Linux網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序編寫
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工作需要寫了我們公司一塊網(wǎng)卡的Linux驅(qū)動(dòng)程序。經(jīng)歷一個(gè)從無到有的過程，深感技術(shù)交流的重要。Linux作為挑戰(zhàn)微軟壟斷的強(qiáng)有力武器，日益受到大家的喜愛。真希望她能在中國迅速成長。把程序文檔貼出來，希望和大家探討Linux技術(shù)和應(yīng)用，促進(jìn)Linux在中國的普及。
Linux操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序編寫
一.Linux系統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序概述
1.1Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序分類
1.2編寫驅(qū)動(dòng)程序的一些基本概念
二.Linux系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序
2.1網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)
2.2網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序的基本方法
2.3網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序中用到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
2.4常用的系統(tǒng)支持
三.編寫Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序中可能遇到的問題
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(flowcontrol)
3.4調(diào)試
四.進(jìn)一步的閱讀
五.雜項(xiàng)
一.Linux系統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序概述
1.1Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序分類
Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(dòng)程序的增加。在Linux內(nèi)核的不斷升級(jí)過程中，驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)還是相對(duì)穩(wěn)定。在2.0.xx到2.2.xx的變動(dòng)里，驅(qū)動(dòng)程序的編寫做了一些改變，但是從2.0.xx的驅(qū)動(dòng)到2.2.xx的移植只需做少量的工作。
Linux系統(tǒng)的設(shè)備分為字符設(shè)備(chardevice)，塊設(shè)備(blockdevice)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(networkdevice)三種。字符設(shè)備是指存取時(shí)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(jī)存取(randomaccess)，字符設(shè)備則沒有這個(gè)要求。典型的字符設(shè)備包括鼠標(biāo)，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(gè)文件系統(tǒng)要安裝進(jìn)入操作系統(tǒng)必須在塊設(shè)備上。
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BSDunix的socket機(jī)制。在系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)程序之間定義有專門的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(sk_buff)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞。系統(tǒng)里支持對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的緩存，提供流量控制機(jī)制，提供對(duì)多協(xié)議的支持。
1.2編寫驅(qū)動(dòng)程序的一些基本概念
無論是什么操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序，都有一些通用的概念。操作系統(tǒng)提供給驅(qū)動(dòng)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(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(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(dòng)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(shí)就會(huì)調(diào)用你的發(fā)送程序。還有驅(qū)動(dòng)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(gè)數(shù)據(jù)的也就是驅(qū)動(dòng)程序，它負(fù)責(zé)把這些原始數(shù)據(jù)進(jìn)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(gè)機(jī)制，一個(gè)是找到驅(qū)動(dòng)程序的發(fā)送函數(shù)，一個(gè)是驅(qū)動(dòng)程序把收到的數(shù)據(jù)送給系統(tǒng)。
1.2.2中斷
中斷在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)中有重要的地位。操作系統(tǒng)必須提供驅(qū)動(dòng)程序響應(yīng)中斷的能力。一般是把一個(gè)中斷處理程序注冊(cè)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(dòng)程序的處理程序。Linux支持中斷的共享，即多個(gè)設(shè)備共享一個(gè)中斷。
1.2.3時(shí)鐘
在實(shí)現(xiàn)驅(qū)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，沒有中斷機(jī)制的硬件的輪詢等。操作系統(tǒng)應(yīng)為驅(qū)動(dòng)程序提供定時(shí)機(jī)制。一般是在預(yù)定的時(shí)間過了以后回調(diào)注冊(cè)的時(shí)鐘函數(shù)。在網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序中，如果硬件沒有中斷功能，定時(shí)器可以提供輪詢(poll)方式對(duì)硬件進(jìn)行存取?；蛘呤菍?shí)現(xiàn)某些協(xié)議時(shí)需要的超時(shí)重傳等。
二.Linux系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序
2.1網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)
