Linux下E1000网卡驱动分析.doc-资料库

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Linux-千兆网卡驱动实现机制浅析作者: Minit, 出处:博客, 责任编辑: 罗丽艳, 2009-03-29 00:00 网卡作为一个 PCI 设备，其必须遵守相应的 PCI 规范，即必须为网卡定义相应的标识号，每个 PCI 外设由一个总线编号、一个设备编号及一个功能编号来标识。网卡驱动程序则需要定义相应的 pci_device_id 结构来表示其支持的 PCI 外设的标识…… 1.引言本分析主要针对 e1000 网卡，驱动源码为 7.3.20-k2。本文的目的不是为了讲述如何编写驱动程序，主要是分析网卡驱动内部的实现机制。通过此分析，希望可以理解驱动程序中的各个部分的关系，对网卡发送和接收数据包有直观的了解，同时也希望对设计网卡驱动程序有帮助。由于网卡驱动程序与硬件和操作系统都有很紧密的联系，故要把某些问题完全弄清楚，需要很多的经验与相关知识，介于自身的水平有限，且自身经验较少，故肯定存在很多问题，希望本文的读者发现了问题不吝与作者联系。 2.网卡驱动的体系结构网卡作为一个 PCI 设备，其必须遵守相应的 PCI 规范，即必须为网卡定义相应的标识号，每个 PCI 外设由一个总线编号、一个设备编号及一个功能编号来标识。网卡驱动程序则需要定义相应的 pci_device_id 结构来表示其支持的 PCI 外设的标识，通过在驱动程序的 pci_device_id 中查找设备标识号，将驱动程序与设备联系起来。网卡作为 PCI 设备，其包括两类空间，一种是配置空间， CPU 不能直接访问，访问这个空间，需要借助 BIOS 功能;另一种是普通的控制寄存器空间，这部分经过映射后，CPU 可以直接访问控制。在硬件加电初始化时，BIOS 统一检查所有的 PCI 设备，并为每个设备分配一个物理地址，该地址通过 BIOS 获得并写到设备的配置空间内，驱动程序就可以将网卡的普通控制寄存器映射到一段内存空间内，CPU 通过访问映射后的虚拟地址来操控网卡的寄存器。当操作系统初始化时，其为每个 PCI 设备分配一个 pci_dev 结构，并将前面分配的物理地址写到 pci_dev 的 resource 字段中。在网卡驱动程序中则可以通过读取 pci_dev 中的 resource 字段获得网卡的寄存器配置空间地址，其由函数 pci_resource_start()和 pci_resource_end()获得该空间的起始位置，通过 ioremap()将该段位置映射到主存中，以便 CPU 访问控制网卡的 I/O 和内存空间。如重启网卡设备，则是通过向映射后的网卡的相应寄存器写入命令实现，其通过映射后的首地址及相应的寄存器偏移量找到该寄存器的位置，然后通过函数 writeb()写该寄存器。有关相关寄存器对应的偏移量，一般是通过网卡的相关的 datasheet 获得。如果要获取网卡的 MAC 地址，则一般通过函数 readb()读取首地址开始的前六位内容即可得到。

通过 pci_read_config_和 pci_write_config_系列函数可以读写网卡的配置空间，如开启网卡设备就是将网卡配置空间的 command 域置 1，从而设备就可以将寄存器映射到内存。如通过函数 pci_read_config_byte(pci_dev pdev,PCI_INTERRUPT_LINE,&irq)获得设备所分配的中断号并保存在 irq 中。pci_read_config_和 pci_write_config_系列函数实际上是调用 pci_bus_read_config_和 pci_bus_write_config_系列函数实现的，这些函数实际操作网卡对应的 PCI 总线结构。有关 PCI 寄存器的配置空间可参考《Linux Device Driver 3rd》或《PCI Bus Demystified》。网卡作为一个规范的 PCI 设备，其对应的结构体 pci_dev 代表了网卡设备，体现了作为 PCI 设备所应有的规范。网卡的网络传输性质，实际是通过另一结构体 net_device 来体现的，该结构体的初始化由网卡驱动程序实现。内核中对网卡的操作，其实质就是对 net_device 结构的操作，pci_dev 和 net_device 都表示网卡设备，只是体现的角度不一样。net_device 是对特定适配器的抽象，其为上层协议提供了统一的接口，网卡驱动则基于特定适配器实现了这一抽象。 PCI 设备的驱动程序由 pci_driver 结构体表示，故网卡驱动应该是该结构体的一个实例，在该结构体中应该要定义实现与网卡相关的参数以及相应的操作。网卡驱动实际操作的特定适配器，是由与硬件相关的 adapter 所表示的结构体，adapter 体现了大部分与硬件相关的属性，网卡驱动除了直接对 pci_dev 结构操作外，其他对网卡设备的操作基本是对 adapter 结构体的操作。adapter 体现了 net_device 与 pci_dev 的关联，也实现了网络设备的适配器无关性。与网卡设备 pci_dev 的通信是通过 adapter 来实现的，而这个实现则是网卡驱动所要完成的任务。下面图 2-1 描述了三个重要数据结构间的关系，pci_dev 结构体现了网卡的配置空间和 I/O 与内存区域，net_device 结构则向内核提供了操作网卡的抽象接口，其参数值可按照功能分为 5 个部分。e1000_adapter 结构除了体现相应的硬件无关性外，还管理了发送与接收数据包的相应缓冲空间，网卡的物理地址空间映射后的虚拟地址也在此结构中保存。e1000_adapter 结构中的 e1000_hw 结构主要保存网卡的硬件参数，其值就是通过读取 pci_dev 的内容获取而来的。以上的数据结构在网卡工作时起着最核心的作用，同时也是编写驱动程序必须操作的结构体。

