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Linux操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序編寫 %A
一.Linux系統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動程序概述 u5
1.1 Linux設(shè)備驅(qū)動程序分類 %Vp}
1.2 編寫驅(qū)動程序的一些基本概念 *I
二.Linux系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序 "[`]K
2.1 網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序的結(jié)構(gòu) H
2.2 網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序的基本方法 U?+
2.3 網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序中用到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) IKo
2.4 常用的系統(tǒng)支持 v[ZEeu
三.編寫Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序中可能遇到的問題 /oY
3.1 中斷共享 l@FZkg
3.2 硬件發(fā)送忙時的處理 pZw
3.3 流量控制(flow control) $:p.
3.4 調(diào)試 W!07
四.進一步的閱讀 ]G_0Q
五.雜項 Z!h
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一.Linux系統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動程序概述 c
1.1 Linux設(shè)備驅(qū)動程序分類 eiD)|w
Linux設(shè)備驅(qū)動程序在Linux的內(nèi)核源代碼中占有很大的比例，源代碼的長度日益增加，主要是驅(qū)動程序的增加。在Linux內(nèi)核的不斷升級過程中，驅(qū)動程序的結(jié)構(gòu)還是相對穩(wěn)定。在2.0.xx到2.2.xx的變動里，驅(qū)動程序的編寫做了一些改變，但是從2.0.xx的驅(qū)動到2.2.xx的移植只需做少量的工作。 ASy
Linux系統(tǒng)的設(shè)備分為字符設(shè)備(char device)，塊設(shè)備(block device)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(network device)三種。字符設(shè)備是指存取時沒有緩存的設(shè)備。塊設(shè)備的讀寫都有緩存來支持，并且塊設(shè)備必須能夠隨機存取(random access)，字符設(shè)備則沒有這個要求。典型的字符設(shè)備包括鼠標，鍵盤，串行口等。塊設(shè)備主要包括硬盤軟盤設(shè)備，CD-ROM等。一個文件系統(tǒng)要安裝進入操作系統(tǒng)必須在塊設(shè)備上。 "0}}}
網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在Linux里做專門的處理。Linux的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要是基于BSD unix的socket機制。在系統(tǒng)和驅(qū)動程序之間定義有專門的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(sk_buff)進行數(shù)據(jù)的傳遞。系統(tǒng)里支持對發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的緩存，提供流量控制機制，提供對多協(xié)議的支持。 (r)
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1.2 編寫驅(qū)動程序的一些基本概念 Xl‘A!
無論是什么操作系統(tǒng)的驅(qū)動程序，都有一些通用的概念。操作系統(tǒng)提供給驅(qū)動程序的支持也大致相同。下面簡單介紹一下網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序的一些基本要求。 ,
1.2.1 發(fā)送和接收 Ry
這是一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備最基本的功能。一塊網(wǎng)卡所做的無非就是收發(fā)工作。所以驅(qū)動程序里要告訴系統(tǒng)你的發(fā)送函數(shù)在哪里，系統(tǒng)在有數(shù)據(jù)要發(fā)送時就會調(diào)用你的發(fā) 送程序。還有驅(qū)動程序由于是直接操縱硬件的，所以網(wǎng)絡(luò)硬件有數(shù)據(jù)收到最先能得到這個數(shù)據(jù)的也就是驅(qū)動程序，它負責(zé)把這些原始數(shù)據(jù)進行必要的處理然后送給系統(tǒng)。這里，操作系統(tǒng)必須要提供兩個機制，一個是找到驅(qū)動程序的發(fā)送函數(shù)，一個是驅(qū)動程序把收到的數(shù)據(jù)送給系統(tǒng)。 -2T
1.2.2 中斷 d#`T
