嵌入式学习-驱动开发-lesson7.1-网卡驱动架构分析驱动及CS8900流程分析

PART1 网卡驱动架构分析

一、网络子系统

在内核相关一课中，已经介绍过，linux内核一共有7个子系统（模块）：

1.SCI

2.Pm

3.MM

4.Arch

5.Vfs

6.Network stack

7.DD

并且在前面已经讲过内存管理子系统和进程管子系统，今天主要讲解linux网络子系统。

首先看一下网络子系统的主要组成部分，如下图：



如上图所示，处于内核空间的linux网络子系统主要由5个部分组成：

1.系统调用接口

面向应用程序，提供一些 socket send等网络系统调用接口

2.协议无关接口

系统调用接口要访问网络协议栈，不同的接口有不同的协议，如IP，tcp，udp等，太繁杂，利用协议无关接口将下层的所有协议统一起来，提供给系统调用接口一个统一的接口

3.网络协议栈

实现一些具体的网络协议 TCP UDP ip协议等

4.设备无关接口

利用此接口将驱动统一起来，不管驱动程序如何，或者说是如何写的，函数接口都是统一的

5.设备驱动程序：网卡驱动程序位于这一部分，例如 cs8900 dm9000驱动

二、重要数据结构

1） 网卡描述结构

在Linux内核中，每个网卡都由一个net_device结构来描述，其中的一些重要成员有：

char name[IFNAMSIZ]

设备名,如：eth%d

unsigned long base_addr

I/O 基地址

const struct net_device_ops *netdev_ops;

网卡操作函数集

2） 网卡操作集合

类似于字符设备驱动中的file_operations结构，net_device_ops结构记录了网卡所支持的操作。

下面是dm9000的操作函数集：

static const struct net_device_ops dm9000_netdev_ops =

{

.ndo_open = dm9000_open,

.ndo_stop = dm9000_stop,

.ndo_start_xmit = dm9000_start_xmit,

.ndo_do_ioctl = dm9000_ioctl,

.ndo_validate_addr = eth_validate_addr,

.ndo_set_mac_address = eth_mac_addr,

};

3） 网络数据包

Linux内核中的每个网络数据包（由网络协议栈产生）都由一个套接字缓冲区结构 struct sk_buff 描述，即一个sk_buff结构就是一个网络包,指向sk_buff的指针通常被称做skb。通常为：struct sk_buff skb;

下面为skb的组成部分：



head:包最开始的起点

data:有效数据的开始

tail:有效数据的结尾

end:包的终点

三、CS8900分析

1）.初始化

1分配net_device结构

在cs8900.c中，在其入口函数中，使用函数alloc_etherdev为其分配结构



2初始化net_device结构

在接下来的过程中，主要工作是对net_device的结构进行了初始化，主要包括以下几个方面：

中断号irq和基地址base_addr的初始化



MAC地址



netdev_ops的初始化



3初始化硬件

这里暂且不分析硬件相关的

4注册网卡驱动

使用register_netdev函数注册网卡驱动

2）网卡发送函数

在net_device_ops函数中，有网卡发送函数ndo_start_xmit，进入到这个函数，分析其数据发送流程



1告诉上层协议，在发送数据，暂停接收其它数据

netif_stop_queue(dev);



2将skb中的数据写入网卡寄存器，发送走



3释放skb结构

dev_kfree_skb (skb);



4 当发送完数据后，网卡会产生一个中断，因此在中断处理函数net_interrupt中,通知上层协议，可以接收数据

netif_wake_queue

3）数据接收函数

对于网卡的数据接收，不像网卡的数据发送那样，在操作函数集中有一个发送函数，而是会产生一个接收中断，在接收中断中则进行接收数据的处理



1读取接收状态

status = readword(ioaddr, RX_FRAME_PORT);

2读取接收的数据长度

length = readword(ioaddr, RX_FRAME_PORT);



3构造一个skb结构，存放接收到的数据

skb = dev_alloc_skb(length + 2);



4从网卡寄存器中读出数据，存入skb



5将收到的数据包skb交给协议栈处理

netif_rx(skb);



流程图如下：



PART2 网络子系统深度剖析

本次需要解决两个问题：

1.用户程序怎样把数据经过linux内核交给网卡去发送

2.网卡收到的数据怎样经过linux内核交给用户态程序

一、网络发包模型

如上图所示，一个安转了Linux系统的PC1，有两个网卡W1 W2,W1的IP为192.168.1.10，他接到了一个路由器Y1上，这个路由器Y1的网关为192.168.1.1，这个路由器又接到了另外一个网络，这个网络中有一个PC2，这个PC2的IP为168.1.1.10，第二个网卡W2，IP地址10.0.0.30，接到了路由器Y2上面，IP地址为10.0.0.1，路由器Y2又接到了另外的网络上，并且有一个PC3.

