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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：2177 更新时间：2009/4/22 23:07:39

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 */

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/* 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 常用的系統支援

2.4.1 記憶體申請和釋放
include/linux/kernel.h裏聲明了kmalloc()和kfree()。用於在內核模式下申
請和釋放記憶體。
void *kmalloc(unsigned int len,int priority);
void kfree(void *__ptr);
與用戶模式下的malloc()不同，kmalloc()申請空間有大小限制。長度是2的整
次方。可以申請的最大長度也有限制。另外kmalloc()有priority參數，通常使用
時可以為GFP_KERNEL，如果在中斷裏調用用GFP_ATOMIC參數，因為使用GFP_KERNEL
則調用者可能進入sleep狀態，在處理中斷時是不允許的。
kfree()釋放的記憶體必須是kmalloc()申請的。如果知道記憶體的大小，也可以用
kfree_s()釋放。

2.4.2 request_irq()、free_irq()
這是驅動程式申請中斷和釋放中斷的調用。在include/linux/sched.h裏聲明。
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是要申請的硬體中斷號。在Intel平臺，範圍0--15。handler是向系統登記
的中斷處理函數。這是一個回調函數，中斷發生時，系統調用這個函數，傳入的參
數包括硬體中斷號，device id，寄存器值。dev_id就是下面的request_irq時傳遞
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，
標明中斷處理程式是快速處理程式(設置SA_INTERRUPT)還是慢速處理程式(不設置
SA_INTERRUPT)。快速處理程式被調用時遮罩所有中斷。慢速處理程式不遮罩。還有
一個SA_SHIRQ屬性，設置了以後運行多個設備共用中斷。dev_id在中斷共用時會用
到。一般設置為這個設備的device結構本身或者NULL。中斷處理程式可以用dev_id
找到相應的控制這個中斷的設備，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 時鐘
時鐘的處理類似中斷，也是登記一個時間處理函數，在預定的時間過後，系統
會調用這個函數。在include/linux/timer.h裏聲明。
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);
使用時鐘，先聲明一個timer_list結構，調用init_timer對它進行初始化。
time_list結構裏expires是標明這個時鐘的週期，單位採用jiffies的單位。
jiffies是Linux一個總體變數，代表時間。它的單位隨硬體平臺的不同而不同。
系統裏定義了一個常數HZ，代表每秒種最小時間間隔的數目。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間
間隔了。所以expires/HZ就是以秒為單位的這個時鐘的週期。
function就是時間到了以後的回調函數，它的參數就是timer_list中的data。
data這個參數在初始化時鐘的時候賦值，一般賦給它設備的device結構指標。
在預置時間到系統調用function，同時系統把這個time_list從定時佇列裏清
除。所以如果需要一直使用定時函數，要在function裏再次調用add_timer()把這

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個timer_list加進定時佇列。

2.4.4 I/O
I/O埠的存取使用：
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裏定義。
inb_p()、outb_p()與inb()、outb_p()的不同在於前者在存取I/O時有等待
(pause)一適應慢速的I/O設備。
為了防止存取I/O時發生衝突，Linux提供對埠使用情況的控制。在使用埠
之前，可以檢查需要的I/O是否正在被使用，如果沒有，則把埠標記為正在使用，
使用完後再釋放。系統提供以下幾個函數做這些工作。
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埠的起始位址，extent標明從from開始的端
口數目。name為設備名稱。

2.4.5 中斷打開關閉
系統提供給驅動程式開放和關閉回應中斷的能力。是在include/asm/system.h
中的兩個定義。
#define cli() __asm__ __volatile__ ("cli"::)
#define sti() __asm__ __volatile__ ("sti"::)

2.4.6 列印資訊
類似普通程式裏的printf()，驅動程式要輸出資訊使用printk()。在include
/linux/kernel.h裏聲明。
int printk(const char* fmt, ...);
其中fmt是格式化字串。...是參數。都是和printf()格式一樣的。

2.4.7 註冊驅動程式
如果使用模組(module)方式載入驅動程式，需要在模組初始化時把設備註冊
到系統設備表裏去。不再使用時，把設備從系統中卸除。定義在
drivers/net/net_init.h
裏的兩個函數完成這個工作。
int register_netdev(struct device *dev);
void unregister_netdev(struct device *dev);
dev就是要註冊進系統的設備結構指標。在register_netdev()時，dev結構一
般填寫前面11項，即到init，後面的暫時可以不用初始化。最重要的是name指針和
init方法。name指標空(NULL)或者內容為\或者name[0]為空格(space)，則系統
把你的設備做為乙太網設備處理。乙太網設備有統一的命名格式，ethX。對乙太網
這麼特別對待大概和Linux的歷史有關。
init方法一定要提供，register_netdev()會調用這個方法讓你對硬體檢測和
設置。
register_netdev()返回0表示成功，非0不成功。

