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Linux驱动程式编写         ★★★★

Linux驱动程式编写

作者:闵涛 文章来源:闵涛的学习笔记 点击数:2157 更新时间:2009/4/22 23:07:39
     工作需要寫了我們公司一塊網卡的Linux驅動程式。經歷一個從無到有的過程,
深感技術交流的重

要。Linux作為挑戰微軟壟斷的強有力武器,日益受到大家的喜
愛。真希望她能在中國迅速成長。把程式文檔貼出來,希望和大家探討Linux技術
和應用,促進Linux在中國的普及。
本文可隨意轉載,但請不要在盈利性出版物上刊登。

------------------ Linux作業系統網路驅動程式編寫 -------------------
------------ Contact the author by mailto:bordi@bordi.dhs.org ------

Linux作業系統網路驅動程式編寫

一.Linux系統設備驅動程式概述
1.1 Linux設備驅動程式分類
1.2 編寫驅動程式的一些基本概念
二.Linux系統網路設備驅動程式
2.1 網路驅動程式的結構
2.2 網路驅動程式的基本方法
2.3 網路驅動程式中用到的資料結構
2.4 常用的系統支援
三.編寫Linux網路驅動程式中可能遇到的問題
3.1 中斷共用
3.2 硬體發送忙時的處理
3.3 流量控制(flow control)
3.4 調試
四.進一步的閱讀
五.雜項




一.Linux系統設備驅動程式概述
1.1 Linux設備驅動程式分類
Linux設備驅動程式在Linux的內核源代碼中佔有很大的比例,源代碼的長度日
益增加,主要是驅動程式的增加。在Linux內核的不斷升級過程中,驅動程式的結構
還是相對穩定。在2.0.xx到2.2.xx的變動裏,驅動程式的編寫做了一些改變,但是
從2.0.xx的驅動到2.2.xx的移植只需做少量的工作。

Linux系統的設備分為字元設備(char device),塊設備(block device)和網路
設備(network device)三種。字元設備是指存取時沒有緩存的設備。塊設備的讀寫
都有緩存來支援,並且塊設備必須能夠隨機存取(random access),字元設備則沒有
這個要求。典型的字元設備包括滑鼠,鍵盤,串列口等。塊設備主要包括硬碟軟碟
設備,CD-ROM等。一個檔系統要安裝進入作業系統必須在塊設備上。

網路設備在Linux裏做專門的處理。Linux的網路系統主要是基於BSD unix的
socket
機制。在系統和驅動程式之間定義有專門的資料結構(sk_buff)進行資料的傳遞。系
統裏支援對發送資料和接收資料的緩存,提供流量控制機制,提供對多協定的支援。



1.2 編寫驅動程式的一些基本概念
無論是什麼作業系統的驅動程式,都有一些通用的概念。作業系統提供給驅動
程式的支援也大致相同。下面簡單介紹一下網路設備驅動程式的一些基本要求。

1.2.1 發送和接收
這是一個網路設備最基本的功能。一塊網卡所做的無非就是收發工作。所以驅
動程式裏要告訴系統你的發送函數在哪里,系統在有資料要發送時就會調用你的發
送程式。還有驅動程式由於是直接操縱硬體的,所以網路硬體有資料收到最先能得
到這個資料的也就是驅動程式,它負責把這些原始資料進行必要的處理然後送給系
統。這裏,作業系統必須要提供兩個機制,一個是找到驅動程式的發送函數,一個
是驅動程式把收到的資料送給系統。

1.2.2 中斷
中斷在現代電腦結構中有重要的地位。作業系統必須提供驅動程式回應中斷
的能力。一般是把一個中斷處理程式註冊到系統中去。作業系統在硬體中斷發生後
調用驅動程式的處理程式。Linux支援中斷的共用,即多個設備共用一個中斷。

1.2.3 時鐘
在實現驅動程式時,很多地方會用到時鐘。如某些協議裏的超時處理,沒有中
斷機制的硬體的輪詢等。作業系統應為驅動程式提供定時機制。一般是在預定的時
間過了以後回調註冊的時鐘函數。在網路驅動程式中,如果硬體沒有中斷功能,定
時器可以提供輪詢(poll)方式對硬體進行存取。或者是實現某些協定時需要的超時
重傳等。

二.Linux系統網路設備驅動程式

2.1 網路驅動程式的結構
所有的Linux網路驅動程式遵循通用的介面。設計時採用的是面向物件的方法。
一個設備就是一個物件(device 結構),它內部有自己的資料和方法。每一個設備的
方法被調用時的第一個參數都是這個設備物件本身。這樣這個方法就可以存取自身
的資料(類似面向物件程式設計時的this引用)。
一個網路設備最基本的方法有初始化、發送和接收。

