------------------ Linux操作系統網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序編寫(xiě) -------------------
------------ Contact the author by mailto:bordi@bordi.dhs.org ------
Linux操作系統網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序編寫(xiě)
一.Linux系統設備驅動(dòng)程序概述
1.1 Linux設備驅動(dòng)程序分類(lèi)
1.2 編寫(xiě)驅動(dòng)程序的一些基本概念
二.Linux系統網(wǎng)絡(luò )設備驅動(dòng)程序
2.1 網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序的結構
2.2 網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序的基本方法
2.3 網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序中用到的數據結構
2.4 常用的系統支持
三.編寫(xiě)Linux網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序中可能遇到的問(wèn)題
3.1 中斷共享
3.2 硬件發(fā)送忙時(shí)的處理
3.3 流量控制(flow control)
3.4 調試
四.進(jìn)一步的閱讀
五.雜項
一.Linux系統設備驅動(dòng)程序概述
1.1 Linux設備驅動(dòng)程序分類(lèi)
Linux設備驅動(dòng)程序在Linux的內核源代碼中占有很大的比例，源代碼的長(cháng)度日
益增加，主要是驅動(dòng)程序的增加。在Linux內核的不斷升級過(guò)程中，驅動(dòng)程序的結構
還是相對穩定。在2.0.xx到2.2.xx的變動(dòng)里，驅動(dòng)程序的編寫(xiě)做了一些改變，但是
從2.0.xx的驅動(dòng)到2.2.xx的移植只需做少量的工作。
Linux系統的設備分為字符設備(char device)，塊設備(block device)和網(wǎng)絡(luò )
設備(network device)三種。字符設備是指存取時(shí)沒(méi)有緩存的設備。塊設備的讀寫(xiě)
都有緩存來(lái)支持，并且塊設備必須能夠隨機存取(random access)，字符設備則沒(méi)有
這個(gè)要求。典型的字符設備包括鼠標，鍵盤(pán)，串行口等。塊設備主要包括硬盤(pán)軟盤(pán)
設備，CD-ROM等。一個(gè)文件系統要安裝進(jìn)入操作系統必須在塊設備上。
網(wǎng)絡(luò )設備在Linux里做專(zhuān)門(mén)的處理。Linux的網(wǎng)絡(luò )系統主要是基于BSD unix的socket
機制。在系統和驅動(dòng)程序之間定義有專(zhuān)門(mén)的數據結構(sk_buff)進(jìn)行數據的傳遞。系
統里支持對發(fā)送數據和接收數據的緩存，提供流量控制機制，提供對多協(xié)議的支持。
1.2 編寫(xiě)驅動(dòng)程序的一些基本概念
無(wú)論是什么操作系統的驅動(dòng)程序，都有一些通用的概念。操作系統提供給驅動(dòng)
程序的支持也大致相同。下面簡(jiǎn)單介紹一下網(wǎng)絡(luò )設備驅動(dòng)程序的一些基本要求。
1.2.1 發(fā)送和接收
這是一個(gè)網(wǎng)絡(luò )設備最基本的功能。一塊網(wǎng)卡所做的無(wú)非就是收發(fā)工作。所以驅
動(dòng)程序里要告訴系統你的發(fā)送函數在哪里，系統在有數據要發(fā)送時(shí)就會(huì )調用你的發(fā)
送程序。還有驅動(dòng)程序由于是直接操縱硬件的，所以網(wǎng)絡(luò )硬件有數據收到最先能得
到這個(gè)數據的也就是驅動(dòng)程序，它負責把這些原始數據進(jìn)行必要的處理然后送給系
統。這里，操作系統必須要提供兩個(gè)機制，一個(gè)是找到驅動(dòng)程序的發(fā)送函數，一個(gè)
是驅動(dòng)程序把收到的數據送給系統。
1.2.2 中斷
中斷在現代計算機結構中有重要的地位。操作系統必須提供驅動(dòng)程序響應中斷
的能力。一般是把一個(gè)中斷處理程序注冊到系統中去。操作系統在硬件中斷發(fā)生后
調用驅動(dòng)程序的處理程序。Linux支持中斷的共享，即多個(gè)設備共享一個(gè)中斷。
1.2.3 時(shí)鐘
在實(shí)現驅動(dòng)程序時(shí)，很多地方會(huì )用到時(shí)鐘。如某些協(xié)議里的超時(shí)處理，沒(méi)有中
斷機制的硬件的輪詢(xún)等。操作系統應為驅動(dòng)程序提供定時(shí)機制。一般是在預定的時(shí)
間過(guò)了以后回調注冊的時(shí)鐘函數。在網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序中，如果硬件沒(méi)有中斷功能，定
時(shí)器可以提供輪詢(xún)(poll)方式對硬件進(jìn)行存取?；蛘呤菍?shí)現某些協(xié)議時(shí)需要的超時(shí)
重傳等。
二.Linux系統網(wǎng)絡(luò )設備驅動(dòng)程序
2.1 網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序的結構
所有的Linux網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序遵循通用的接口。設計時(shí)采用的是面向對象的方法。
一個(gè)設備就是一個(gè)對象(device 結構)，它內部有自己的數據和方法。每一個(gè)設備的
方法被調用時(shí)的第一個(gè)參數都是這個(gè)設備對象本身。這樣這個(gè)方法就可以存取自身
的數據(類(lèi)似面向對象程序設計時(shí)的this引用)。
一個(gè)網(wǎng)絡(luò )設備最基本的方法有初始化、發(fā)送和接收。
------------------- ---------------------
|deliver packets | |receive packets queue|
