Linux网卡驱动架构分析

浏览数：25 / 时间：2015年06月20日

一、网卡驱动架构

　　由上到下层次依次为：应用程序→系统调用接口→协议无关接口→网络协议栈→设备无关接口→设备驱动。

二、重要数据结构

　　1、Linux内核中每一个网卡由一个net_device结构来描述。

　　2、网卡操作函数集：net_device_ops，这个数据结构是上面net_device的一个成员。

　　3、网络数据包：sk_buff。

三、网卡驱动代码分析

　　所用文件为cs89x0.c，主要分析三个部分：网卡初始化、发送数据、接收数据。

　　㈠网卡初始化

　　　　网卡驱动初始化主要在函数init_module中完成，部分代码如下：

int __init init_module(void)
{
　　struct net_device *dev = alloc_etherdev(sizeof(struct net_local));
　　struct net_local *lp;
　　int ret = 0;
　　...
　　dev->irq = irq;
　　dev->base_addr = io;
　　...
　　ret = cs89x0_probe1(dev, io, 1);
　　...
}

　　　　cs89x0_probe1函数部分代码如下：

static int __init cs89x0_probe1(struct net_device *dev, int ioaddr, int modular)
{
　　struct net_local *lp = netdev_priv(dev);
　　static unsigned version_printed;
　　int i;
　　int tmp;
　　unsigned rev_type = 0;
　　int eeprom_buff[CHKSUM_LEN];
　　int retval;
　　...
　　writeword(ioaddr, ADD_PORT, PP_ChipID);
　　tmp = readword(ioaddr, DATA_PORT);　　　　　　//对硬件的初始化
　　...
　　
　　for (i = 0; i < ETH_ALEN/2; i++) 　　　　　　//初始化MAC地址
　　{
　　　　dev->dev_addr[i*2] = eeprom_buff[i];
　　　　dev->dev_addr[i*2+1] = eeprom_buff[i] >> 8;
　　}
　　...
　　
　　dev->netdev_ops    = &net_ops;　　　　　　　　//初始化netdev_ops
　　...
　　retval = register_netdev(dev);　　　　　　　　//注册网卡驱动
}

　　由代码可以看出

　　　　1、定义并分配net_device结构，使用alloc_etherdev函数。

　　　　2、初始化net_device。(包括中断号、I/O基地址、MAC地址、netdev_ops)

　　　　3、初始化硬件

　　　　4、将网卡驱动注册到内核，使用函数register_netdev

　　㈡发送数据

　　初始化netdev_ops时将其赋值为&net_ops，可在这个结构中找到发送函数

　　

static const struct net_device_ops net_ops = {
    .ndo_open        = net_open,
    .ndo_stop        = net_close,
    .ndo_tx_timeout        = net_timeout,
    .ndo_start_xmit     = net_send_packet,
    .ndo_get_stats        = net_get_stats,
    .ndo_set_multicast_list = set_multicast_list,
    .ndo_set_mac_address     = set_mac_address,
#ifdef CONFIG_NET_POLL_CONTROLLER
    .ndo_poll_controller    = net_poll_controller,
#endif
    .ndo_change_mtu        = eth_change_mtu,
    .ndo_validate_addr    = eth_validate_addr,
};

　　net_send_packet代码如下：

static netdev_tx_t net_send_packet(struct sk_buff *skb,struct net_device *dev)
{
    struct net_local *lp = netdev_priv(dev);
    unsigned long flags;

    if (net_debug > 3) {
        printk("%s: sent %d byte packet of type %x\n",
            dev->name, skb->len,
            (skb->data[ETH_ALEN+ETH_ALEN] << 8) | skb->data[ETH_ALEN+ETH_ALEN+1]);
    }


    spin_lock_irqsave(&lp->lock, flags);
    netif_stop_queue(dev);

    /* initiate a transmit sequence */
    writeword(dev->base_addr, TX_CMD_PORT, lp->send_cmd);
    writeword(dev->base_addr, TX_LEN_PORT, skb->len);

    /* Test to see if the chip has allocated memory for the packet */
    if ((readreg(dev, PP_BusST) & READY_FOR_TX_NOW) == 0) {
        

        spin_unlock_irqrestore(&lp->lock, flags);
        if (net_debug) printk("cs89x0: Tx buffer not free!\n");
        return NETDEV_TX_BUSY;
    }
    /* Write the contents of the packet */
    writewords(dev->base_addr, TX_FRAME_PORT,skb->data,(skb->len+1) >>1);
    spin_unlock_irqrestore(&lp->lock, flags);
    dev->stats.tx_bytes += skb->len;
    dev_kfree_skb (skb);

    return NETDEV_TX_OK;
}

　　这部分代码做了这些事情(红色高亮部分)