------------------- ---------------------
|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 |
-----------------------------------------------------

初始化程式完成硬體的初始化、device中變數的初始化和系統資源的申請。發送

程式是在驅動程式的上層協定層有資料要發送時自動調用的。一般驅動程式中不對發

送資料進行緩存,而是直接使用硬體的發送功能把資料發送出去。接收資料一般是通

過硬體中斷來通知的。在中斷處理程式裏,把硬體幀資訊填入一個skbuff結構中,然


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後調用netif_rx()傳遞給上層處理。


2.2 網路驅動程式的基本方法
網路設備做為一個物件,提供一些方法供系統訪問。正是這些有統一介面的方
法,
掩蔽了硬體的具體細節,讓系統對各種網路設備的訪問都採用統一的形式,做到硬體

無關性。
下面解釋最基本的方法。
2.2.1 初始化(initialize)
驅動程式必須有一個初始化方法。在把驅動程式載入系統的時候會調用這個初
始化程式。它做以下幾方面的工作。檢測設備。在初始化程式裏你可以根據硬體的
特徵檢查硬體是否存在,然後決定是否啟動這個驅動程式。配置和初始化硬體。在
初始化程式裏你可以完成對硬體資源的配置,比如即插即用的硬體就可以在這個時
候進行配置(Linux內核對PnP功能沒有很好的支援,可以在驅動程式裏完成這個功
能)。配置或協商好硬體佔用的資源以後,就可以向系統申請這些資源。有些資源是
可以和別的設備共用的,如中斷。有些是不能共用的,如IO、DMA。接下來你要初始
化device結構中的變數。最後,你可以讓硬體正式開始工作。

2.2.2 打開(open)
open這個方法在網路設備驅動程式裏是網路設備被啟動的時候被調用(即設備狀
態由down-->up)。所以實際上很多在initialize中的工作可以放到這裏來做。比如資

源的申請,硬體的啟動。如果dev->open返回非0(error),則硬體的狀態還是down。
open方法另一個作用是如果驅動程式做為一個模組被裝入,則要防止模組卸載時

設備處於打開狀態。在open方法裏要調用MOD_INC_USE_COUNT宏。

2.2.3 關閉(stop)
close方法做和open相反的工作。可以釋放某些資源以減少系統負擔。close是在

設備狀態由up轉為down時被調用的。另外如果是做為模組裝入的驅動程式,close裏
應該調用MOD_DEC_USE_COUNT,減少設備被引用的次數,以使驅動程式可以被卸載。
另外close方法必須返回成功(0==success)。

2.2.4 發送(hard_start_xmit)
所有的網路設備驅動程式都必須有這個發送方法。在系統調用驅動程式的xmit
時,發送的資料放在一個sk_buff結構中。一般的驅動程式把數據傳給硬體發出去。
也有一些特殊的設備比如loopback把資料組成一個接收資料再回送給系統,或者
dummy設備直接丟棄資料。
如果發送成功,hard_start_xmit方法裏釋放sk_buff,返回0(發送成功)。如果
設備暫時無法處理,比如硬體忙,則返回1。這時如果dev->tbusy置為非0,則系統
認為硬體忙,要等到dev->tbusy置0以後才會再次發送。tbusy的置0任務一般由中斷
完成。硬體在發送結束後產生中斷,這時可以把tbusy置0,然後用mark_bh()調用通
知系統可以再次發送。在發送不成功的情況下,也可以不置dev->tbusy為非0,這樣
系統會不斷嘗試重發。如果hard_start_xmit發送不成功,則不要釋放sk_buff。
傳送下來的sk_buff中的資料已經包含硬體需要的幀頭。所以在發送方法裏不需
要再填充硬體幀頭,資料可以直接提交給硬體發送。sk_buff是被鎖住的(locked),
確保其他程式不會存取它。

2.2.5 接收(reception)
驅動程式並不存在一個接收方法。有資料收到應該是驅動程式來通知系統的。
一般設備收到資料後都會產生一個中斷,在中斷處理程式中驅動程式申請一塊
sk_buff(skb),從硬體讀出資料放置到申請好的緩衝區裏。接下來填充sk_buff中
的一些資訊。skb->dev = dev,判斷收到幀的協議類型,填入skb->protocol(多協
議的支持)。把指針skb->mac.raw指向硬體資料然後丟棄硬體幀頭(skb_pull)。還要
設置skb->pkt_type,標明第二層(鏈路層)資料類型。可以是以下類型:
PACKET_BROADCAST : 鏈路層廣播
PACKET_MULTICAST : 鏈路層組播
PACKET_SELF : 發給自己的幀
PACKET_OTHERHOST : 發給別人的幀(監聽模式時會有這種幀)