|(dev_queue_xmit()) | |them(netif_rx()) |
------------------- ---------------------
| | / \\
\\ / | |
-------------------------------------------------------
| methods and variables(initialize,open,close,hard_xmit,|
| interrupt handler,config,resources,status...) |
-------------------------------------------------------
| | / \\
\\ / | |
----------------- ----------------------
|send to hardware | |receivce from hardware|
----------------- ----------------------
| | / \\
\\ / | |
-----------------------------------------------------
| hardware media |
-----------------------------------------------------
初始化程序完成硬件的初始化、device中變量的初始化和系統資源的申請。發(fā)送
程序是在驅動(dòng)程序的上層協(xié)議層有數據要發(fā)送時(shí)自動(dòng)調用的。一般驅動(dòng)程序中不對發(fā)
送數據進(jìn)行緩存，而是直接使用硬件的發(fā)送功能把數據發(fā)送出去。接收數據一般是通
過(guò)硬件中斷來(lái)通知的。在中斷處理程序里，把硬件幀信息填入一個(gè)skbuff結構中，然
------------------ Linux操作系統網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序編寫(xiě) -------------------
------------ Contact the author by mailto:bordi@bordi.dhs.org ------
后調用netif_rx()傳遞給上層處理。
2.2 網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序的基本方法
網(wǎng)絡(luò )設備做為一個(gè)對象，提供一些方法供系統訪(fǎng)問(wèn)。正是這些有統一接口的方法，
掩蔽了硬件的具體細節，讓系統對各種網(wǎng)絡(luò )設備的訪(fǎng)問(wèn)都采用統一的形式，做到硬件
無(wú)關(guān)性。
下面解釋最基本的方法。
2.2.1 初始化(initialize)
驅動(dòng)程序必須有一個(gè)初始化方法。在把驅動(dòng)程序載入系統的時(shí)候會(huì )調用這個(gè)初
始化程序。它做以下幾方面的工作。檢測設備。在初始化程序里你可以根據硬件的
特征檢查硬件是否存在，然后決定是否啟動(dòng)這個(gè)驅動(dòng)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(gè)時(shí)
候進(jìn)行配置(Linux內核對PnP功能沒(méi)有很好的支持，可以在驅動(dòng)程序里完成這個(gè)功
能)。配置或協(xié)商好硬件占用的資源以后，就可以向系統申請這些資源。有些資源是
可以和別的設備共享的，如中斷。有些是不能共享的，如IO、DMA。接下來(lái)你要初始
化device結構中的變量。最后，你可以讓硬件正式開(kāi)始工作。
2.2.2 打開(kāi)(open)
open這個(gè)方法在網(wǎng)絡(luò )設備驅動(dòng)程序里是網(wǎng)絡(luò )設備被激活的時(shí)候被調用(即設備狀
態(tài)由down-->up)。所以實(shí)際上很多在initialize中的工作可以放到這里來(lái)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。
Open方法另一個(gè)作用是如果驅動(dòng)程序做為一個(gè)模塊被裝入，則要防止模塊卸載時(shí)
設備處于打開(kāi)狀態(tài)。在open方法里要調用MOD_INC_USE_COUNT宏。
2.2.3 關(guān)閉(stop)
close方法做和open相反的工作?？梢葬尫拍承┵Y源以減少系統負擔。Close是在
設備狀態(tài)由up轉為down時(shí)被調用的。另外如果是做為模塊裝入的驅動(dòng)程序，close里
應該調用MOD_DEC_USE_COUNT，減少設備被引用的次數，以使驅動(dòng)程序可以被卸載。
另外close方法必須返回成功(0==success)。
2.2.4 發(fā)送(hard_start_xmit)
所有的網(wǎng)絡(luò )設備驅動(dòng)程序都必須有這個(gè)發(fā)送方法。在系統調用驅動(dòng)程序的xmit
時(shí)，發(fā)送的數據放在一個(gè)sk_buff結構中。一般的驅動(dòng)程序把數據傳給硬件發(fā)出去。
也有一些特殊的設備比如loopback把數據組成一個(gè)接收數據再回送給系統，或者
dummy設備直接丟棄數據。
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
設備暫時(shí)無(wú)法處理，比如硬件忙，則返回1。這時(shí)如果dev->tbusy置為非0，則系統
認為硬件忙，要等到dev->tbusy置0以后才會(huì )再次發(fā)送。Tbusy的置0任務(wù)一般由中斷
完成。硬件在發(fā)送結束后產(chǎn)生中斷，這時(shí)可以把tbusy置0，然后用mark_bh()調用通
知系統可以再次發(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
系統會(huì )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(lái)的sk_buff中的數據已經(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，數據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(huì )存取它。
2.2.5 接收(reception)