所有的Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序遵循通用的接口。設(shè)計(jì)時(shí)采用的是面向?qū)ο蟮姆椒?。一個(gè)設(shè)備就是一個(gè)對(duì)象(device結(jié)構(gòu))，它內(nèi)部有自己的數(shù)據(jù)和方法。每一個(gè)設(shè)備的方法被調(diào)用時(shí)的第一個(gè)參數(shù)都是這個(gè)設(shè)備對(duì)象本身。這樣這個(gè)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(jì)時(shí)的this引用)。
一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備最基本的方法有初始化、發(fā)送和接收。
----------------------------------------
|deliverpackets||receivepacketsqueue|
|(dev_queue_xmit())||them(netif_rx())|
----------------------------------------
||/
/||
-------------------------------------------------------
|methodsandvariables(initialize,open,close,hard_xmit,|
|interrupthandler,config,resources,status...)|
-------------------------------------------------------
||/
/||
---------------------------------------
|sendtohardware||receivcefromhardware|
---------------------------------------
||/
/||
-----------------------------------------------------
|hardwaremedia|
-----------------------------------------------------
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(qǐng)。發(fā)送程序是在驅(qū)動(dòng)程序的上層協(xié)議層有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)自動(dòng)調(diào)用的。一般驅(qū)動(dòng)程序中不對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)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(gè)skbuff結(jié)構(gòu)中，然后調(diào)用netif_rx()傳遞給上層處理。
2.2網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序的基本方法
網(wǎng)絡(luò)設(shè)備做為一個(gè)對(duì)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(xì)節(jié)，讓系統(tǒng)對(duì)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。
下面解釋最基本的方法。
2.2.1初始化(initialize)
驅(qū)動(dòng)程序必須有一個(gè)初始化方法。在把驅(qū)動(dòng)程序載入系統(tǒng)的時(shí)候會(huì)調(diào)用這個(gè)初始化程序。它做以下幾方面的工作。檢測(cè)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(dòng)這個(gè)驅(qū)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(duì)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(nèi)核對(duì)PnP功能沒有很好的支持，可以在驅(qū)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(tǒng)申請(qǐng)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。[!--empirenews.page--]
2.2.2打開(open)
open這個(gè)方法在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序里是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備被激活的時(shí)候被調(diào)用(即設(shè)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做。比如資源的申請(qǐng)，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(qū)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(shè)備處于打開狀態(tài)。在open方法里要調(diào)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(tǒng)負(fù)擔(dān)。close是在設(shè)備狀態(tài)由up轉(zhuǎn)為down時(shí)被調(diào)用的。另外如果是做為模塊裝入的驅(qū)動(dòng)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(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(shè)備驅(qū)動(dòng)程序都必須有這個(gè)發(fā)送方法。在系統(tǒng)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的xmit時(shí)，發(fā)送的數(shù)據(jù)放在一個(gè)sk_buff結(jié)構(gòu)中。一般的驅(qū)動(dòng)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(gè)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)。
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(shí)無法處理，比如硬件忙，則返回1。這時(shí)如果dev->tbusy置為非0，則系統(tǒng)認(rèn)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(jié)束后產(chǎn)生中斷，這時(shí)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(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(huì)存取它。
2.2.5接收(reception)
驅(qū)動(dòng)程序并不存在一個(gè)接收方法。有數(shù)據(jù)收到應(yīng)該是驅(qū)動(dòng)程序來通知系統(tǒng)的。一般設(shè)備收到數(shù)據(jù)后都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷，在中斷處理程序中驅(qū)動(dòng)程序申請(qǐng)一塊sk_buff(skb)，從硬件讀出數(shù)據(jù)放置到申請(qǐng)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(biāo)明第二層(鏈路層)數(shù)據(jù)類型?？梢允且韵骂愋停?/p>