中斷在現(xiàn)代計算機結(jié)構(gòu)中有重要的地位。操作系統(tǒng)必須提供驅(qū)動程序響應(yīng)中斷的能力。一般是把一個中斷處理程序注冊到系統(tǒng)中去。操作系統(tǒng)在硬件中斷發(fā)生后 調(diào)用驅(qū)動程序的處理程序。Linux支持中斷的共享，即多個設(shè)備共享一個中斷。 U- ="G
1.2.3 時鐘 "
在實現(xiàn)驅(qū)動程序時，很多地方會用到時鐘。如某些協(xié)議里的超時處理，沒有中斷機制的硬件的輪詢等。操作系統(tǒng)應(yīng)為驅(qū)動程序提供定時機制。一般是在預(yù)定的時 間過了以后回調(diào)注冊的時鐘函數(shù)。在網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序中，如果硬件沒有中斷功能，定時器可以提供輪詢(poll)方式對硬件進行存取?；蛘呤菍崿F(xiàn)某些協(xié)議時需要的超時重傳等。 ]_-Ggs
二.Linux系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序 -zwM
2.1 網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序的結(jié)構(gòu) V6
所有的Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序遵循通用的接口。設(shè)計時采用的是面向?qū)ο蟮姆椒?。一個設(shè)備就是一個對象(device 結(jié)構(gòu))，它內(nèi)部有自己的數(shù)據(jù)和方法。每一個設(shè)備的方法被調(diào)用時的第一個參數(shù)都是這個設(shè)備對象本身。這樣這個方法就可以存取自身的數(shù)據(jù)(類似面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計時的this引用)。 .<^
一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備最基本的方法有初始化、發(fā)送和接收。 nX|?N
------------------- --------------------- -:J
|deliver packets | |receive packets queue| s9b
|(dev_queue_xmit()) | |them(netif_rx()) | Q
------------------- --------------------- %\
| | / }
/ | | j^TU
------------------------------------------------------- 199
| methods and variables(initialize,open,close,hard_xmit,| LjUqf4
| interrupt handler,config,resources,status...) | 0X
------------------------------------------------------- 4
| | / ?HD
/ | | i
----------------- ---------------------- *\7R
|send to hardware | |receivce from hardware| ;^i:v
----------------- ---------------------- #2X
| | / "&
/ | | ?HJ
----------------------------------------------------- 1,{8]
| hardware media | <pH
----------------------------------------------------- ]1
初始化程序完成硬件的初始化、device中變量的初始化和系統(tǒng)資源的申請。發(fā)送程序是在驅(qū)動程序的上層協(xié)議層有數(shù)據(jù)要發(fā)送時自動調(diào)用的。一般驅(qū)動程序中不對發(fā)送數(shù)據(jù)進行緩存，而是直接使用硬件的發(fā)送功能把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。接收數(shù)據(jù)一般是通過硬件中斷來通知的。在中斷處理程序里，把硬件幀信息填入一個skbuff結(jié)構(gòu)中，然后調(diào)用netif_rx()傳遞給上層處理。 nZg"5
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2.2 網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序的基本方法 U
網(wǎng)絡(luò)設(shè)備做為一個對象，提供一些方法供系統(tǒng)訪問。正是這些有統(tǒng)一接口的方法，掩蔽了硬件的具體細節(jié)，讓系統(tǒng)對各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的訪問都采用統(tǒng)一的形式，做到硬件無關(guān)性。 m3RFY
下面解釋最基本的方法。 S
2.2.1 初始化(initialize) S@36`l
驅(qū)動程序必須有一個初始化方法。在把驅(qū)動程序載入系統(tǒng)的時候會調(diào)用這個初始化程序。它做以下幾方面的工作。檢測設(shè)備。在初始化程序里你可以根據(jù)硬件的特征檢查硬件是否存在，然后決定是否啟動這個驅(qū)動程序。配置和初始化硬件。在初始化程序里你可以完成對硬件資源的配置，比如即插即用的硬件就可以在這個時候進行配置(Linux內(nèi)核對PnP功能沒有很好的支持，可以在驅(qū)動程序里完成這個功能)。配置或協(xié)商好硬件占用的資源以后，就可以向系統(tǒng)申請這些資源。有些資源是可以和別的設(shè)備共享的，如中斷。有些是不能共享的，如IO、DMA。接下來你要初始化device結(jié)構(gòu)中的變量。最后，你可以讓硬件正式開始工作。 Izv5m