驅動(dòng)程序并不存在一個(gè)接收方法。有數據收到應該是驅動(dòng)程序來(lái)通知系統的。
一般設備收到數據后都會(huì )產(chǎn)生一個(gè)中斷，在中斷處理程序中驅動(dòng)程序申請一塊
sk_buff(skb)，從硬件讀出數據放置到申請好的緩沖區里。接下來(lái)填充sk_buff中
的一些信息。Skb->dev = dev，判斷收到幀的協(xié)議類(lèi)型，填入skb->protocol(多協(xié)
議的支持)。把指針skb->mac.raw指向硬件數據然后丟棄硬件幀頭(skb_pull)。還要
設置skb->pkt_type，標明第二層(鏈路層)數據類(lèi)型?？梢允且韵骂?lèi)型：
PACKET_BROADCAST : 鏈路層廣播
PACKET_MULTICAST : 鏈路層組播
PACKET_SELF : 發(fā)給自己的幀
PACKET_OTHERHOST : 發(fā)給別人的幀(監聽(tīng)模式時(shí)會(huì )有這種幀)
最后調用netif_rx()把數據傳送給協(xié)議層。Netif_rx()里數據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(shí)間。調用netif_rx()以后，
驅動(dòng)程序就不能再存取數據緩沖區skb。
2.2.6 硬件幀頭(hard_header)
硬件一般都會(huì )在上層數據發(fā)送之前加上自己的硬件幀頭，比如以太網(wǎng)(Ethernet)
就有14字節的幀頭。這個(gè)幀頭是加在上層ip、ipx等數據包的前面的。驅動(dòng)程序提供
一個(gè)hard_header方法，協(xié)議層(ip、ipx、arp等)在發(fā)送數據之前會(huì )調用這段程序。
硬件幀頭的長(cháng)度必須填在dev->hard_header_len，這樣協(xié)議層回在數據之前保留好
硬件幀頭的空間。這樣hard_header程序只要調用skb_push然后正確填入硬件幀頭就
可以了。
在協(xié)議層調用hard_header時(shí)，傳送的參數包括(2.0.xx)：數據的sk_buff，
device指針，protocol，目的地址(daddr)，源地址(saddr)，數據長(cháng)度(len)。數據
長(cháng)度不要使用sk_buff中的參數，因為調用hard_header時(shí)數據可能還沒(méi)完全組織好。
Saddr是NULL的話(huà)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，則返回添加的字節數。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))，則返回負字節數。Hard_header返回負數的情況
下，協(xié)議層會(huì )做進(jìn)一步的build header的工作。目前Linux系統里就是做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)。
對hard_header的調用在每個(gè)協(xié)議層的處理程序里。如ip_output。
2.2.7 地址解析(xarp)
有些網(wǎng)絡(luò )有硬件地址(比如Ethernet)，并且在發(fā)送硬件幀時(shí)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。這個(gè)對應是通過(guò)地址
解析完成的。需要做arp的的設備在發(fā)送之前會(huì )調用驅動(dòng)程序的rebuild_header方
法。調用的主要參數包括指向硬件幀頭的指針，協(xié)議層地址。如果驅動(dòng)程序能夠解
析硬件地址，就返回1，如果不能，返回0。
對rebuild_header的調用在net/core/dev.c的do_dev_queue_xmit()里。
2.2.8 參數設置和統計數據
在驅動(dòng)程序里還提供一些方法供系統對設備的參數進(jìn)行設置和讀取信息。一般
只有超級用戶(hù)(root)權限才能對設備參數進(jìn)行設置。設置方法有：
dev->set_mac_address()
當用戶(hù)調用ioctl類(lèi)型為SIOCSIFHWADDR時(shí)是要設置這個(gè)設備的mac地址。一般
對mac地址的設置沒(méi)有太大意義的。
Dev->set_config()
------------------ Linux操作系統網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序編寫(xiě) -------------------
------------ Contact the author by mailto:bordi@bordi.dhs.org ------
當用戶(hù)調用ioctl時(shí)類(lèi)型為SIOCSIFMAP時(shí)，系統會(huì )調用驅動(dòng)程序的set_config
方法。用戶(hù)會(huì )傳遞一個(gè)ifmap結構包含需要的I/O、中斷等參數。
Dev->do_ioctl()
如果用戶(hù)調用ioctl時(shí)類(lèi)型在SIOCDEVPRIVATE和SIOCDEVPRIVATE+15之間，系統
會(huì )調用驅動(dòng)程序的這個(gè)方法。一般是設置設備的專(zhuān)用數據。
讀取信息也是通過(guò)ioctl調用進(jìn)行。除次之外驅動(dòng)程序還可以提供一個(gè)
dev->get_stats方法，返回一個(gè)enet_statistics結構，包含發(fā)送接收的統計信息。
Ioctl的處理在net/core/dev.c的dev_ioctl()和dev_ifsioc()里。
2.3 網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序中用到的數據結構
最重要的是網(wǎng)絡(luò )設備的數據結構。定義在include/linux/netdevice.h里。它
的注釋已經(jīng)足夠詳盡。
Struct device
{
/*
* This is the first field of the \"visible\" part of this structure
* (I.e. As seen by users in the \"Space.c\" file). It is the name
* the interface.