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(jiān)聽模式時(shí)會(huì)有這種幀)
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(duì)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(diào)用netif_rx()以后，
驅(qū)動(dòng)程序就不能再存取數(shù)據(jù)緩沖區(qū)skb。
2.2.6硬件幀頭(hard_header)
硬件一般都會(huì)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(gè)幀頭是加在上層ip、ipx等數(shù)據(jù)包的前面的。驅(qū)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(shù)據(jù)之前會(huì)調(diào)用這段程序。
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。
在協(xié)議層調(diào)用hard_header時(shí)，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?yàn)檎{(diào)用hard_header時(shí)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(fù)字節(jié)數(shù)。hard_header返回負(fù)數(shù)的情況下，協(xié)議層會(huì)做進(jìn)一步的buildheader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(fù)，dev->arp=0，做arp)。
對(duì)hard_header的調(diào)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(duì)應(yīng)。這個(gè)對(duì)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(huì)調(diào)用驅(qū)動(dòng)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(dòng)程序能夠解析硬件地址，就返回1，如果不能，返回0。
對(duì)rebuild_header的調(diào)用在net/core/dev.c的do_dev_queue_xmit()里。
2.2.8參數(shù)設(shè)置和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)
在驅(qū)動(dòng)程序里還提供一些方法供系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和讀取信息。一般只有超級(jí)用戶(root)權(quán)限才能對(duì)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置方法有：
dev->set_mac_address()
當(dāng)用戶調(diào)用ioctl類型為SIOCSIFHWADDR時(shí)是要設(shè)置這個(gè)設(shè)備的mac地址。一般對(duì)mac地址的設(shè)置沒有太大意義的。
dev->set_config()
當(dāng)用戶調(diào)用ioctl時(shí)類型為SIOCSIFMAP時(shí)，系統(tǒng)會(huì)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的set_config方法。用戶會(huì)傳遞一個(gè)ifmap結(jié)構(gòu)包含需要的I/O、中斷等參數(shù)。
dev->do_ioctl()
如果用戶調(diào)用ioctl時(shí)類型在SIOCDEVPRIVATE和SIOCDEVPRIVATE+15之間，系統(tǒng)會(huì)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的這個(gè)方法。一般是設(shè)置設(shè)備的專用數(shù)據(jù)。
讀取信息也是通過ioctl調(diào)用進(jìn)行。除次之外驅(qū)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(jié)構(gòu)，包含發(fā)送接收的統(tǒng)計(jì)信息。ioctl的處理在net/core/dev.c的dev_ioctl()和dev_ifsioc()里。
linuxman@263.net
.3網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序中用到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
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。
structdevice[!--empirenews.page--]
{
/*
*Thisisthefirstfieldofthe"visible"partofthisstructure
*(i.e.asseenbyusersinthe"Space.c"file).Itisthename
*theinterface.
*/
char*name;
/*I/Ospecificfields-FIXME:Mergetheseandstructifmapintoone*/
unsignedlongrmem_end;/*shmem"recv"end*/
unsignedlongrmem_start;/*shmem"recv"start*/
unsignedlongmem_end;/*sharedmemend*/
unsignedlongmem_start;/*sharedmemstart*/
unsignedlongbase_addr;/*deviceI/Oaddress*/
unsignedcharirq;/*deviceIRQnumber*/
/*Low-levelstatusflags.*/
volatileunsignedcharstart,/*startanoperation*/
interrupt;/*interruptarrived*/
/*在處理中斷時(shí)interrupt設(shè)為1，處理完清0。*/
unsignedlongtbusy;/*transmitterbusymustbelongfor
bitops*/
structdevice*next;
/*Thedeviceinitializationfunction.Calledonlyonce.*/
/*指向驅(qū)動(dòng)程序的初始化方法。*/
int(*init)(structdevice*dev);
/*Somehardwarealsoneedsthesefields,buttheyarenotpartofthe
usualsetspecifiedinSpace.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。*/
unsignedcharif_port;/*SelectableAUI,TP,..*/
unsignedchardma;/*DMAchannel*/
structenet_statistics*(*get_stats)(structdevice*dev);
/*
*Thismarkstheendofthe"visible"partofthestructure.All
*fieldshereafterareinternaltothesystem,andmaychangeat
*will(read:maybecleanedupatwill).