2.2.2 打開(open) \lo
open這個方法在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序里是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備被激活的時候被調(diào)用(即設(shè)備狀態(tài)由down-->up)。所以實際上很多在initialize中的工作可以放到這里來做。比如資源的申請，硬件的激活。如果dev->open返回非0(error)，則硬件的狀態(tài)還是down。 0
open方法另一個作用是如果驅(qū)動程序做為一個模塊被裝入，則要防止模塊卸載時設(shè)備處于打開狀態(tài)。在open方法里要調(diào)用MOD_INC_USE_COUNT宏。 Y4-]9T
2.2.3 關(guān)閉(stop) 5
close方法做和open相反的工作?？梢葬尫拍承┵Y源以減少系統(tǒng)負擔(dān)。close是在設(shè)備狀態(tài)由up轉(zhuǎn)為down時被調(diào)用的。另外如果是做為模塊裝入的驅(qū)動程序，close里應(yīng)該調(diào)用MOD_DEC_USE_COUNT，減少設(shè)備被引用的次數(shù)，以使驅(qū)動程序可以被卸載。 k,!0W3
另外close方法必須返回成功(0==success)。 V1$?Xt
2.2.4 發(fā)送(hard_start_xmit) E
所有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序都必須有這個發(fā)送方法。在系統(tǒng)調(diào)用驅(qū)動程序的xmit時，發(fā)送的數(shù)據(jù)放在一個sk_buff結(jié)構(gòu)中。一般的驅(qū)動程序把數(shù)據(jù)傳給硬件發(fā)出去。也有一些特殊的設(shè)備比如loopback把數(shù)據(jù)組成一個接收數(shù)據(jù)再回送給系統(tǒng)，或者dummy設(shè)備直接丟棄數(shù)據(jù)。 FF6$j
如果發(fā)送成功，hard_start_xmit方法里釋放sk_buff，返回0(發(fā)送成功)。如果設(shè)備暫時無法處理，比如硬件忙，則返回1。這時如果dev->tbusy置為非0，則系統(tǒng)認為硬件忙，要等到dev->tbusy置0以后才會再次發(fā)送。tbusy的置0任務(wù)一般由中斷完成。硬件在發(fā)送結(jié)束后產(chǎn)生中斷，這時可以把tbusy置0，然后用mark_bh()調(diào)用通知系統(tǒng)可以再次發(fā)送。在發(fā)送不成功的情況下，也可以不置dev->tbusy為非0，這樣系統(tǒng)會不斷嘗試重發(fā)。如果hard_start_xmit發(fā)送不成功，則不要釋放sk_buff。傳送下來的sk_buff中的數(shù)據(jù)已經(jīng)包含硬件需要的幀頭。所以在發(fā)送方法里不需要再填充硬件幀頭，數(shù)據(jù)可以直接提交給硬件發(fā)送。sk_buff是被鎖住的(locked)，確保其他程序不會存取它。 \I
2.2.5 接收(reception) :k
驅(qū)動程序并不存在一個接收方法。有數(shù)據(jù)收到應(yīng)該是驅(qū)動程序來通知系統(tǒng)的。一般設(shè)備收到數(shù)據(jù)后都會產(chǎn)生一個中斷，在中斷處理程序中驅(qū)動程序申請一塊sk_buff(skb)，從硬件讀出數(shù)據(jù)放置到申請好的緩沖區(qū)里。接下來填充sk_buff中 的一些信息。skb->dev = dev，判斷收到幀的協(xié)議類型，填入skb->protocol(多協(xié) 議的支持)。把指針skb->mac.raw指向硬件數(shù)據(jù)然后丟棄硬件幀頭(skb_pull)。還要設(shè)置skb->pkt_type，標明第二層(鏈路層)數(shù)據(jù)類型?？梢允且韵骂愋停?)Cc<
PACKET_BROADCAST : 鏈路層廣播 D*
PACKET_MULTICAST : 鏈路層組播 %vq
PACKET_SELF : 發(fā)給自己的幀 z5WN
PACKET_OTHERHOST : 發(fā)給別人的幀(監(jiān)聽模式時會有這種幀) M!]a2G
最后調(diào)用netif_rx()把數(shù)據(jù)傳送給協(xié)議層。netif_rx()里數(shù)據(jù)放入處理隊列然后返回，真正的處理是在中斷返回以后，這樣可以減少中斷時間。調(diào)用netif_rx()以后， ]<8VI‘
驅(qū)動程序就不能再存取數(shù)據(jù)緩沖區(qū)skb。 mI2qO
2.2.6 硬件幀頭(hard_header) {VKQ
硬件一般都會在上層數(shù)據(jù)發(fā)送之前加上自己的硬件幀頭，比如以太網(wǎng)(Ethernet)就有14字節(jié)的幀頭。這個幀頭是加在上層ip、ipx等數(shù)據(jù)包的前面的。驅(qū)動程序提供一個hard_header方法，協(xié)議層(ip、ipx、arp等)在發(fā)送數(shù)據(jù)之前會調(diào)用這段程序。 g
硬件幀頭的長度必須填在dev->hard_header_len，這樣協(xié)議層回在數(shù)據(jù)之前保留好硬件幀頭的空間。這樣hard_header程序只要調(diào)用skb_push然后正確填入硬件幀頭就可以了。 Mrs