*/
char *name;
/* I/O specific fields - FIXME: Merge these and struct ifmap into one */
unsigned long rmem_end; /* shmem \"recv\" end */
unsigned long rmem_start; /* shmem \"recv\" start */
unsigned long mem_end; /* shared mem end */
unsigned long mem_start; /* shared mem start */
unsigned long base_addr; /* device I/O address */
unsigned char irq; /* device IRQ number */
/* Low-level status flags. */
volatile unsigned char start, /* start an operation */
interrupt; /* interrupt arrived */
/* 在處理中斷時(shí)interrupt設為1，處理完清0。 */
unsigned long tbusy; /* transmitter busy must be long for
bitops */
struct device *next;
/* The device initialization function. Called only once. */
/* 指向驅動(dòng)程序的初始化方法。 */
int (*init)(struct device *dev);
/* Some hardware also needs these fields, but they are not part of the
usual set specified in Space.c. */
/* 一些硬件可以在一塊板上支持多個(gè)接口，可能用到if_port。 */
unsigned char if_port; /* Selectable AUI, TP,..*/
unsigned char dma; /* DMA channel */
struct enet_statistics* (*get_stats)(struct device *dev);
/*
* This marks the end of the \"visible\" part of the structure. All
* fields hereafter are internal to the system, and may change at
* will (read: may be cleaned up at will).
*/
/* These may be needed for future network-power-down code. */
/* trans_start記錄最后一次成功發(fā)送的時(shí)間?？梢杂脕?lái)確定硬件是否工作正常。*/
unsigned long trans_start; /* Time (in jiffies) of last Tx */
unsigned long last_rx; /* Time of last Rx */
/* flags里面有很多內容，定義在include/linux/if.h里。*/
unsigned short flags; /* interface flags (a la BSD) */
unsigned short family; /* address family ID (AF_INET) */
unsigned short metric; /* routing metric (not used) */
unsigned short mtu; /* interface MTU value */
/* type標明物理硬件的類(lèi)型。主要說(shuō)明硬件是否需要arp。定義在
include/linux/if_arp.h里。 */
unsigned short type; /* interface hardware type */
/* 上層協(xié)議層根據hard_header_len在發(fā)送數據緩沖區前面預留硬件幀頭空間。*/
unsigned short hard_header_len; /* hardware hdr length */
/* priv指向驅動(dòng)程序自己定義的一些參數。*/
void *priv; /* pointer to private data */
/* Interface address info. */
unsigned char broadcast[MAX_ADDR_LEN]; /* hw bcast add */
unsigned char pad; /* make dev_addr aligned to 8
bytes */
unsigned char dev_addr[MAX_ADDR_LEN]; /* hw address */
unsigned char addr_len; /* hardware address length */
unsigned long pa_addr; /* protocol address */
unsigned long pa_brdaddr; /* protocol broadcast addr */
unsigned long pa_dstaddr; /* protocol P-P other side addr */
unsigned long pa_mask; /* protocol netmask */
unsigned short pa_alen; /* protocol address length */
struct dev_mc_list *mc_list; /* Multicast mac addresses */
int mc_count; /* Number of installed mcasts */
struct ip_mc_list *ip_mc_list; /* IP multicast filter chain */