*/
/*Thesemaybeneededforfuturenetwork-power-downcode.*/
/*trans_start記錄最后一次成功發(fā)送的時(shí)間?？梢杂脕泶_定硬件是否工作正常。*/
unsignedlongtrans_start;/*Time(injiffies)oflastTx*/
unsignedlonglast_rx;/*TimeoflastRx*/
/*flags里面有很多內(nèi)容，定義在include/linux/if.h里。*/
unsignedshortflags;/*interfaceflags(alaBSD)*/
unsignedshortfamily;/*addressfamilyID(AF_INET)*/
unsignedshortmetric;/*routingmetric(notused)*/
unsignedshortmtu;/*interfaceMTUvalue*/
/*type標(biāo)明物理硬件的類型。主要說明硬件是否需要arp。定義在
include/linux/if_arp.h里。*/
unsignedshorttype;/*interfacehardwaretype*/
/*上層協(xié)議層根據(jù)hard_header_len在發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)前面預(yù)留硬件幀頭空間。*/
unsignedshorthard_header_len;/*hardwarehdrlength*/
/*priv指向驅(qū)動(dòng)程序自己定義的一些參數(shù)。*/
void*priv;/*pointertoprivatedata*/
/*Interfaceaddressinfo.*/
unsignedcharbroadcast[MAX_ADDR_LEN];/*hwbcastadd*/
unsignedcharpad;/*makedev_addralignedto8
bytes*/
unsignedchardev_addr[MAX_ADDR_LEN];/*hwaddress*/
unsignedcharaddr_len;/*hardwareaddresslength*/
unsignedlongpa_addr;/*protocoladdress*/
unsignedlongpa_brdaddr;/*protocolbroadcastaddr*/
unsignedlongpa_dstaddr;/*protocolP-Pothersideaddr*/
unsignedlongpa_mask;/*protocolnetmask*/
unsignedshortpa_alen;/*protocoladdresslength*/
structdev_mc_list*mc_list;/*Multicastmacaddresses*/
intmc_count;/*Numberofinstalledmcasts*/
structip_mc_list*ip_mc_list;/*IPmulticastfilterchain*/
__u32tx_queue_len;/*Maxframesperqueueallowed*/
/*Forloadbalancingdriverpairsupport*/
unsignedlongpkt_queue;/*Packetsqueued*/
structdevice*slave;/*Slavedevice*/
structnet_alias_info*alias_info;/*maindevaliasinfo*/
structnet_alias*my_alias;/*aliasdevs*/
/*Pointertotheinterfacebuffers.*/
structsk_buff_headbuffs[DEV_NUMBUFFS];
/*Pointerstointerfaceserviceroutines.*/
int(*open)(structdevice*dev);
int(*stop)(structdevice*dev);
int(*hard_start_xmit)(structsk_buff*skb,
structdevice*dev);
int(*hard_header)(structsk_buff*skb,
structdevice*dev,
unsignedshorttype,
void*daddr,
void*saddr,
unsignedlen);
int(*rebuild_header)(void*eth,structdevice*dev,
unsignedlongraddr,structsk_buff*skb);
#defineHAVE_MULTICAST
void(*set_multicast_list)(structdevice*dev);
#defineHAVE_SET_MAC_ADDR
int(*set_mac_address)(structdevice*dev,void*addr);
#defineHAVE_PRIVATE_IOCTL
int(*do_ioctl)(structdevice*dev,structifreq*ifr,intcmd);
#defineHAVE_SET_CONFIG
int(*set_config)(structdevice*dev,structifmap*map);
#defineHAVE_HEADER_CACHE
void(*header_cache_bind)(structhh_cache**hhp,structdevice
*dev,unsignedshorthtype,__u32daddr);
void(*header_cache_update)(structhh_cache*hh,structdevice
