含硬件类型、协议类型等字段
3. 使用驱动函数发送ARP请求：
   • ENC_RestoreTXBuffer()准备发送缓冲区
   • ENC_WriteBuffer()写入数据
   • ENC_Transmit()启动发送
4. 接收处理ARP响应，解析出发送方的MAC地址

系统集成与测试

将网络功能集成到内核中的关键步骤：

1. 在适当的核心(如核心3)初始化SPI
2. 调用网络初始化函数
3. 执行ARP测试功能

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。

总结与展望

通过本文介绍的方法，我们成功在树莓派4裸机系统上实现了基于SPI的以太网通信。这一成果为后续实现更复杂的网络协议栈(如TCP/IP)奠定了基础。在下一阶段，可以进一步优化中断处理机制，提高网络通信效率，并实现更高级的网络功能如Web服务器等。

提示：在实际开发中，建议使用逻辑分析仪或示波器验证SPI信号质量，确保通信可靠性。同时，注意网络字节序与主机字节序的转换问题，避免数据传输错误。

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