__u32 tx_queue_len; /* Max frames per queue allowed */
------------------ Linux操作系統網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序編寫(xiě) -------------------
------------ Contact the author by mailto:bordi@bordi.dhs.org ------
/* For load balancing driver pair support */
unsigned long pkt_queue; /* Packets queued */
struct device *slave; /* Slave device */
struct net_alias_info *alias_info; /* main dev alias info */
struct net_alias *my_alias; /* alias devs */
/* Pointer to the interface buffers. */
struct sk_buff_head buffs[DEV_NUMBUFFS];
/* Pointers to interface service routines. */
int (*open)(struct device *dev);
int (*stop)(struct device *dev);
int (*hard_start_xmit) (struct sk_buff *skb,
struct device *dev);
int (*hard_header) (struct sk_buff *skb,
struct device *dev,
unsigned short type,
void *daddr,
void *saddr,
unsigned len);
int (*rebuild_header)(void *eth, struct device *dev,
unsigned long raddr, struct sk_buff *skb);
#define HAVE_MULTICAST
void (*set_multicast_list)(struct device *dev);
#define HAVE_SET_MAC_ADDR
int (*set_mac_address)(struct device *dev, void *addr);
#define HAVE_PRIVATE_IOCTL
int (*do_ioctl)(struct device *dev, struct ifreq *ifr, int cmd);
#define HAVE_SET_CONFIG
int (*set_config)(struct device *dev, struct ifmap *map);
#define HAVE_HEADER_CACHE
void (*header_cache_bind)(struct hh_cache **hhp, struct device
*dev, unsigned short htype, __u32 daddr);
void (*header_cache_update)(struct hh_cache *hh, struct device
*dev, unsigned char * haddr);
#define HAVE_CHANGE_MTU
int (*change_mtu)(struct device *dev, int new_mtu);
struct iw_statistics* (*get_wireless_stats)(struct device *dev);
};
2.4 常用的系統支持
2.4.1 內存申請和釋放
include/linux/kernel.h里聲明了kmalloc()和kfree()。用于在內核模式下申
請和釋放內存。
Void *kmalloc(unsigned int len,int priority);
void kfree(void *__ptr);
與用戶(hù)模式下的malloc()不同，kmalloc()申請空間有大小限制。長(cháng)度是2的整
次方?？梢陨暾埖淖畲箝L(cháng)度也有限制。另外kmalloc()有priority參數，通常使用
時(shí)可以為GFP_KERNEL，如果在中斷里調用用GFP_ATOMIC參數，因為使用GFP_KERNEL
則調用者可能進(jìn)入sleep狀態(tài)，在處理中斷時(shí)是不允許的。
Kfree()釋放的內存必須是kmalloc()申請的。如果知道內存的大小，也可以用
kfree_s()釋放。
2.4.2 request_irq()、free_irq()
這是驅動(dòng)程序申請中斷和釋放中斷的調用。在include/linux/sched.h里聲明。
Request_irq()調用的定義：
int request_irq(unsigned int irq,
void (*handler)(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs),
unsigned long irqflags,
const char * devname,
void *dev_id);
irq是要申請的硬件中斷號。在Intel平臺，范圍0--15。Handler是向系統登記
的中斷處理函數。這是一個(gè)回調函數，中斷發(fā)生時(shí)，系統調用這個(gè)函數，傳入的參
數包括硬件中斷號，device id，寄存器值。Dev_id就是下面的request_irq時(shí)傳遞
給系統的參數dev_id。Irqflags是中斷處理的一些屬性。比較重要的有SA_INTERRUPT，
標明中斷處理程序是快速處理程序(設置SA_INTERRUPT)還是慢速處理程序(不設置
SA_INTERRUPT)?？焖偬幚沓绦虮徽{用時(shí)屏蔽所有中斷。慢速處理程序不屏蔽。還有
一個(gè)SA_SHIRQ屬性，設置了以后運行多個(gè)設備共享中斷。Dev_id在中斷共享時(shí)會(huì )用
到。一般設置為這個(gè)設備的device結構本身或者NULL。中斷處理程序可以用dev_id
找到相應的控制這個(gè)中斷的設備，或者用irq2dev_map找到中斷對應的設備。
Void free_irq(unsigned int irq,void *dev_id);