　　1、通知上层协议停止向网卡发送数据

　　　　由于网卡现在要向外发送数据包，所以要停止接收数据包

　　2、将skb中的数据写入寄存器中并发送走

　　3、释放skb空间

　　但是到这里并不算完，如果这就完了上层协议还是无法向网卡发送数据，网卡不能正常工作，显然这是不正常的。那么在什么地方重新允许上层协议向网卡发送数据包呢？

　　其实，当网卡发送走一个数据包后，会进入网卡中断程序中，查找request_irq的知中断处理程序名称为net_interrupt

static irqreturn_t net_interrupt(int irq, void *dev_id)
{
　　struct net_device *dev = dev_id;
　　struct net_local *lp;
　　int ioaddr, status;
　　int handled = 0;

　　ioaddr = dev->base_addr;
　　lp = netdev_priv(dev);

　　while ((status = readword(dev->base_addr, ISQ_PORT)))
　　{
　　　　switch(status & ISQ_EVENT_MASK) 
　　　　{
　　　　　　...
　　　　　　case ISQ_TRANSMITTER_EVENT:
　　　　　　　　dev->stats.tx_packets++;
　　　　　　　　netif_wake_queue(dev);    /* Inform upper layers. */
　　　　　　　　if ((status & (    TX_OK |
                    TX_LOST_CRS |
                    TX_SQE_ERROR |
                    TX_LATE_COL |
                    TX_16_COL)) != TX_OK) {
                if ((status & TX_OK) == 0)
                    dev->stats.tx_errors++;
                if (status & TX_LOST_CRS)
                    dev->stats.tx_carrier_errors++;
                if (status & TX_SQE_ERROR)
                    dev->stats.tx_heartbeat_errors++;
                if (status & TX_LATE_COL)
                    dev->stats.tx_window_errors++;
                if (status & TX_16_COL)
                    dev->stats.tx_aborted_errors++;
            }
            break;
　　　　　　...
　　　　}　　
　　}
}

　　4、通知上层协议，可以向网卡发送数据包。使用函数netif_wake_queue

　　㈢数据接收

　　当网卡接受到一个数据包后，进入网卡中断处理程序

static irqreturn_t net_interrupt(int irq, void *dev_id)
{
　　struct net_device *dev = dev_id;
　　struct net_local *lp;
　　int ioaddr, status;
　　int handled = 0;

　　ioaddr = dev->base_addr;
　　lp = netdev_priv(dev);

　　while ((status = readword(dev->base_addr, ISQ_PORT)))
　　{
　　　　switch(status & ISQ_EVENT_MASK) 
　　　　{
　　　　　　...
　　　　　　case ISQ_RECEIVER_EVENT:
　　　　　　　　/* Got a packet(s). */
　　　　　　　　net_rx(dev);
　　　　　　　　break;
　　　　}　　
　　}
}
 

　　net_rx函数代码如下

static void net_rx(struct net_device *dev)
{
    struct sk_buff *skb;
    int status, length;

    int ioaddr = dev->base_addr;
    status = readword(ioaddr, RX_FRAME_PORT);
    length = readword(ioaddr, RX_FRAME_PORT);

    if ((status & RX_OK) == 0) {
        count_rx_errors(status, dev);
        return;
    }

    /* Malloc up new buffer. */
    skb = dev_alloc_skb(length + 2);
    if (skb == NULL) {
#if 0        /* Again, this seems a cruel thing to do */
        printk(KERN_WARNING "%s: Memory squeeze, dropping packet.\n", dev->name);
#endif
        dev->stats.rx_dropped++;
        return;
    }
    skb_reserve(skb, 2);    /* longword align L3 header */

    readwords(ioaddr, RX_FRAME_PORT, skb_put(skb, length), length >> 1);
    if (length & 1)
        skb->data[length-1] = readword(ioaddr, RX_FRAME_PORT);

    if (net_debug > 3) {
        printk(    "%s: received %d byte packet of type %x\n",
            dev->name, length,
            (skb->data[ETH_ALEN+ETH_ALEN] << 8) | skb->data[ETH_ALEN+ETH_ALEN+1]);
    }

        skb->protocol=eth_type_trans(skb,dev);
    netif_rx(skb);
    dev->stats.rx_packets++;
    dev->stats.rx_bytes += length;
}

　　由代码可以看出：

　　1、读取接收状态

　　2、读取接收到数据的长度

　　3、分配skb结构，skb = dev_alloc_skb(length + 2);

　　4、从硬件寄存器中读取数据存入skb

　　5、江封装好的数据包向上发送给协议栈，使用函数netif_rx

 

　　网卡驱动架构到这里大致就分析完了。如果有疑问或错误，欢迎指出。

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