在協(xié)議層調(diào)用hard_header時，傳送的參數(shù)包括(2.0.xx)：數(shù)據(jù)的sk_buff，device指針，protocol，目的地址(daddr)，源地址(saddr)，數(shù)據(jù)長度(len)。數(shù)據(jù)長度不要使用sk_buff中的參數(shù)，因為調(diào)用hard_header時數(shù)據(jù)可能還沒完全組織好。saddr是NULL的話是使用缺省地址(default)。daddr是NULL表明協(xié)議層不知道硬件目的地址。如果hard_header完全填好了硬件幀頭，則返回添加的字節(jié)數(shù)。如果硬件幀頭中的信息還不完全(比如daddr為NULL，但是幀頭中需要目的硬件地址。典型的情況是以太網(wǎng)需要地址解析(arp))，則返回負字節(jié)數(shù)。hard_header返回負數(shù)的情況下，協(xié)議層會做進一步的build header的工作。目前Linux系統(tǒng)里就是做arp (如果hard_header返回正，dev->arp=1，表明不需要做arp，返回負，dev->arp=0，做arp)。 t#‘G6s
對hard_header的調(diào)用在每個協(xié)議層的處理程序里。如ip_output。 /
2.2.7 地址解析(xarp) Yr
有些網(wǎng)絡(luò)有硬件地址(比如Ethernet)，并且在發(fā)送硬件幀時需要知道目的硬件地址。這樣就需要上層協(xié)議地址(ip、ipx)和硬件地址的對應(yīng)。這個對應(yīng)是通過地址解析完成的。需要做arp的的設(shè)備在發(fā)送之前會調(diào)用驅(qū)動程序的rebuild_header方法。調(diào)用的主要參數(shù)包括指向硬件幀頭的指針，協(xié)議層地址。如果驅(qū)動程序能夠解析硬件地址，就返回1，如果不能，返回0。 3P
對rebuild_header的調(diào)用在net/core/dev.c的do_dev_queue_xmit()里。 @+&q
2.2.8 參數(shù)設(shè)置和統(tǒng)計數(shù)據(jù) ‘?gP
在驅(qū)動程序里還提供一些方法供系統(tǒng)對設(shè)備的參數(shù)進行設(shè)置和讀取信息。一般只有超級用戶(root)權(quán)限才能對設(shè)備參數(shù)進行設(shè)置。設(shè)置方法有： }
dev->set_mac_address() rDoB<
當用戶調(diào)用ioctl類型為SIOCSIFHWADDR時是要設(shè)置這個設(shè)備的mac地址。一般對mac地址的設(shè)置沒有太大意義的。 [Z9e
dev->set_config() q{n
當用戶調(diào)用ioctl時類型為SIOCSIFMAP時，系統(tǒng)會調(diào)用驅(qū)動程序的set_config方法。用戶會傳遞一個ifmap結(jié)構(gòu)包含需要的I/O、中斷等參數(shù)。 2
dev->do_ioctl() vX7i
如果用戶調(diào)用ioctl時類型在SIOCDEVPRIVATE和SIOCDEVPRIVATE+15之間，系統(tǒng)會調(diào)用驅(qū)動程序的這個方法。一般是設(shè)置設(shè)備的專用數(shù)據(jù)。 V!q
讀取信息也是通過ioctl調(diào)用進行。除次之外驅(qū)動程序還可以提供一個 Vo4‘6
dev->get_stats方法，返回一個enet_statistics結(jié)構(gòu)，包含發(fā)送接收的統(tǒng)計信息。ioctl的處理在net/core/dev.c的dev_ioctl()和dev_ifsioc()里。 g
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linuxman@263.net N2%0sM
.3 網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序中用到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) H0}?
最重要的是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。定義在include/linux/netdevice.h里。它的注釋已經(jīng)足夠詳盡。 Cz*)YX
struct device IK
{ ©OldLinux論壇 -- 有關(guān)早期Linux內(nèi)核代碼發(fā)展的論壇。　　M%&M$$
/* ©OldLinux論壇 -- 有關(guān)早期Linux內(nèi)核代碼發(fā)展的論壇。　　HE>
* This is the first field of the "visible" part of this structure TM*pg
* (i.e. as seen by users in the "Space.c" file). It is the name JN AV
* the interface. Wd
*/ ©OldLinux論壇 -- 有關(guān)早期Linux內(nèi)核代碼發(fā)展的論壇。　　VF$G
char *name; O|O^w
/* I/O specific fields - FIXME: Merge these and struct ifmap into one */ `+*>2
unsigned long rmem_end; /* shmem "recv" end */ ^:
unsigned long rmem_start; /* shmem "recv" start */ 0yA3
unsigned long mem_end; /* shared mem end */