linux内核数据包的接收
章节1
一、从网卡说起
这并非是一个网卡驱动分析的专门文档，只是对网卡处理数据包的流程进行一个重点的分析。这里以Intel的e100驱动为例进行分析。
大多数网卡都是一个PCI设备，PCI设备都包含了一个标准的配置寄存器，寄存器中，包含了PCI设备的厂商ID、设备ID等等信息，驱动
程序使用来描述这些寄存器的标识符。如下：
struct pci_device_id {
__u32 vendor, device;
__u32 subvendor, subdevice;
_u32 class, class_mask;
kernel_ulong_t driver#;
};
这样，在驱动程序中，常常就可以看到定义一个struct pci_device_id 类型的数组，告诉内核支持不同类型的
PCI设备的列表，以e100驱动为例
#define INTEL_8255X_ETHERNET_DEVICE(device_id, ich) {\
PCI_VENDOR_ID_INTEL, device_id, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, \
PCI_CLASS_NETWORK_ETHERNET << 8, 0xFFFF00, ich }
static struct pci_device_id e100_id_table[] = {
INTEL_8255X_ETHERNET_DEVICE(0x1029, 0),
INTEL_8255X_ETHERNET_DEVICE(0x1030, 0),
INTEL_8255X_ETHERNET_DEVICE(0x1031, 3),
……
{ 0, }
};
在内核中，一个PCI设备，使用struct pci_driver结构来描述
struct pci_driver {
struct list_head node;
char *name;
struct module *owner;
const struct pci_device_id *id_table;
int (*probe) (struct pci_dev *dev, const struct pci_device_id *id);
void (*remove) (struct pci_dev *dev);
int (*suspend) (struct pci_dev *dev, pm_message_t state);
int (*resume) (struct pci_dev *dev);
int (*enable_wake) (struct pci_dev *dev, pci_power_t state, int enable);
void (*shutdown) (struct pci_dev *dev);
struct device_driver driver;
struct pci_dynids dynids;
};
因为在系统引导的时候，PCI设备已经被识别，当内核发现一个已经检测到的设备同驱动注册的id_table中的信息相匹配时，
它就会触发驱动的probe函数，以e100为例：
static struct pci_driver e100_driver = {
.name = DRV_NAME,
.id_table = e100_id_table,
.probe = e100_probe,
.remove = __devexit_p(e100_remove),
#ifdef CONFIG_PM
.suspend = e100_suspend,
.resume = e100_resume,
#endif
.driver = {
.shutdown = e100_shutdown,
}
};
这样，如果系统检测到有与id_table中对应的设备时，就调用驱动的probe函数。
驱动设备在init函数中，调用pci_module_init函数初始化PCI设备e100_driver:
static int __init e100_init_module(void)
{
if(((1 << debug) - 1) & NETIF_MSG_DRV) {
printk(KERN_INFO PFX “%s, %s\n”, DRV_DESCRIPTION, DRV_VERSION);
printk(KERN_INFO PFX “%s\n”, DRV_COPYRIGHT);
}
return pci_module_init(&e100_driver);
}
一切顺利的话，注册的e100_probe函数将被内核调用，这个函数完成两个重要的工作：
1、分配/初始化/注册网络设备；
2、完成PCI设备的I/O区域的分配和映射，以及完成硬件的其它初始化工作；
网络设备使用structnet_device结构来描述，这个结构非常之大，许多重要的参考书籍对它都有较为深入的描述，可以参考《Linux设备驱动程序》中网卡驱动设计的相关章节。会在后面的内容中，对其重要的成员进行注释；
当probe函数被调用，证明已经发现了我们所支持的网卡，这样，就可以调用register_netdev函数向内核注册网络设备了，注册之前，一般会调用alloc_etherdev为以太网分析一个net_device，然后初始化它的重要成员。
除了向内核注册网络设备之外，探测函数另一项重要的工作就是需要对硬件进行初始化，比如，要访问其I/O区域，需要为I/O区域分配内存区域，然后进行映射，这一步一般的流程是：
1、request_mem_region()
2、ioremap()
对于一般的PCI设备而言，可以调用：
1、pci_request_regions()
2、ioremap()
pci_request_regions函数对PCI的6个寄存器都会调用资源分配函数进行申请（需要判断是I/O端口还是I/O内存），例如：
int pci_request_regions(struct pci_dev *pdev, char *res_name)
{
