基于ATM9TDMI+Linux的SOHO路由器设计方案

引言

随着信息技术的不断发展，SOHO（Small Office and Home Office）路由器在小型办公室和家庭网络中的应用越来越广泛。然而，当前SOHO路由器设计方案存在一些问题，如难以满足高速接入网用户的要求，系统稳定性较差等。为了解决这些问题，本文提出了一种基于ATM9TDMI+Linux的SOHO路由器设计方案，该方案不仅提高了系统的稳定性和安全性，还满足了高速接入网用户的需求。

1. 背景与现状分析

当前的SOHO路由器设计主要采用ARM7TDMI+μClinux架构。ARM7内核微处理器的工作频率大约在50MHz左右，而以太网控制芯片的工作频率一般为100MHz，处理器速度难以满足高速接入网用户的要求。此外，μClinux操作系统不具备内存保护机制，任何程序都有可能导致内核崩溃，系统稳定性较差。

为了解决这些问题，本文提出采用ARM920T内核微处理器和Linux操作系统。ARM920T内核微处理器的工作频率为200MHz，能够满足高速接入网用户的要求，并且具有先进的MMU（Memory Management Unit）体系结构，支持WinCE、EPOC32、Linux等多种操作系统。Linux操作系统具有内存保护机制和强大的网络控制功能，能够防止恶意程序对系统的破坏，并实现防火墙功能，有效地提高了系统的稳定性和安全性。

2. 系统硬件设计

2.1 主控芯片选择

本系统采用的主控芯片是S3C2410X，这是一款由SAMSUNG公司开发的低价、低功耗、高性能的微处理器，主要应用于PDA和Internet设备。S3C2410X的工作频率为200MHz，能够满足高速处理要求。

• 详细型号：S3C2410X

• 在设计中的作用：

• 核心处理器：S3C2410X作为系统的核心处理器，负责整个系统的控制和管理。

• 系统总线：通过系统总线连接FLASH和SDRAM，构成存储系统。系统上电后，微处理器从FLASH中读取初始化程序，SDRAM为程序运行和数据处理提供临时存储空间。

• 接口连接：S3C2410X的外部中断信号EINT14与DM9000芯片的引脚INT相连，用于处理中断请求。S3C2410X的片选信号nGCS4和地址线MA2分别连接DM9000的AEN引脚和CMD引脚，用于片选和数据传输。

2.2 以太网控制芯片

以太网控制芯片选用的是DM9000，这是一款高性价比的以太网控制芯片，具有通用处理接口以太网MAC控制器，能够与10Base-T的UTP3/4/5和100Base-T的UTP5接口连接，满足高速接入网的要求。同时，DM9000还支持通过MII接口与其他MII接口的收发器互联。

• 详细型号：DM9000

• 在设计中的作用：

• 数据传输：DM9000通过MII接口与交换控制芯片RTL8305S的PORT4口相连，实现数据传输。

• 接口连接：DM9000的引脚INT与S3C2410X的外部中断信号EINT14相连，用于处理中断请求。DM9000的AEN引脚和CMD引脚分别与S3C2410X的片选信号nGCS4和地址线MA2相连，用于片选。DM9000的读引脚IOR#和写引脚IOW#分别与S3C2410X的nOE引脚和nWE引脚相连，实现数据传输。

2.3 交换控制芯片

交换控制芯片选用的是RTL8305S，这是台湾瑞昱公司最新设计的5端口10/100Mbps高速以太网络交换控制芯片。RTL8305S的五个端口分成三个组（X组、Y组、第五端口），可通过相关引脚灵活配置。RTL8305S集成了5个MAC（媒体存取控制器）、5个实体层收发器、1M SRAM和1K MAC地址记忆区，有效地减少了查表时间和转储时间，适用于高速局域网交换器。

• 详细型号：RTL8305S

• 在设计中的作用：

• 数据交换：RTL8305S通过四个端口与局域网集线器、交换机或电脑相连，进行数据交换。

• 接口连接：RTL8305S的第五端口设定为MII接口，与DM9000的MII接口相连，实现数据交换。

2.4 存储器

系统扩展了1片64MB的NAND Flash芯片和2片SDRAM芯片。NAND Flash芯片中存储Bootloader引导程序和Linux内核，系统上电复位后从中执行初始化代码。SDRAM为程序运行和数据处理提供临时存储空间。