*dev,unsignedchar*haddr);
#defineHAVE_CHANGE_MTU
int(*change_mtu)(structdevice*dev,intnew_mtu);
structiw_statistics*(*get_wireless_stats)(structdevice*dev);
};
2.4常用的系統(tǒng)支持
2.4.1內(nèi)存申請(qǐng)和釋放
include/linux/kernel.h里聲明了kmalloc()和kfree()。用于在內(nèi)核模式下申請(qǐng)和釋放內(nèi)存。
void*kmalloc(unsignedintlen,intpriority);
voidkfree(void*__ptr);
[!--empirenews.page--]與用戶模式下的malloc()不同，kmalloc()申請(qǐng)空間有大小限制。長度是2的整次方?？梢陨暾?qǐng)的最大長度也有限制。另外kmalloc()有priority參數(shù)，通常使用時(shí)可以為GFP_KERNEL，如果在中斷里調(diào)用用GFP_ATOMIC參數(shù)，因?yàn)槭褂肎FP_KERNEL則調(diào)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(nèi)存必須是kmalloc()申請(qǐng)的。如果知道內(nèi)存的大小，也可以用kfree_s()釋放。
2.4.2request_irq()、free_irq()
這是驅(qū)動(dòng)程序申請(qǐng)中斷和釋放中斷的調(diào)用。在include/linux/sched.h里聲明。
request_irq()調(diào)用的定義：
intrequest_irq(unsignedintirq,
void(*handler)(intirq,void*dev_id,structpt_regs*regs),
unsignedlongirqflags,
constchar*devname,
void*dev_id);
irq是要申請(qǐng)的硬件中斷號(hào)。在Intel平臺(tái)，范圍0--15。handler是向系統(tǒng)登記的中斷處理函數(shù)。這是一個(gè)回調(diào)函數(shù)，中斷發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用這個(gè)函數(shù)，傳入的參數(shù)包括硬件中斷號(hào)，deviceid，寄存器值。dev_id就是下面的request_irq時(shí)傳遞給系統(tǒng)的參數(shù)dev_id。irqflags是中斷處理的一些屬性。比較重要的有SA_INTERRUPT，
標(biāo)明中斷處理程序是快速處理程序(設(shè)置SA_INTERRUPT)還是慢速處理程序(不設(shè)置SA_INTERRUPT)。快速處理程序被調(diào)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(shè)置了以后運(yùn)行多個(gè)設(shè)備共享中斷。dev_id在中斷共享時(shí)會(huì)用到。一般設(shè)置為這個(gè)設(shè)備的device結(jié)構(gòu)本身或者NULL。中斷處理程序可以用dev_id找到相應(yīng)的控制這個(gè)中斷的設(shè)備，或者用irq2dev_map找到中斷對(duì)應(yīng)的設(shè)備。
voidfree_irq(unsignedintirq,void*dev_id);
2.4.3時(shí)鐘
時(shí)鐘的處理類似中斷，也是登記一個(gè)時(shí)間處理函數(shù)，在預(yù)定的時(shí)間過后，系統(tǒng)會(huì)調(diào)用這個(gè)函數(shù)。在include/linux/timer.h里聲明。
structtimer_list{
structtimer_list*next;
structtimer_list*prev;
unsignedlongexpires;
unsignedlongdata;
void(*function)(unsignedlong);
};
voidadd_timer(structtimer_list*timer);
intdel_timer(structtimer_list*timer);
voidinit_timer(structtimer_list*timer);
使用時(shí)鐘，先聲明一個(gè)timer_list結(jié)構(gòu)，調(diào)用init_timer對(duì)它進(jìn)行初始化。
time_list結(jié)構(gòu)里expires是標(biāo)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(tái)的不同而不同。
系統(tǒng)里定義了一個(gè)常數(shù)HZ，代表每秒種最小時(shí)間間隔的數(shù)目。這樣jiffies的單位就是1/HZ。Intel平臺(tái)jiffies的單位是1/100秒，這就是系統(tǒng)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(diào)函數(shù)，它的參數(shù)就是timer_list中的data。data這個(gè)參數(shù)在初始化時(shí)鐘的時(shí)候賦值，一般賦給它設(shè)備的device結(jié)構(gòu)指針。