2.4.8 sk_buff
Linux網路各層之間的資料傳送都是通過sk_buff。sk_buff提供一套管理緩衝
區的方法，是Linux系統網路高效運行的關鍵。每個sk_buff包括一些控制方法和一
塊數據緩衝區。控制方法按功能分為兩種類型。一種是控制整個buffer鏈的方法，
另一種是控制資料緩衝區的方法。sk_buff組織成雙向鏈表的形式，根據網路應用
的特點，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
方法都很短小以儘量減少系統負荷。(translated from article written by Alan
Cox)
常用的方法包括：
.alloc_skb() 申請一個sk_buff並對它初始化。返回就是申請到的sk_buff。
.dev_alloc_skb()類似alloc_skb，在申請好緩衝區後，保留16位元組的幀頭空
間。主要用在Ethernet驅動程式。
.kfree_skb() 釋放一個sk_buff。
.skb_clone() 複製一個sk_buff，但不複製資料部分。
.skb_copy()完全複製一個sk_buff。
.skb_dequeue() 從一個sk_buff鏈表裏取出第一個元素。返回取出的sk_buff，
如果鏈表空則返回NULL。這是常用的一個操作。
.skb_queue_head() 在一個sk_buff鏈表頭放入一個元素。
.skb_queue_tail() 在一個sk_buff鏈表尾放入一個元素。這也是常用的一個
操作。網路資料的處理主要是對一個先進先出佇列的管理，skb_queue_tail()
和skb_dequeue()完成這個工作。
.skb_insert() 在鏈表的某個元素前插入一個元素。
.skb_append() 在鏈表的某個元素後插入一個元素。一些協議(如TCP)對沒按
順序到達的資料進行重組時用到skb_insert()和skb_append()。

.skb_reserve() 在一個申請好的sk_buff的緩衝區裏保留一塊空間。這個空間
一般是用做下一層協定的頭空間的。
.skb_put() 在一個申請好的sk_buff的緩衝區裏為資料保留一塊空間。在
alloc_skb以後，申請到的sk_buff的緩衝區都是處於空(free)狀態，有一個
tail指標指向free空間，實際上開始時tail就指向緩衝區頭。skb_reserve()
在free空間裏申請協定頭空間，skb_put()申請資料空間。見下麵的圖。
.skb_push() 把sk_buff緩衝區裏資料空間往前移。即把Head room中的空間移
一部分到Data area。
.skb_pull() 把sk_buff緩衝區裏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()

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三.編寫Linux網路驅動程式中需要注意的問題

3.1 中斷共用
Linux系統運行幾個設備共用同一個中斷。需要共用的話，在申請的時候指明
共用方式。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);
如果共用中斷，irqflags設置SA_SHIRQ屬性，這樣就允許別的設備申請同一個
中斷。需要注意所有用到這個中斷的設備在調用request_irq()都必須設置這個屬
性。系統在回調每個中斷處理程式時，可以用dev_id這個參數找到相應的設備。一
般dev_id就設為device結構本身。系統處理共用中斷是用各自的dev_id參數依次調
用每一個中斷處理程式。

3.2 硬體發送忙時的處理
主CPU的處理能力一般比網路發送要快，所以經常會遇到系統有資料要發，但
上一包資料網路設備還沒發送完。因為在Linux裏網路設備驅動程式一般不做資料
緩存，不能發送的資料都是通知系統發送不成功，所以必須要有一個機制在硬體不
忙時及時通知系統接著發送下面的資料。
一般對發送忙的處理在前面設備的發送方法(hard_start_xmit)裏已經描述過，
即如果發送忙，置tbusy為1。處理完發送資料後，在發送結束中斷裏清tbusy，同
時用mark_bh()調用通知系統繼續發送。
但在具體實現我的驅動程式時發現，這樣的處理系統好象並不能及時地知道硬
件已經空閒了，即在mark_bh()以後，系統要等一段時間才會接著發送。造成發送
效率很低。2M線路只有10%不到的使用率。內核版本為2.0.35。
我最後的實現是不把tbusy置1，讓系統始終認為硬體空閒，但是報告發送不成
功。系統會一直嘗試重發。這樣處理就運行正常了。但是遍循內核源碼中的網路驅
動程式，似乎沒有這樣處理的。不知道癥結在哪里。

3.3 流量控制(flow control)
網路資料

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