图 2-1 网卡驱动程序的主要数据结构 3. 网卡设备的注册与初始化网卡设备的注册与初始化是在其相关的驱动程序的 e1000_probe()函数中实现的，有关设备如何与该驱动相关联，以及如何调用到 e1000_probe()的，在此不作介绍。在函数 e1000_probe()中首先调用函数 pci_enable_device()启用设备，然后声明了 DMA 空间，接着调用函数 alloc_etherdev()生成结构体 net_device，该结构体就表示了网卡设备，对 net_device 的参数进行了初始化后，调用 register_netdev()注册该设备。以上仅是对设备的注册，设备的初始化主要包括对两个结构体的赋值，一个是 net_device，另一个则是 e1000_adapter。对 e1000_adapter 的初始化包括对其中的 e1000_hw 结构的初始化，其调用函数 e1000_sw_init()实现。在对 e1000_hw 的初始化过程中使用了 ioremap()实现了网卡硬件地址与内存虚拟地址之间的映射。对网卡设备进行撤销则调用函数 free_netdev()实现。有关网卡设备注册与初始化的更详细的过程可以参考《Understanding Linux Network Internals》。 4. 网卡设备的启动与关闭

网卡设备启动时首先调用函数 e1000_open()，在该函数中调用 e1000_request_irq()申请中断号及其相应的中断处理程序 e1000_intr()，其实际是调用 request_irq()函数来实现的。在函数 e1000_open()中调用 e1000_setup_all_tx_resources()根据发送队列数建立发送缓冲区，每个缓冲区的建立由函数 e1000_setup_tx_resources()实现，在 e1000_setup_tx_resources()中，主要是对描述发送缓冲区的结构体 e1000_tx_ring 的初始化，其将 DMA 缓冲区与网卡所映射的虚拟地址空间联系起来，使用函数 pci_alloc_consistent()实现一致性映射。而虚拟地址空间与网卡的物理地址相对应，故而这三种空间就对应了起来，DMA 也就可以在此基础上实现了，当数据包内容被映射到 DMA 缓冲区后，其将完全由设备操控。DMA 的缓冲区的初始化在驱动程序的 e1000_probe() 函数中实现。e1000_open()函数会调用 e1000_up()对网卡的一些相关的软硬件参数与空间进行配置，如硬件寄存器的读写，数据包接收与发送空间的处理函数的初始化等。发送缓冲空间的初始化结构及相互间的关系如图 4-1 所示。接收缓冲区的初始化与上述类似，由 e1000_setup_all_rx_resources()调用 e1000_setup_rx_resources()对结构体 e1000_rx_ring 进行初始化。接收缓冲空间的结构如图 4-2 所示。图 4-1 发送缓冲区的结构图

图 4-2 接收缓冲区的结构图网卡的关闭由函数 e1000_close()实现，其会首先关闭中断，然后释放中断号，并且会释放网卡申请的相应的空间。 5. 发送与接收数据包数据包的发送：