int i;
for (i = 0; i < 6; i++)
if(pci_request_region(pdev, i, res_name))
goto err_out;
return 0;
｝
int pci_request_region(struct pci_dev *pdev, int bar, char *res_name)
{
if (pci_resource_len(pdev, bar) == 0)
return 0;
if (pci_resource_flags(pdev, bar) & IORESOURCE_IO) {
if (!request_region(pci_resource_start(pdev, bar),
pci_resource_len(pdev, bar), res_name))
goto err_out;
}
else if (pci_resource_flags(pdev, bar) & IORESOURCE_MEM) {
if (!request_mem_region(pci_resource_start(pdev, bar),
pci_resource_len(pdev, bar), res_name))
goto err_out;
}
return 0;
｝
有了这些基础，我们来看设备的探测函数
static int __devinit e100_probe(struct pci_dev *pdev,
const struct pci_device_id *ent)
{
struct net_device *netdev;
struct nic *nic;
int err;
if(!(netdev = alloc_etherdev(sizeof(struct nic)))) {
if(((1 << debug) - 1) & NETIF_MSG_PROBE)
printk(KERN_ERR PFX "Etherdev alloc failed, abort.\n");
return -ENOMEM;
}
netdev->open = e100_open;
netdev->stop = e100_close;
netdev->hard_start_xmit = e100_xmit_frame;
netdev->get_stats = e100_get_stats;
netdev->set_multicast_list = e100_set_multicast_list;
netdev->set_mac_address = e100_set_mac_address;
netdev->change_mtu = e100_change_mtu;
netdev->do_ioctl = e100_do_ioctl;
SET_ETHTOOL_OPS(netdev, &e100_ethtool_ops);
netdev->tx_timeout = e100_tx_timeout;
netdev->watchdog_timeo = E100_WATCHDOG_PERIOD;
netdev->poll = e100_poll;
netdev->weight = E100_NAPI_WEIGHT;
#ifdef CONFIG_NET_POLL_CONTROLLER
netdev->poll_controller = e100_netpoll;
#endif
strcpy(netdev->name, pci_name(pdev));
nic = netdev_priv(netdev);
nic->netdev = netdev;
nic->pdev = pdev;
nic->msg_enable = (1 << debug) - 1;
pci_set_drv#(pdev, netdev);
if((err = pci_enable_device(pdev))) {
DPRINTK(PROBE, ERR, "Cannot enable PCI device, aborting.\n");
goto err_out_free_dev;
}
if(!(pci_resource_flags(pdev, 0) & IORESOURCE_MEM)) {
DPRINTK(PROBE, ERR, "Cannot find proper PCI device "
"base address, aborting.\n");
err = -ENODEV;
goto err_out_disable_pdev;
}
if((err = pci_request_regions(pdev, DRV_NAME))) {
DPRINTK(PROBE, ERR, "Cannot obtain PCI resources, aborting.\n");
goto err_out_disable_pdev;
}
if((err = pci_set_dma_mask(pdev, 0xFFFFFFFFULL))) {
DPRINTK(PROBE, ERR, "No usable DMA configuration, aborting.\n");
goto err_out_free_res;
}
SET_MODULE_OWNER(netdev);
SET_NETDEV_DEV(netdev, &pdev->dev);
nic->csr = ioremap(pci_resource_start(pdev, 0), sizeof(struct csr));
if(!nic->csr) {
DPRINTK(PROBE, ERR, "Cannot map device registers, aborting.\n");
err = -ENOMEM;
goto err_out_free_res;
}
if(ent->driver_#)
nic->flags |= ich;
else
nic->flags &= ~ich;
e100_get_defaults(nic);
spin_lock_init(&nic->cb_lock);