2.4.3 時(shí)鐘
時(shí)鐘的處理類(lèi)似中斷，也是登記一個(gè)時(shí)間處理函數，在預定的時(shí)間過(guò)后，系統
會(huì )調用這個(gè)函數。在include/linux/timer.h里聲明。
Struct timer_list {
struct timer_list *next;
struct timer_list *prev;
unsigned long expires;
unsigned long data;
void (*function)(unsigned long);
};
void add_timer(struct timer_list * timer);
int del_timer(struct timer_list * timer);
void init_timer(struct timer_list * timer);
使用時(shí)鐘，先聲明一個(gè)timer_list結構，調用init_timer對它進(jìn)行初始化。
Time_list結構里expires是標明這個(gè)時(shí)鐘的周期，單位采用jiffies的單位。
Jiffies是Linux一個(gè)全局變量，代表時(shí)間。它的單位隨硬件平臺的不同而不同。
系統里定義了一個(gè)常數HZ，代表每秒種最小時(shí)間間隔的數目。這樣jiffies的單位
就是1/HZ。Intel平臺jiffies的單位是1/100秒，這就是系統所能分辨的最小時(shí)間
間隔了。所以expires/HZ就是以秒為單位的這個(gè)時(shí)鐘的周期。
Function就是時(shí)間到了以后的回調函數，它的參數就是timer_list中的data。
Data這個(gè)參數在初始化時(shí)鐘的時(shí)候賦值，一般賦給它設備的device結構指針。
在預置時(shí)間到系統調用function，同時(shí)系統把這個(gè)time_list從定時(shí)隊列里清
除。所以如果需要一直使用定時(shí)函數，要在function里再次調用add_timer()把這
------------------ Linux操作系統網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序編寫(xiě) -------------------
------------ Contact the author by mailto:bordi@bordi.dhs.org ------
個(gè)timer_list加進(jìn)定時(shí)隊列。
2.4.4 I/O
I/O端口的存取使用：
inline unsigned int inb(unsigned short port);
inline unsigned int inb_p(unsigned short port);
inline void outb(char value, unsigned short port);
inline void outb_p(char value, unsigned short port);
在include/adm/io.h里定義。
Inb_p()、outb_p()與inb()、outb_p()的不同在于前者在存取I/O時(shí)有等待
(pause)一適應慢速的I/O設備。
為了防止存取I/O時(shí)發(fā)生沖突，Linux提供對端口使用情況的控制。在使用端口
之前，可以檢查需要的I/O是否正在被使用，如果沒(méi)有，則把端口標記為正在使用，
使用完后再釋放。系統提供以下幾個(gè)函數做這些工作。
Int check_region(unsigned int from, unsigned int extent);
void request_region(unsigned int from, unsigned int extent,const char *name);
void release_region(unsigned int from, unsigned int extent);
其中的參數from表示用到的I/O端口的起始地址，extent標明從from開(kāi)始的端
口數目。Name為設備名稱(chēng)。
2.4.5 中斷打開(kāi)關(guān)閉
系統提供給驅動(dòng)程序開(kāi)放和關(guān)閉響應中斷的能力。是在include/asm/system.h
中的兩個(gè)定義。
#define cli() __asm__ __volatile__ (\"cli\"::)
#define sti() __asm__ __volatile__ (\"sti\"::)
2.4.6 打印信息
類(lèi)似普通程序里的printf()，驅動(dòng)程序要輸出信息使用printk()。在include
/linux/kernel.h里聲明。
Int printk(const char* fmt, ...);
其中fmt是格式化字符串。...是參數。都是和printf()格式一樣的。
2.4.7 注冊驅動(dòng)程序
如果使用模塊(module)方式加載驅動(dòng)程序，需要在模塊初始化時(shí)把設備注冊
到系統設備表里去。不再使用時(shí)，把設備從系統中卸除。定義在drivers/net/net_init.h
里的兩個(gè)函數完成這個(gè)工作。
Int register_netdev(struct device *dev);
void unregister_netdev(struct device *dev);
dev就是要注冊進(jìn)系統的設備結構指針。在register_netdev()時(shí)，dev結構一
般填寫(xiě)前面11項，即到init，后面的暫時(shí)可以不用初始化。最重要的是name指針和
init方法。Name指針空(NULL)或者內容為\"\\0\"或者name[0]為空格(space)，則系統
把你的設備做為以太網(wǎng)設備處理。以太網(wǎng)設備有統一的命名格式，ethX。對以太網(wǎng)
這么特別對待大概和Linux的歷史有關(guān)。
Init方法一定要提供，register_netdev()會(huì )調用這個(gè)方法讓你對硬件檢測和
設置。
Register_netdev()返回0表示成功，非0不成功。
2.4.8 sk_buff