在預(yù)置時(shí)間到系統(tǒng)調(diào)用function，同時(shí)系統(tǒng)把這個(gè)time_list從定時(shí)隊(duì)列里清除。所以如果需要一直使用定時(shí)函數(shù)，要在function里再次調(diào)用add_timer()把這個(gè)timer_list加進(jìn)定時(shí)隊(duì)列。
2.4.4I/O
I/O端口的存取使用：
inlineunsignedintinb(unsignedshortport);
inlineunsignedintinb_p(unsignedshortport);
inlinevoidoutb(charvalue,unsignedshortport);
inlinevoidoutb_p(charvalue,unsignedshortport);
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(yīng)慢速的I/O設(shè)備。
為了防止存取I/O時(shí)發(fā)生沖突，Linux提供對(duì)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，如果沒有，則把端口標(biāo)記為正在使用，使用完后再釋放。系統(tǒng)提供以下幾個(gè)函數(shù)做這些工作。
intcheck_region(unsignedintfrom,unsignedintextent);
voidrequest_region(unsignedintfrom,unsignedintextent,constchar*name);
voidrelease_region(unsignedintfrom,unsignedintextent);
其中的參數(shù)from表示用到的I/O端口的起始地址，extent標(biāo)明從from開始的端口數(shù)目。name為設(shè)備名稱。
2.4.5中斷打開關(guān)閉
系統(tǒng)提供給驅(qū)動(dòng)程序開放和關(guān)閉響應(yīng)中斷的能力。是在include/asm/system.h中的兩個(gè)定義。
#definecli()__asm____volatile__("cli"::)
#definesti()__asm____volatile__("sti"::)
2.4.6打印信息
類似普通程序里的printf()，驅(qū)動(dòng)程序要輸出信息使用printk()。在include/linux/kernel.h里聲明。
intprintk(constchar*fmt,...);
其中fmt是格式化字符串。...是參數(shù)。都是和printf()格式一樣的。
2.4.7注冊(cè)驅(qū)動(dòng)程序
如果使用模塊(module)方式加載驅(qū)動(dòng)程序，需要在模塊初始化時(shí)把設(shè)備注冊(cè)到系統(tǒng)設(shè)備表里去。不再使用時(shí)，把設(shè)備從系統(tǒng)中卸除。定義在drivers/net/net_init.h里的兩個(gè)函數(shù)完成這個(gè)工作。
intregister_netdev(structdevice*dev);
voidunregister_netdev(structdevice*dev);
dev就是要注冊(cè)進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)備結(jié)構(gòu)指針。在register_netdev()時(shí)，dev結(jié)構(gòu)一般填寫前面11項(xiàng)，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(nèi)容為或者name[0]為空格(space)，則系統(tǒng)把你的設(shè)備做為以太網(wǎng)設(shè)備處理。以太網(wǎng)設(shè)備有統(tǒng)一的命名格式，ethX。對(duì)以太網(wǎng)這么特別對(duì)待大概和Linux的歷史有關(guān)。
init方法一定要提供，register_netdev()會(huì)調(diào)用這個(gè)方法讓你對(duì)硬件檢測(cè)和設(shè)置。
register_netdev()返回0表示成功，非0不成功。
2.4.8sk_buff
Linux網(wǎng)絡(luò)各層之間的數(shù)據(jù)傳送都是通過sk_buff。sk_buff提供一套管理緩沖區(qū)的方法，是Linux系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)高效運(yùn)行的關(guān)鍵。每個(gè)sk_buff包括一些控制方法和一塊數(shù)據(jù)緩沖區(qū)?？刂品椒ò垂δ芊譃閮煞N類型。一種是控制整個(gè)buffer鏈的方法，
另一種是控制數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的方法。sk_buff組織成雙向鏈表的形式，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的特點(diǎn)，對(duì)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[!--empirenews.page--]
方法都很短小以盡量減少系統(tǒng)負(fù)荷。(translatedfromarticlewrittenbyAlanCox)
常用的方法包括：
.alloc_skb()申請(qǐng)一個(gè)sk_buff并對(duì)它初始化。返回就是申請(qǐng)到的sk_buff。
.dev_alloc_skb()類似alloc_skb，在申請(qǐng)好緩沖區(qū)后，保留16字節(jié)的幀頭空間。主要用在Ethernet驅(qū)動(dòng)程序。
