基于ATM9TDMI+Linux的SOHO路由器設計方案

引言

隨著信息技術的不斷發展，SOHO（Small Office and Home Office）路由器在小型辦公室和家庭網絡中的應用越來越廣泛。然而，當前SOHO路由器設計方案存在一些問題，如難以滿足高速接入網用戶的要求，系統穩定性較差等。為了解決這些問題，本文提出了一種基于ATM9TDMI+Linux的SOHO路由器設計方案，該方案不僅提高了系統的穩定性和安全性，還滿足了高速接入網用戶的需求。

1. 背景與現狀分析

當前的SOHO路由器設計主要采用ARM7TDMI+μClinux架構。ARM7內核微處理器的工作頻率大約在50MHz左右，而以太網控制芯片的工作頻率一般為100MHz，處理器速度難以滿足高速接入網用戶的要求。此外，μClinux操作系統不具備內存保護機制，任何程序都有可能導致內核崩潰，系統穩定性較差。

為了解決這些問題，本文提出采用ARM920T內核微處理器和Linux操作系統。ARM920T內核微處理器的工作頻率為200MHz，能夠滿足高速接入網用戶的要求，并且具有先進的MMU（Memory Management Unit）體系結構，支持WinCE、EPOC32、Linux等多種操作系統。Linux操作系統具有內存保護機制和強大的網絡控制功能，能夠防止惡意程序對系統的破壞，并實現防火墻功能，有效地提高了系統的穩定性和安全性。

2. 系統硬件設計

2.1 主控芯片選擇

本系統采用的主控芯片是S3C2410X，這是一款由SAMSUNG公司開發的低價、低功耗、高性能的微處理器，主要應用于PDA和Internet設備。S3C2410X的工作頻率為200MHz，能夠滿足高速處理要求。

• 詳細型號：S3C2410X

• 在設計中的作用：

• 核心處理器：S3C2410X作為系統的核心處理器，負責整個系統的控制和管理。

• 系統總線：通過系統總線連接FLASH和SDRAM，構成存儲系統。系統上電后，微處理器從FLASH中讀取初始化程序，SDRAM為程序運行和數據處理提供臨時存儲空間。

• 接口連接：S3C2410X的外部中斷信號EINT14與DM9000芯片的引腳INT相連，用于處理中斷請求。S3C2410X的片選信號nGCS4和地址線MA2分別連接DM9000的AEN引腳和CMD引腳，用于片選和數據傳輸。

2.2 以太網控制芯片

以太網控制芯片選用的是DM9000，這是一款高性價比的以太網控制芯片，具有通用處理接口以太網MAC控制器，能夠與10Base-T的UTP3/4/5和100Base-T的UTP5接口連接，滿足高速接入網的要求。同時，DM9000還支持通過MII接口與其他MII接口的收發器互聯。

• 詳細型號：DM9000

• 在設計中的作用：

• 數據傳輸：DM9000通過MII接口與交換控制芯片RTL8305S的PORT4口相連，實現數據傳輸。

• 接口連接：DM9000的引腳INT與S3C2410X的外部中斷信號EINT14相連，用于處理中斷請求。DM9000的AEN引腳和CMD引腳分別與S3C2410X的片選信號nGCS4和地址線MA2相連，用于片選。DM9000的讀引腳IOR#和寫引腳IOW#分別與S3C2410X的nOE引腳和nWE引腳相連，實現數據傳輸。

2.3 交換控制芯片

交換控制芯片選用的是RTL8305S，這是臺灣瑞昱公司最新設計的5端口10/100Mbps高速以太網絡交換控制芯片。RTL8305S的五個端口分成三個組（X組、Y組、第五端口），可通過相關引腳靈活配置。RTL8305S集成了5個MAC（媒體存取控制器）、5個實體層收發器、1M SRAM和1K MAC地址記憶區，有效地減少了查表時間和轉儲時間，適用于高速局域網交換器。

• 詳細型號：RTL8305S

• 在設計中的作用：

• 數據交換：RTL8305S通過四個端口與局域網集線器、交換機或電腦相連，進行數據交換。

• 接口連接：RTL8305S的第五端口設定為MII接口，與DM9000的MII接口相連，實現數據交換。

2.4 存儲器

系統擴展了1片64MB的NAND Flash芯片和2片SDRAM芯片。NAND Flash芯片中存儲Bootloader引導程序和Linux內核，系統上電復位后從中執行初始化代碼。SDRAM為程序運行和數據處理提供臨時存儲空間。