Linux網(wǎng)絡(luò )各層之間的數據傳送都是通過(guò)sk_buff。Sk_buff提供一套管理緩沖
區的方法，是Linux系統網(wǎng)絡(luò )高效運行的關(guān)鍵。每個(gè)sk_buff包括一些控制方法和一
塊數據緩沖區?？刂品椒ò垂δ芊譃閮煞N類(lèi)型。一種是控制整個(gè)buffer鏈的方法，
另一種是控制數據緩沖區的方法。Sk_buff組織成雙向鏈表的形式，根據網(wǎng)絡(luò )應用
的特點(diǎn)，對鏈表的操作主要是刪除鏈表頭的元素和添加到鏈表尾。Sk_buff的控制
方法都很短小以盡量減少系統負荷。(translated from article written by Alan
Cox)
常用的方法包括：
.alloc_skb() 申請一個(gè)sk_buff并對它初始化。返回就是申請到的sk_buff。
.dev_alloc_skb()類(lèi)似alloc_skb，在申請好緩沖區后，保留16字節的幀頭空
間。主要用在Ethernet驅動(dòng)程序。
.kfree_skb() 釋放一個(gè)sk_buff。
.skb_clone() 復制一個(gè)sk_buff，但不復制數據部分。
.skb_copy()完全復制一個(gè)sk_buff。
.skb_dequeue() 從一個(gè)sk_buff鏈表里取出第一個(gè)元素。返回取出的sk_buff，
如果鏈表空則返回NULL。這是常用的一個(gè)操作。
.skb_queue_head() 在一個(gè)sk_buff鏈表頭放入一個(gè)元素。
.skb_queue_tail() 在一個(gè)sk_buff鏈表尾放入一個(gè)元素。這也是常用的一個(gè)
操作。網(wǎng)絡(luò )數據的處理主要是對一個(gè)先進(jìn)先出隊列的管理，skb_queue_tail()
和skb_dequeue()完成這個(gè)工作。
.skb_insert() 在鏈表的某個(gè)元素前插入一個(gè)元素。
.skb_append() 在鏈表的某個(gè)元素后插入一個(gè)元素。一些協(xié)議(如TCP)對沒(méi)按
順序到達的數據進(jìn)行重組時(shí)用到skb_insert()和skb_append()。
.skb_reserve() 在一個(gè)申請好的sk_buff的緩沖區里保留一塊空間。這個(gè)空間
一般是用做下一層協(xié)議的頭空間的。
.skb_put() 在一個(gè)申請好的sk_buff的緩沖區里為數據保留一塊空間。在
alloc_skb以后，申請到的sk_buff的緩沖區都是處于空(free)狀態(tài)，有一個(gè)
tail指針指向free空間，實(shí)際上開(kāi)始時(shí)tail就指向緩沖區頭。Skb_reserve()
在free空間里申請協(xié)議頭空間，skb_put()申請數據空間。見(jiàn)下面的圖。
.skb_push() 把sk_buff緩沖區里數據空間往前移。即把Head room中的空間移
一部分到Data area。
.skb_pull() 把sk_buff緩沖區里Data area中的空間移一部分到Head room中。
--------------------------------------------------
| Tail room(free) |
--------------------------------------------------
After alloc_skb()
--------------------------------------------------
| Head room | Tail room(free) |
--------------------------------------------------
After skb_reserve()
--------------------------------------------------
| Head room | Data area | Tail room(free) |
--------------------------------------------------
After skb_put()
--------------------------------------------------
|Head| skb_ | Data | Tail room(free) |
|room| push | | |
| | Data area | |
--------------------------------------------------
After skb_push()
--------------------------------------------------
| Head | skb_ | Data area | Tail room(free) |
| | pull | | |
| Head room | | |
--------------------------------------------------
After skb_pull()
------------------ Linux操作系統網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序編寫(xiě) -------------------
------------ Contact the author by mailto:bordi@bordi.dhs.org ------
三.編寫(xiě)Linux網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序中需要注意的問(wèn)題
3.1 中斷共享
Linux系統運行幾個(gè)設備共享同一個(gè)中斷。需要共享的話(huà)，在申請的時(shí)候指明
共享方式。系統提供的request_irq()調用的定義：
int request_irq(unsigned int irq,
void (*handler)(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs),
unsigned long irqflags,
const char * devname,