• 详细型号：

• NAND Flash：64MB

• SDRAM：2片

• 在设计中的作用：

• 存储程序：NAND Flash芯片存储Bootloader引导程序和Linux内核，系统上电复位后从中执行初始化代码。

• 数据存储：SDRAM为程序运行和数据处理提供临时存储空间，提高系统性能。

2.5 其他硬件

系统还配备了必要的调试接口、电源电路和时钟发生电路，以确保系统的正常运行和调试。

3. 系统软件设计

3.1 Bootloader移植

Bootloader是与系统硬件高度相关的初始化代码，担负着初始化硬件和引导操作系统的双重责任。本系统采用在嵌入式系统开发中应用最广的引导代码U-BOOT。

• 移植步骤：

1. 针对目标平台对各配置文件做相应的修改。

2. 建立相应的配置文件。

3. 修改U-BOOT的makefile文件，在其中加入对目标系统的编译支持，并运行以下命令：$make clean、$makesmdk2410-config、$make all生成目标文件。

4. 通过JTAG接口将u-boot.bin文件烧写到Flash的零地址，复位后就可以引导系统。

3.2 Linux操作系统移植

Linux操作系统移植主要包括内核配置、编译和根文件系统构建。

• 内核配置：

1. 修改makefile文件。

2. 使用make menuconfig命令来配置内核。

• 内核编译：
  使用make dep、make zImage命令对内核进行编译，得到内核压缩镜像文件zImage。

• 根文件系统构建：
  Bootloader引导程序通过以太网接口把Linux内核移到目标系统的Flash上，然后构建根文件系统。

3.3 NAT技术实现

SOHO路由器采用NAT（Network Address Translation）转换技术，将局域网内部私用IP地址转换成一个合法的公网IP地址，使私有网络中多台主机共享一个合法的IP地址访问因特网。

• 实现方式：
  利用Linux内核支持IP Masquerade（IP伪装）技术实现NAT转换。客户机将实现IP Masquerade的Linux机器设置为缺省网关，当IP Masquerade的Linux机器收到客户机的数据包时，对其进行改写，将源地址替换为自己的IP地址，将源端口号换成一个新的端口号，并对该过程进行记录。当接收到响应数据包时，如果其端口号正是先前所指定的端口号，则再对该数据包进行改写，将其目的IP地址及目的端口号替换为原来记录的客户机IP地址和端口号，然后再发送给客户机。

3.4 数据包处理

Netfilter是Linux内核实现数据过滤、数据包处理和NAT功能的框架。它为每种网络协议（IPv4、IPv6等）定义一套钩子函数（IPv4有5个钩子函数），内核中任何模块可以对协议中的钩子函数进行注册与挂接。这些钩子函数在数据包流经协议栈时被调用，注册后的模块可以检查、修改、丢弃数据包及指示Netfilter将数据包传入用户空间队列，进行异步处理。

• 数据包处理流程：

1. 数据包从左边进入系统，进行IP校验。

2. 数据包经过第一个钩子函数NF_IP_PRE_ROUTING进行处理。

3. 进入路由代码，决定该数据包是需要转发还是发给本机的。

4. 若该数据包是发给本机的，则该数据经过钩子函数NF_IP_LOCAL_IN处理后传递给上层协议。

5. 若该数据包应该被转发，则它被NF_IP_FORWARD处理。

6. 经过转发的数据包经过最后一个钩子函数NF_IP_POST_ROUTING处理后，再传输到网络上。

7. 本地产生的数据经过钩子函数NF_IP_LOCAL_OUT处理后，进行路由选择处理，然后经过NF_IP_POST_ROUTING处理以后发送到网络上。

4. 系统性能与优化

本系统采用ARM920T内核微处理器和Linux操作系统，具有高性能和高稳定性。同时，通过优化存储系统、提高数据传输速率、优化NAT技术和数据包处理流程等措施，进一步提高了系统的性能和稳定性。

5. 结论

本文提出了一种基于ATM9TDMI+Linux的SOHO路由器设计方案，采用ARM920T内核微处理器和Linux操作系统，有效地提高了系统的稳定性和安全性，满足了高速接入网用户的要求。通过优化硬件和软件设计，系统性能得到了进一步提升。未来，将继续优化系统性能，提高系统的可靠性和安全性，以满足更多用户的需求。