.kfree_skb()釋放一個(gè)sk_buff。
.skb_clone()復(fù)制一個(gè)sk_buff，但不復(fù)制數(shù)據(jù)部分。
.skb_copy()完全復(fù)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(shù)據(jù)的處理主要是對(duì)一個(gè)先進(jìn)先出隊(duì)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(duì)沒按順序到達(dá)的數(shù)據(jù)進(jìn)行重組時(shí)用到skb_insert()和skb_append()。
.skb_reserve()在一個(gè)申請(qǐng)好的sk_buff的緩沖區(qū)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(qǐng)好的sk_buff的緩沖區(qū)里為數(shù)據(jù)保留一塊空間。在
alloc_skb以后，申請(qǐng)到的sk_buff的緩沖區(qū)都是處于空(free)狀態(tài)，有一個(gè)tail指針指向free空間，實(shí)際上開始時(shí)tail就指向緩沖區(qū)頭。skb_reserve()
在free空間里申請(qǐng)協(xié)議頭空間，skb_put()申請(qǐng)數(shù)據(jù)空間。見下面的圖。
.skb_push()把sk_buff緩沖區(qū)里數(shù)據(jù)空間往前移。即把Headroom中的空間移一部分到Dataarea。
.skb_pull()把sk_buff緩沖區(qū)里Dataarea中的空間移一部分到Headroom中。
--------------------------------------------------
|Tailroom(free)|
--------------------------------------------------
Afteralloc_skb()
--------------------------------------------------
|Headroom|Tailroom(free)|
--------------------------------------------------
Afterskb_reserve()
--------------------------------------------------
|Headroom|Dataarea|Tailroom(free)|
--------------------------------------------------
Afterskb_put()
--------------------------------------------------
|Head|skb_|Data|Tailroom(free)|
|room|push|||
||Dataarea||
--------------------------------------------------
Afterskb_push()
--------------------------------------------------
|Head|skb_|Dataarea|Tailroom(free)|
||pull|||
|Headroom|||
--------------------------------------------------
Afterskb_pull()
三.編寫Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序中需要注意的問題
3.1中斷共享
Linux系統(tǒng)運(yùn)行幾個(gè)設(shè)備共享同一個(gè)中斷。需要共享的話，在申請(qǐng)的時(shí)候指明共享方式。系統(tǒng)提供的request_irq()調(diào)用的定義：
intrequest_irq(unsignedintirq,
void(*handler)(intirq,void*dev_id,structpt_regs*regs),
unsignedlongirqflags,
constchar*devname,
void*dev_id);
如果共享中斷，irqflags設(shè)置SA_SHIRQ屬性，這樣就允許別的設(shè)備申請(qǐng)同一個(gè)中斷。需要注意所有用到這個(gè)中斷的設(shè)備在調(diào)用request_irq()都必須設(shè)置這個(gè)屬性。系統(tǒng)在回調(diào)每個(gè)中斷處理程序時(shí)，可以用dev_id這個(gè)參數(shù)找到相應(yīng)的設(shè)備。一般dev_id就設(shè)為device結(jié)構(gòu)本身。系統(tǒng)處理共享中斷是用各自的dev_id參數(shù)依次調(diào)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(tǒng)有數(shù)據(jù)要發(fā)，但上一包數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備還沒發(fā)送完。因?yàn)樵贚inux里網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序一般不做數(shù)據(jù)緩存，不能發(fā)送的數(shù)據(jù)都是通知系統(tǒng)發(fā)送不成功，所以必須要有一個(gè)機(jī)制在硬件不忙時(shí)及時(shí)通知系統(tǒng)接著發(fā)送下面的數(shù)據(jù)。