void *dev_id);
如果共享中斷，irqflags設置SA_SHIRQ屬性，這樣就允許別的設備申請同一個(gè)
中斷。需要注意所有用到這個(gè)中斷的設備在調用request_irq()都必須設置這個(gè)屬
性。系統在回調每個(gè)中斷處理程序時(shí)，可以用dev_id這個(gè)參數找到相應的設備。一
般dev_id就設為device結構本身。系統處理共享中斷是用各自的dev_id參數依次調
用每一個(gè)中斷處理程序。
3.2 硬件發(fā)送忙時(shí)的處理
主CPU的處理能力一般比網(wǎng)絡(luò )發(fā)送要快，所以經(jīng)常會(huì )遇到系統有數據要發(fā)，但
上一包數據網(wǎng)絡(luò )設備還沒(méi)發(fā)送完。因為在Linux里網(wǎng)絡(luò )設備驅動(dòng)程序一般不做數據
緩存，不能發(fā)送的數據都是通知系統發(fā)送不成功，所以必須要有一個(gè)機制在硬件不
忙時(shí)及時(shí)通知系統接著(zhù)發(fā)送下面的數據。
一般對發(fā)送忙的處理在前面設備的發(fā)送方法(hard_start_xmit)里已經(jīng)描述過(guò)，
即如果發(fā)送忙，置tbusy為1。處理完發(fā)送數據后，在發(fā)送結束中斷里清tbusy，同
時(shí)用mark_bh()調用通知系統繼續發(fā)送。
但在具體實(shí)現我的驅動(dòng)程序時(shí)發(fā)現，這樣的處理系統好象并不能及時(shí)地知道硬
件已經(jīng)空閑了，即在mark_bh()以后，系統要等一段時(shí)間才會(huì )接著(zhù)發(fā)送。造成發(fā)送
效率很低。2M線(xiàn)路只有10%不到的使用率。內核版本為2.0.35。
我最后的實(shí)現是不把tbusy置1，讓系統始終認為硬件空閑，但是報告發(fā)送不成
功。系統會(huì )一直嘗試重發(fā)。這樣處理就運行正常了。但是遍循內核源碼中的網(wǎng)絡(luò )驅
動(dòng)程序，似乎沒(méi)有這樣處理的。不知道癥結在哪里。
3.3 流量控制(flow control)
網(wǎng)絡(luò )數據的發(fā)送和接收都需要流量控制。這些控制是在系統里實(shí)現的，不需要
驅動(dòng)程序做工作。每個(gè)設備數據結構里都有一個(gè)參數dev->tx_queue_len，這個(gè)參數
標明發(fā)送時(shí)最多緩存的數據包。在Linux系統里以太網(wǎng)設備(10/100Mbps)
tx_queue_len一般設置為100，串行線(xiàn)路(異步串口)為10。實(shí)際上如果看源碼可以
知道，設置了dev->tx_queue_len并不是為緩存這些數據申請了空間。這個(gè)參數只是
在收到協(xié)議層的數據包時(shí)判斷發(fā)送隊列里的數據是不是到了tx_queue_len的限度，
以決定這一包數據加不加進(jìn)發(fā)送隊列。發(fā)送時(shí)另一個(gè)方面的流控是更高層協(xié)議的發(fā)
送窗口(TCP協(xié)議里就有發(fā)送窗口)。達到了窗口大小，高層協(xié)議就不會(huì )再發(fā)送數據。
接收流控也分兩個(gè)層次。Netif_rx()緩存的數據包有限制。另外高層協(xié)議也會(huì )
有一個(gè)最大的等待處理的數據量。
發(fā)送和接收流控處理在net/core/dev.c的do_dev_queue_xmit()和netif_rx()
中。
3.4 調試
很多Linux的驅動(dòng)程序都是編譯進(jìn)內核的，形成一個(gè)大的內核文件。但對調試
來(lái)說(shuō)，這是相當麻煩的。調試驅動(dòng)程序可以用module方式加載。支持模塊方式的
驅動(dòng)程序必須提供兩個(gè)函數：int init_module(void)和void cleanup_module(void)。
Init_module()在加載此模塊時(shí)調用，在這個(gè)函數里可以register_netdev()注冊
設備。Init_module()返回0表示成功，返回負表示失敗。Cleanup_module()在驅動(dòng)
程序被卸載時(shí)調用，清除占用的資源，調用unregister_netdev()。
模塊可以動(dòng)態(tài)地加載、卸載。在2.0.xx版本里，還有kerneld自動(dòng)加載模塊，
但是2.2.xx中已經(jīng)取消了kerneld。手工加載使用insmod命令，卸載用rmmod命令，
看內核中的模塊用lsmod命令。
編譯驅動(dòng)程序用gcc，主要命令行參數-DKERNEL -DMODULE。并且作為模塊加載
的驅動(dòng)程序，只編譯成obj形式(加-c參數)。編譯好的目標文件放在/lib/modules
/2.x.xx/misc下，在啟動(dòng)文件里用insmod加載。
四.進(jìn)一步的閱讀
Linux程序設計資料可以從網(wǎng)上獲得。這就是開(kāi)放源代碼的好處。并且沒(méi)有什
么“未公開(kāi)的秘密”。我編寫(xiě)驅動(dòng)程序時(shí)參閱的主要資料包括：
Linux內核源代碼
<> by Michael K. Johnson
<> by Ori Pomerantz
<> by olly in BBS水木清華站 可以選擇一個(gè)模板作為開(kāi)始，內核源代碼里有一個(gè)網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序的模板，
drivers/net/skeleton.c。里面包含了驅動(dòng)程序的基本內容。但這個(gè)模板是以以太
網(wǎng)設備為對象的，以太網(wǎng)的處理在Linux系統里有特殊“待遇”，所以如果不是以
太網(wǎng)設備，有些細節上要注意，主要在初始化程序里。
最后，多參照別人寫(xiě)的程序，聽(tīng)聽(tīng)其他開(kāi)發(fā)者的經(jīng)驗之談大概是最有效的幫助
了。
Trackback: http://tb.blog.csdn.net/TrackBack.aspx?PostId=660694