最後調用netif_rx()把資料傳送給協定層。netif_rx()裏資料放入處理佇列然後返
回,真正的處理是在中斷返回以後,這樣可以減少中斷時間。調用netif_rx()以後,

驅動程式就不能再存取資料緩衝區skb。

2.2.6 硬體幀頭(hard_header)
硬體一般都會在上層資料發送之前加上自己的硬體幀頭,比如乙太網(Ethernet)

就有14位元組的幀頭。這個幀頭是加在上層ip、ipx等數據包的前面的。驅動程式提供
一個hard_header方法,協議層(ip、ipx、arp等)在發送資料之前會調用這段程式。
硬體幀頭的長度必須填在dev->hard_header_len,這樣協定層回在資料之前保留好
硬體幀頭的空間。這樣hard_header程式只要調用skb_push然後正確填入硬體幀頭就
可以了。
在協議層調用hard_header時,傳送的參數包括(2.0.xx):數據的sk_buff,
device指針,protocol,目的地址(daddr),源位址(saddr),資料長度(len)。數據
長度不要使用sk_buff中的參數,因為調用hard_header時資料可能還沒完全組織好。

saddr是NULL的話是使用缺省位址(default)。daddr是NULL表明協定層不知道硬體目
的地址。如果hard_header完全填好了硬體幀頭,則返回添加的位元組數。如果硬體幀
頭中的資訊還不完全(比如daddr為NULL,但是幀頭中需要目的硬體位址。典型的情
況是乙太網需要位址解析(arp)),則返回負位元組數。hard_header返回負數的情況
下,協議層會做進一步的build header的工作。目前Linux系統裏就是做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的調用在每個協定層的處理程式裏。如ip_output。

2.2.7 地址解析(xarp)
有些網路有硬體位址(比如Ethernet),並且在發送硬體幀時需要知道目的硬體
地址。這樣就需要上層協定位址(ip、ipx)和硬體位址的對應。這個對應是通過位址
解析完成的。需要做arp的的設備在發送之前會調用驅動程式的rebuild_header方
法。調用的主要參數包括指向硬體幀頭的指標,協議層位址。如果驅動程式能夠解
析硬體位址,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()裏。

2.2.8 參數設置和統計資料
在驅動程式裏還提供一些方法供系統對設備的參數進行設置和讀取資訊。一般
只有超級用戶(root)許可權才能對設備參數進行設置。設置方法有:
dev->set_mac_address()
當用戶調用ioctl類型為SIOCSIFHWADDR時是要設置這個設備的mac位址。一般
對mac位址的設置沒有太大意義的。
dev->set_config()

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當用戶調用ioctl時類型為SIOCSIFMAP時,系統會調用驅動程式的set_config
方法。用戶會傳遞一個ifmap結構包含需要的I/O、中斷等參數。
dev->do_ioctl()
如果用戶調用ioctl時類型在SIOCDEVPRIVATE和SIOCDEVPRIVATE+15之間,系統
會調用驅動程式的這個方法。一般是設置設備的專用資料。
讀取資訊也是通過ioctl調用進行。除次之外驅動程式還可以提供一個
dev->get_stats方法,返回一個enet_statistics結構,包含發送接收的統計資訊。
ioctl的處理在net/core/dev.c的dev_ioctl()和dev_ifsioc()裏。


2.3 網路驅動程式中用到的資料結構
最重要的是網路設備的資料結構。定義在include/linux/netdevice.h裏。它
的注釋已經足夠詳盡。
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. */
/* 指向驅動程式的初始化方法。 */
int (*init)(struct device *dev);

/* Some hardware also needs these fields, but they are not part of the
usual set specified in Space.c. */
/* 一些硬體可以在一塊板上支援多個介面,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記錄最後一次成功發送的時間。可以用來確定硬體是否工作正常。
*/
unsigned long trans_start; /* Time (in jiffies) of last Tx */

unsigned long last_rx; /* Time of last Rx */


/* flags裏面有很多內容,定義在include/linux/if.h裏。*/
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標明物理硬體的類型。主要說明硬體是否需要arp。定義在
include/linux/if_arp.h裏。 */
unsigned short type; /* interface hardware type */


/* 上層協定層根據hard_header_len在發送資料緩衝區前面預留硬體幀頭空間。*/

unsigned short hard_header_len; /* hardware hdr length */


/* priv指向驅動程式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 */

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