现在PC1上有一个数据包，要发送到PC2上面去，现在问题来了？这个数据包如何发送出去，是经过W1?W2？PC1如何决定发送路径？

Linux系统会根据系统中的一个东西—路由表来决定，在这个路由表中，有一些路由信息，例如，会存储PC2 168.1.1.10的数据由路由器网关192.168.1.1转发，那Linux会根据这条路由信息选择相应的路径

因此上面的主要流程为：

1.选择路由，即选择好路径，由哪一个路由器发送

2.选择邻居子系统，建立邻居信息

Linux将数据发给PC2，即将数据发给路由器，然后路由器再将数据发送给PC2，路由器在发送数据的过程中，充当一个发送路径上的邻居的角色。

注意：数据给路由器，那么就需要知道路由器的Mac地址，若不知道Mac地址，则需要通过arp获取Mac地址

二、UDP数据发送流程分析

在前面已经介绍过，Linux网络子系统主要由5个部分组成，现在假设有一个UDP的包，要发送，观察这个包在这5个部分的主要流程是如何？

1).SCI和协议无关层

对于要发送udp包，首先要创建一个socket系统调用，然后使用write发送数据，既然要使用socket，那么我们就需要首先知道socket对应的fileoperation，然后通过fileoperation找到在Linux系统中的入口点



如上图，socket_file_ops便是socket对应的fileoperation，

在fileoperation中 sock_aio_write 函数便是整个发包函数，在Linux内核中的入口，



sock_aio_write又调用do_sock_write函数，



do_sock_write函数又调用__sock_sendmsg函数，

上面这三个函数便是sci和协议无关层，同时这两层也没有涉及到具体的协议，即不管发送的是UDP、TCP或者IP,所调用的函数都是一致的，而在下一层网络协议栈，则根据不同的协议构造不同的数据包。

2).网络协议栈

因为我们是发送UDP，所以要找到udp相关的数据发送函数。



udp_sendmsg便是网络协议栈的入口，在这个函数中做了很多事情，其中。重要的有：



调用ip_route_output_flow这个函数，这个函数的重要作用是选择路由



又调用udp_push_pending_frames函数，udp_push_pending_frames又调用



有点小疑问，现在是UDP数据的发送流程，为何出现了与IP有关的函数？

一个数据进来之后，先经过udp协议的处理，然后交给IP协议处理，其处理入口就是Ip_push_pending_frames

先上一张高清无码的大图



接下来分析ip协议是如何处理的？

ip_push_pending经过一系列的调用的过程中，在ip_finish_output2函数中完成了建立邻居信息这个任务

在函数ip_finish_output2函数中，建立邻居信息



判断路由是否有邻居的信息，如果有，则直接发送，如果没有，则调用邻居子系统，建立邻居信息。



调用neigh_resolve_output函数

3)设备无关接口

首先将网卡的的操作函数集赋值给ops,然后ops调用操作函数集里面的指针，ndo_start_xmit，实现数据的发送，这一点就涉及到驱动层了，可以联系上面的cs8900的ndo_start_xmit进行分析。

总结：要发送一个数据包，需要调用write系统调用，依次经过 SCI、协议无关接口、协议栈、设备无关接口、驱动。

在此过程中，有两个重要的地方：

1.选路由

在协议栈中，UDP的协议实现部分，

2.邻居子系统

在协议栈中，IP部分，建立邻居信息

将上面的流程绘制如下：



2.网卡收到包之后，如何交给用户处理

在中断处理程序中会判断是否是接收中断，如果是则从硬件中读取数据，并且放入到skb中去，然后函数netif_rx会把包丢给上层去处理，netif_rx会触发软中断，等Linux内核方便的时候，再处理这个中断，那么谁会处理这个软中断？net_rx_action



下图是具体的流程。



新手一枚，如有错误，多多指教。。。