spin_lock_init(&nic->cmd_lock);
e100_hw_reset(nic);
pci_set_master(pdev);
init_timer(&nic->watchdog);
nic->watchdog.function = e100_watchdog;
nic->watchdog.# = (unsigned long)nic;
init_timer(&nic->blink_timer);
nic->blink_timer.function = e100_blink_led;
nic->blink_timer.# = (unsigned long)nic;
INIT_WORK(&nic->tx_timeout_task,
(void (*)(void *))e100_tx_timeout_task, netdev);
if((err = e100_alloc(nic))) {
DPRINTK(PROBE, ERR, "Cannot alloc driver memory, aborting.\n");
goto err_out_iounmap;
}
e100_phy_init(nic);
if((err = e100_eeprom_load(nic)))
goto err_out_free;
memcpy(netdev->dev_addr, nic->eeprom, ETH_ALEN);
if(!is_valid_ether_addr(netdev->dev_addr)) {
DPRINTK(PROBE, ERR, "Invalid MAC address from "
"EEPROM, aborting.\n");
err = -EAGAIN;
goto err_out_free;
}
if((nic->mac >= mac_82558_D101_A4) &&
(nic->eeprom[eeprom_id] & eeprom_id_wol))
nic->flags |= wol_magic;
pci_enable_wake(pdev, 0, 0);
strcpy(netdev->name, "eth%d");
if((err = register_netdev(netdev))) {
DPRINTK(PROBE, ERR, "Cannot register net device, aborting.\n");
goto err_out_free;
}
DPRINTK(PROBE, INFO, "addr 0x%lx, irq %d, "
"MAC addr %02X:%02X:%02X:%02X:%02X:%02X\n",
pci_resource_start(pdev, 0), pdev->irq,
netdev->dev_addr[0], netdev->dev_addr[1], netdev->dev_addr[2],
netdev->dev_addr[3], netdev->dev_addr[4], netdev->dev_addr[5]);
return 0;
err_out_free:
e100_free(nic);
err_out_iounmap:
iounmap(nic->csr);
err_out_free_res:
pci_release_regions(pdev);
err_out_disable_pdev:
pci_disable_device(pdev);
err_out_free_dev:
pci_set_drv#(pdev, NULL);
free_netdev(netdev);
return err;
}
执行到这里，探测函数的使命就完成了，在对网络设备重要成员初始化时，有：
netdev->open = e100_open;
指定了设备的open函数为e100_open，这样，当第一次使用设备，比如使用ifconfig工具的时候，open函数将被调用。
二、打开设备
在探测函数中，设置了netdev->open = e100_open;指定了设备的open函数为e100_open：
static int e100_open(struct net_device *netdev)
{
struct nic *nic = netdev_priv(netdev);
int err = 0;
netif_carrier_off(netdev);
if((err = e100_up(nic)))
DPRINTK(IFUP, ERR, "Cannot open interface, aborting.\n");
return err;
}
大多数涉及物理设备可以感知信号载波（carrier）的存在，载波的存在意味着设备可以工作
据个例子来讲：当一个用户拔掉了网线，也就意味着信号载波的消失。
netif_carrier_off：关闭载波信号；
netif_carrier_on：打开载波信号；
netif_carrier_ok：检测载波信号；对于探测网卡网线是否连接，这一组函数被使用得较多；
接着，调用e100_up函数启动网卡，这个“启动”的过程，最重要的步骤有：
1、调用request_irq向内核注册中断；
2、调用netif_wake_queue函数来重新启动传输队例；
static int e100_up(struct nic *nic)
{
int err;
if((err = e100_rx_alloc_list(nic)))
return err;
if((err = e100_alloc_cbs(nic)))
goto err_rx_clean_list;
if((err = e100_hw_init(nic)))
goto err_clean_cbs;
e100_set_multicast_list(nic->netdev);
e100_start_receiver(nic, 0);
mod_timer(&nic->watchdog, jiffies);