一般對(duì)發(fā)送忙的處理在前面設(shè)備的發(fā)送方法(hard_start_xmit)里已經(jīng)描述過，即如果發(fā)送忙，置tbusy為1。處理完發(fā)送數(shù)據(jù)后，在發(fā)送結(jié)束中斷里清tbusy，同時(shí)用mark_bh()調(diào)用通知系統(tǒng)繼續(xù)發(fā)送。
但在具體實(shí)現(xiàn)我的驅(qū)動(dòng)程序時(shí)發(fā)現(xiàn)，這樣的處理系統(tǒng)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(tǒng)要等一段時(shí)間才會(huì)接著發(fā)送。造成發(fā)送效率很低。2M線路只有10%不到的使用率。內(nèi)核版本為2.0.35。
我最后的實(shí)現(xiàn)是不把tbusy置1，讓系統(tǒng)始終認(rèn)為硬件空閑，但是報(bào)告發(fā)送不成功。系統(tǒng)會(huì)一直嘗試重發(fā)。這樣處理就運(yùn)行正常了。但是遍循內(nèi)核源碼中的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序，似乎沒有這樣處理的。不知道癥結(jié)在哪里。
3.3流量控制(flowcontrol)
網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收都需要流量控制。這些控制是在系統(tǒng)里實(shí)現(xiàn)的，不需要驅(qū)動(dòng)程序做工作。每個(gè)設(shè)備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)里都有一個(gè)參數(shù)dev->tx_queue_len，這個(gè)參數(shù)標(biāo)明發(fā)送時(shí)最多緩存的數(shù)據(jù)包。在Linux系統(tǒng)里以太網(wǎng)設(shè)備(10/100Mbps)tx_queue_len一般設(shè)置為100，串行線路(異步串口)為10。實(shí)際上如果看源碼可以知道，設(shè)置了dev->tx_queue_len并不是為緩存這些數(shù)據(jù)申請(qǐng)了空間。這個(gè)參數(shù)只是在收到協(xié)議層的數(shù)據(jù)包時(shí)判斷發(fā)送隊(duì)列里的數(shù)據(jù)是不是到了tx_queue_len的限度，以決定這一包數(shù)據(jù)加不加進(jìn)發(fā)送隊(duì)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(dá)到了窗口大小，高層協(xié)議就不會(huì)再發(fā)送數(shù)據(jù)。
接收流控也分兩個(gè)層次。netif_rx()緩存的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(diào)試
很多Linux的驅(qū)動(dòng)程序都是編譯進(jìn)內(nèi)核的，形成一個(gè)大的內(nèi)核文件。但對(duì)調(diào)試來說，這是相當(dāng)麻煩的。調(diào)試驅(qū)動(dòng)程序可以用module方式加載。支持模塊方式的驅(qū)動(dòng)程序必須提供兩個(gè)函數(shù)：intinit_module(void)和voidcleanup_module(void)。init_module()在加載此模塊時(shí)調(diào)用，在這個(gè)函數(shù)里可以register_netdev()注冊(cè)設(shè)備。init_module()返回0表示成功，返回負(fù)表示失敗。cleanup_module()在驅(qū)動(dòng)程序被卸載時(shí)調(diào)用，清除占用的資源，調(diào)用unregister_netdev()。[!--empirenews.page--]
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(nèi)核中的模塊用lsmod命令。
編譯驅(qū)動(dòng)程序用gcc，主要命令行參數(shù)-DKERNEL-DMODULE。并且作為模塊加載的驅(qū)動(dòng)程序，只編譯成obj形式(加-c參數(shù))。編譯好的目標(biāo)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(shè)計(jì)資料可以從網(wǎng)上獲得。這就是開放源代碼的好處。并且沒有什么“未公開的秘密”。我編寫驅(qū)動(dòng)程序時(shí)參閱的主要資料包括：
Linux內(nèi)核源代碼
<
<
byollyinBBS水木清華站
可以選擇一個(gè)模板作為開始，內(nèi)核源代碼里有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序的模板，
drivers/net/skeleton.c。里面包含了驅(qū)動(dòng)程序的基本內(nèi)容。但這個(gè)模板是以以太網(wǎng)設(shè)備為對(duì)象的，以太網(wǎng)的處理在Linux系統(tǒng)里有特殊“待遇”，所以如果不是以太網(wǎng)設(shè)備，有些細(xì)節(jié)上要注意，主要在初始化程序里。
最后，多參照別人寫的程序，聽聽其他開發(fā)者的經(jīng)驗(yàn)之談大概是最有效的幫助了。
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