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Linux操作系統網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序編寫(xiě) %A
一.Linux系統設備驅動(dòng)程序概述 u5
1.1 Linux設備驅動(dòng)程序分類(lèi) %Vp}
1.2 編寫(xiě)驅動(dòng)程序的一些基本概念 *I
二.Linux系統網(wǎng)絡(luò )設備驅動(dòng)程序 "[`]K
2.1 網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序的結構 H
2.2 網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序的基本方法 U?+
2.3 網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序中用到的數據結構 IKo
2.4 常用的系統支持 v[ZEeu
三.編寫(xiě)Linux網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序中可能遇到的問(wèn)題 /oY
3.1 中斷共享 l@FZkg
3.2 硬件發(fā)送忙時(shí)的處理 pZw
3.3 流量控制(flow control) $:p.
3.4 調試 W!07
四.進(jìn)一步的閱讀 ]G_0Q
五.雜項 Z!h
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一.Linux系統設備驅動(dòng)程序概述 c
1.1 Linux設備驅動(dòng)程序分類(lèi) eiD)|w
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。 ASy
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。 "0}}}
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。 (r)
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1.2 編寫(xiě)驅動(dòng)程序的一些基本概念 Xl‘A!
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 Ry
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。 -2T
1.2.2 中斷 d#`T
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。 U- ="G
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。 ]_-Ggs
二.Linux系統網(wǎng)絡(luò )設備驅動(dòng)程序 -zwM
2.1 網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序的結構 V6
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。 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，然后調用netif_rx()傳遞給上層處理。 nZg"5
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2.2 網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序的基本方法 U
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。 m3RFY
下面解釋最基本的方法。 S
2.2.1 初始化(initialize) S@36`l
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。 Izv5m
2.2.2 打開(kāi)(open) \lo
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。 0
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。 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。 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。 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。 \I
2.2.5 接收(reception) :k
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： )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(監聽(tīng)模式時(shí)會(huì )有這種幀) M!]a2G
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， ]<8VI‘
驅動(dòng)程序就不能再存取數據緩沖區skb。 mI2qO
2.2.6 硬件幀頭(hard_header) {VKQ
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。 g
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。 Mrs
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)。 t#‘G6s
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) 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(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。 3P
對rebuild_header的調用在net/core/dev.c的do_dev_queue_xmit()里。 @+&q
2.2.8 參數設置和統計數據 ‘?gP
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() rDoB<
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。 [Z9e
dev->set_config() q{n
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。 2
dev->do_ioctl() vX7i
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。 V!q
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) Vo4‘6
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。 g
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linuxman@263.net N2%0sM
.3 網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序中用到的數據結構 H0}?
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。 Cz*)YX
struct device IK
{ ©OldLinux論壇 -- 有關(guān)早期Linux內核代碼發(fā)展的論壇?！　%&M$$
/* ©OldLinux論壇 -- 有關(guān)早期Linux內核代碼發(fā)展的論壇?！　E>
* 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內核代碼發(fā)展的論壇?！　F$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 */