if((err = request_irq(nic->pdev->irq, e100_intr, SA_SHIRQ,
nic->netdev->name, nic->netdev)))
goto err_no_irq;
netif_wake_queue(nic->netdev);
netif_poll_enable(nic->netdev);
e100_enable_irq(nic);
return 0;
err_no_irq:
del_timer_sync(&nic->watchdog);
err_clean_cbs:
e100_clean_cbs(nic);
err_rx_clean_list:
e100_rx_clean_list(nic);
return err;
}
这样，中断函数e100_intr将被调用三、网卡中断
从本质上来讲，中断，是一种电信号，当设备有某种事件发生的时候，它就会产生中断，通过总线把电信号发送给中断控制器，如果中断的线是**的，中断控制器就把电信号发送给处理器的某个特定引脚。处理器于是立即停止自己正在做的事，跳到内存中内核设置的中断处理程序的入口点，进行中断处理。
在内核中断处理中，会检测中断与我们刚才注册的中断号匹配，于是，注册的中断处理函数就被调用了。
当需要发/收数据，出现错误，连接状态变化等，网卡的中断信号会被触发。当接收到中断后，中断函数读取中断状态位，进行合法性判断，如判断中断信号是否是自己的等，然后，应答设备中断——OK，我已经知道了，你回去继续工作吧……
接着，它就屏蔽此中断，然后netif_rx_schedule函数接收，接收函数会在未来某一时刻调用设备的poll函数（对这里而言，注册的是e100_poll）实现设备的轮询
static irqreturn_t e100_intr(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs)
{
struct net_device *netdev = dev_id;
struct nic *nic = netdev_priv(netdev);
u8 stat_ack = readb(&nic->csr->scb.stat_ack);
DPRINTK(INTR, DEBUG, "stat_ack = 0x%02X\n", stat_ack);
if(stat_ack == stat_ack_not_ours ||
stat_ack == stat_ack_not_present)
return IRQ_NONE;
writeb(stat_ack, &nic->csr->scb.stat_ack);
if(stat_ack & stat_ack_rnr)
nic->ru_running = RU_SUSPENDED;
e100_disable_irq(nic);
netif_rx_schedule(netdev);
return IRQ_HANDLED;
}
对于数据包的接收而言，我们关注的是poll函数中，调用e100_rx_clean进行数据的接收
static int e100_poll(struct net_device *netdev, int *budget)
{
struct nic *nic = netdev_priv(netdev);
unsigned int work_to_do = min(netdev->quota, *budget);
unsigned int work_done = 0;
int tx_cleaned;
e100_rx_clean(nic, &work_done, work_to_do);
tx_cleaned = e100_tx_clean(nic);
if((!tx_cleaned && (work_done == 0)) || !netif_running(netdev)) {
netif_rx_complete(netdev);
e100_enable_irq(nic);
return 0;
}
*budget -= work_done;
netdev->quota -= work_done;
return 1;
}
static inline void e100_rx_clean(struct nic *nic, unsigned int *work_done,
unsigned int work_to_do)
{
struct rx *rx;
int restart_required = 0;
struct rx *rx_to_start = NULL;
if(RU_SUSPENDED == nic->ru_running)
restart_required = 1;
for(rx = nic->rx_to_clean; rx->skb; rx = nic->rx_to_clean = rx->next) {
int err = e100_rx_indicate(nic, rx, work_done, work_to_do);
if(-EAGAIN == err) {
restart_required = 0;
break;
} else if(-ENO# == err)
break;
}
if(restart_required)
rx_to_start = nic->rx_to_clean;
for(rx = nic->rx_to_use; !rx->skb; rx = nic->rx_to_use = rx->next) {
if(unlikely(e100_rx_alloc_skb(nic, rx)))
break;
}
if(restart_required) {
// ack the rnr?
writeb(stat_ack_rnr, &nic->csr->scb.stat_ack);
e100_start_receiver(nic, rx_to_start);
if(work_done)
(*work_done)++;
}
}
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