• 詳細型號：

• NAND Flash：64MB

• SDRAM：2片

• 在設計中的作用：

• 存儲程序：NAND Flash芯片存儲Bootloader引導程序和Linux內核，系統上電復位后從中執行初始化代碼。

• 數據存儲：SDRAM為程序運行和數據處理提供臨時存儲空間，提高系統性能。

2.5 其他硬件

系統還配備了必要的調試接口、電源電路和時鐘發生電路，以確保系統的正常運行和調試。

3. 系統軟件設計

3.1 Bootloader移植

Bootloader是與系統硬件高度相關的初始化代碼，擔負著初始化硬件和引導操作系統的雙重責任。本系統采用在嵌入式系統開發中應用最廣的引導代碼U-BOOT。

• 移植步驟：

1. 針對目標平臺對各配置文件做相應的修改。

2. 建立相應的配置文件。

3. 修改U-BOOT的makefile文件，在其中加入對目標系統的編譯支持，并運行以下命令：$make clean、$makesmdk2410-config、$make all生成目標文件。

4. 通過JTAG接口將u-boot.bin文件燒寫到Flash的零地址，復位后就可以引導系統。

3.2 Linux操作系統移植

Linux操作系統移植主要包括內核配置、編譯和根文件系統構建。

• 內核配置：

1. 修改makefile文件。

2. 使用make menuconfig命令來配置內核。

• 內核編譯：
  使用make dep、make zImage命令對內核進行編譯，得到內核壓縮鏡像文件zImage。

• 根文件系統構建：
  Bootloader引導程序通過以太網接口把Linux內核移到目標系統的Flash上，然后構建根文件系統。

3.3 NAT技術實現

SOHO路由器采用NAT（Network Address Translation）轉換技術，將局域網內部私用IP地址轉換成一個合法的公網IP地址，使私有網絡中多臺主機共享一個合法的IP地址訪問因特網。

• 實現方式：
  利用Linux內核支持IP Masquerade（IP偽裝）技術實現NAT轉換?？蛻魴C將實現IP Masquerade的Linux機器設置為缺省網關，當IP Masquerade的Linux機器收到客戶機的數據包時，對其進行改寫，將源地址替換為自己的IP地址，將源端口號換成一個新的端口號，并對該過程進行記錄。當接收到響應數據包時，如果其端口號正是先前所指定的端口號，則再對該數據包進行改寫，將其目的IP地址及目的端口號替換為原來記錄的客戶機IP地址和端口號，然后再發送給客戶機。

3.4 數據包處理

Netfilter是Linux內核實現數據過濾、數據包處理和NAT功能的框架。它為每種網絡協議（IPv4、IPv6等）定義一套鉤子函數（IPv4有5個鉤子函數），內核中任何模塊可以對協議中的鉤子函數進行注冊與掛接。這些鉤子函數在數據包流經協議棧時被調用，注冊后的模塊可以檢查、修改、丟棄數據包及指示Netfilter將數據包傳入用戶空間隊列，進行異步處理。

• 數據包處理流程：

1. 數據包從左邊進入系統，進行IP校驗。

2. 數據包經過第一個鉤子函數NF_IP_PRE_ROUTING進行處理。

3. 進入路由代碼，決定該數據包是需要轉發還是發給本機的。

4. 若該數據包是發給本機的，則該數據經過鉤子函數NF_IP_LOCAL_IN處理后傳遞給上層協議。

5. 若該數據包應該被轉發，則它被NF_IP_FORWARD處理。

6. 經過轉發的數據包經過最后一個鉤子函數NF_IP_POST_ROUTING處理后，再傳輸到網絡上。

7. 本地產生的數據經過鉤子函數NF_IP_LOCAL_OUT處理后，進行路由選擇處理，然后經過NF_IP_POST_ROUTING處理以后發送到網絡上。

4. 系統性能與優化

本系統采用ARM920T內核微處理器和Linux操作系統，具有高性能和高穩定性。同時，通過優化存儲系統、提高數據傳輸速率、優化NAT技術和數據包處理流程等措施，進一步提高了系統的性能和穩定性。

5. 結論

本文提出了一種基于ATM9TDMI+Linux的SOHO路由器設計方案，采用ARM920T內核微處理器和Linux操作系統，有效地提高了系統的穩定性和安全性，滿足了高速接入網用戶的要求。通過優化硬件和軟件設計，系統性能得到了進一步提升。未來，將繼續優化系統性能，提高系統的可靠性和安全性，以滿足更多用戶的需求。