图 5-1 发送数据包的结构图及相互关系根据发送队列数 num_tx_queues 建立相应的发送缓冲区结构 e1000_tx_ring，在该结构中有描述该区域的指向 e1000_tx_desc 结构的 desc，该缓冲区指向的 dma 总线地址，用于接收硬件传送来的用 e1000_buffer 结构描述的缓冲块数组 buffer_info[]，另外的几个参数则主要用于描述这些缓冲块，其中 count 表示缓冲块的个数，next_to_use 和 next_to_clean 主要描述缓冲块的使用状态，如已经接收接收了数据的位置及准备接收的位置，当有新的数据包要发送时，首先由上层协议调用 e1000_xmit_frame()，在该函数中接着调用 e1000_tx_queue()根据相应的参数找到缓冲块存放，缓冲块的初始化则由函数 e1000_tx_map()实现。buffer_info 指向的环形缓冲块区域主要用来接收总线地址映射来的数据包，所有的缓冲块用 next_to_match 连接成一个环，每个缓冲块用结构体 e1000_buffer 表示，在该结构中，skb 存放数据包的内容，dma 表示该数据包所在的总线地址。此处使用函数 pci_map_single()进行流式映射，的映射方向为 PCI_DMA_TODEVICE，控制总线会把虚拟地址空间所指内容映射到总线地址，然后将该内容由网卡传送出去。发送数据包的相关结构图及相互关系如图 5-1 所示。 e1000_tx_ring 结构中的 desc 所指向的 buffer_addr 记录了每次发送的缓冲块所映射的总线地址，即 buffer_addr 记录的是总线地址。而 desc 本是一个虚拟地址，该虚拟地址是通过 pci_alloc_consistent()映射的发送缓冲区的地址，其与 DMA 缓冲区中的一段

总线地址相对应，该总线地址由 e1000_tx_ring 结构中的 dma 成员保存，这种映射关系在对开启网卡时就实现了，其与在发送数据包时映射的总线地址有区别，后者是在发送时动态进行的。数据包的接收图 5-2 接收数据包的结构图及相互关系根据接收队列数 num_rx_queues 建立相应的接收缓冲区结构 e1000_rx_ring，在该结构中有描述该区域的指向 e1000_rx_desc 结构的 desc，该缓冲区指向的 dma 总线地址，用于接收硬件传送来的用 e1000_buffer 结构描述的缓冲块数组 buffer_info[]，另外的几个参数则主要用于描述这些缓冲块，其中 count 表示缓冲块的个数，next_to_use 和 next_to_clean 主要描述缓冲块的使用状态，如已经接收接收了数据的位置及准备接收的位置，当有新的数据包要到来时，则根据这两个参数找到相应的区域存放。对于需要分片接收的数据包则利用了 ps_page 和 ps_page_dma 来实现，参数 cpu 指定了该接收缓冲队列所属的处理器。总线地址与要发送的虚拟地址间的映射方向为 PCI_DMA_FROMDEVICE，控制总线会把总线地址的内容映射到虚拟地址空间内。接收数据包的相关结构图及相互关系如图 5-2 所示。

当有新的数据包到达时，首先触动中断处理函数 e1000_intr()，在函数中会为新来的数据包在缓冲块数组 buffer_info 中找到一个新的缓冲块位置，并完成 e1000_buffer 结构的赋值。数据包的接收其实就是将总线地址指向的内容拷贝到 skb 中，然后根据 skb 中的协议将其传给相应的上层协议的接收函数。 6. 网卡驱动程序的设计编写网卡驱动程序，需要对以下三类结构体进行相应的操作： 1.与网络协议栈相关的结构体，如 sk_buff 结构体。 2.网卡和协议栈接口相关的结构体，如 net_device 结构体。 3.与 I/O 总线相关的结构体，如利用 PCI 总线进行数据包传送的 DMA 缓冲区以及表示网卡的 pci_dev 结构体。设计网卡驱动时，需要针对以上的数据结构实现相应的功能，如对 sk_buff 结构的操作实现对数据包的有效控制;对 net_device 结构的操作可以对网卡进行操作(如开启、关闭等)，可以发送数据包以及轮询数据包，可以制定网卡的相应的定时操作以及统计数据包，可以为用户提供配置功能(ethtool)等。在设计网卡驱动时，需要考虑如何与上层协议的协调以及对底层总线地址的控制。有关网卡驱动程序更详细的设计流程可以参考《Essential Linux Device Driver》及《Linux Device Driver 3rd》。 7. 总结本文的分析重点为网卡驱动中涉及到的重要数据结构，以及发送和接收数据包的实现，对这些实现机制了解后，对于设计和实现驱动程序应该会有帮助，因为该机制本身难度很大，加上作者水平有限，其中的分析结论不能保证完全正确。

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