概述 一.Linux系統設備驅動程序概述 1.1 linux設備驅動程序分類 linux設備驅動程序在Linux的內核源代碼中占有很大的比例，源代碼的長度日益增加，主要是驅動程序的增加。在Linux內核的不斷升級過程中，驅動程序的結構還是相對穩定。在2.0.xx到2.2.xx的變動裡，驅動程序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系統的設備分為字符設備(char device)，塊設備(block device)和網絡設備(network device)三種。字符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持，並且塊設備必須能夠隨機存取(random Access)，字符設備則沒有這個要求。典型的字符設備包括鼠標，鍵盤，串行口等。塊設備主要包括硬盤軟盤設備，CD-ROM等。一個文件系統要安裝進入操作系統必須在塊設備上。 網絡設備在linux裡做專門的處理。Linux的網絡系統主要是基於BSD unix的socket機制。在系統和驅動程序之間定義有專門的數據結構(sk_buff)進行數據的傳遞。系統裡支持對發送數據和接收數據的緩存，提供流量控制機制，提供對多協議的支持。 1.2 編寫驅動程序的一些基本概念 無論是什麼操作系統的驅動程序，都有一些通用的概念。操作系統提供給驅動程序的支持也大致相同。下面簡單介紹一下網絡設備驅動程序的一些基本要求。 1.2.1 發送和接收 這是一個網絡設備最基本的功能。一塊網卡所做的無非就是收發工作。所以驅動程序裡要告訴系統你的發送函數在哪裡，系統在有數據要發送時就會調用你的發送程序。還有驅動程序由於是直接操縱硬件的，所以網絡硬件有數據收到最先能得到這個數據的也就是驅動程序，它負責把這些原始數據進行必要的處理然後送給系統。這裡，操作系統必須要提供兩個機制，一個是找到驅動程序的發送函數，一個是驅動程序把收到的數據送給系統。 1.2.2 中斷 中斷在現代計算機結構中有重要的地位。操作系統必須提供驅動程序響應中斷的能力。一般是把一個中斷處理程序注冊到系統中去。操作系統在硬件中斷發生後調用驅動程序的處理程序。linux支持中斷的共享，即多個設備共享一個中斷。 1.2.3 時鐘 在實現驅動程序時，很多地方會用到時鐘。如某些協議裡的超時處理，沒有中斷機制的硬件的輪詢等。操作系統應為驅動程序提供定時機制。一般是在預定的時間過了以後回調注冊的時鐘函數。在網絡驅動程序中，如果硬件沒有中斷功能，定時器可以提供輪詢(poll)方式對硬件進行存取。或者是實現某些協議時需要的超時重傳等。 --------------------------------------------------------------------------------
設備驅動 二.linux系統網絡設備驅動程序 2.1 網絡驅動程序的結構 所有的linux網絡驅動程序遵循通用的接口。設計時采用的是面向對象的方法。一個設備就是一個對象(device 結構)，它內部有自己的數據和方法。每一個設備的方法被調用時的第一個參數都是這個設備對象本身。這樣這個方法就可以存取自身的數據(類似面向對象程序設計時的this引用)。 一個網絡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 ----------------------------------------------------- 初始化程序完成硬件的初始化、device中變量的初始化和系統資源的申請。發送程序是在驅動程序的上層協議層有數據要發送時自動調用的。一般驅動程序中不對發送數據進行緩存，而是直接使用硬件的發送功能把數據發送出去。接收數據一般是通過硬件中斷來通知的。在中斷處理程序裡，把硬件幀信息填入一個skbuff結構中，然後調用netif_rx()傳遞給上層處理。 2.2 網絡驅動程序的基本方法 網絡設備做為一個對象，提供一些方法供系統訪問。正是這些有統一接口的方法，掩蔽了硬件的具體細節，讓系統對各種網絡設備的訪問都采用統一的形式，做到硬件無關性。 下面解釋最基本的方法。 2.2.1 初始化(initialize) 驅動程序必須有一個初始化方法。在把驅動程序載入系統的時候會調用這個初始化程序。它做以下幾方面的工作。檢測設備。在初始化程序裡你可以根據硬件的特征檢查硬件是否存在，然後決定是否啟動這個驅動程序。配置和初始化硬件。在初始化程序裡你可以完成對硬件資源的配置，比如即插即用的硬件就可以在這個時候進行配置(linux內核對PnP功能沒有很好的支持，可以在驅動程序裡完成這個功能)。配置或協商好硬件占用的資源以後，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享的，如中斷。有些是不能共享的，如IO、DMA。接下來你要初始化device結構中的變量。最後，你可以讓硬件正式開始工作。 2.2.2 打開(open) open這個方法在網絡設備驅動程序裡是網絡設備被激活的時候被調用(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裡來做。比如資源的申請，硬件的激活。如果dev->open返回非0(error)，則硬件的狀態還是down。 open方法另一個作用是如果驅動程序做為一個模塊被裝入，則要防止模塊卸載時設備處於打開狀態。在open方法裡要調用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。另外如果是做為模塊裝入的驅動程序，close裡應該調用MOD_DEC_USE_COUNT，減少設備被引用的次數，以使驅動程序可以被卸載。 另外close方法必須返回成功(0==sUCcess)。 2.2.4 發送(hard_start_xmit) 所有的網絡設備驅動程序都必須有這個發送方法。在系統調用驅動程序的xmit時，發送的數據放在一個sk_buff結構中。一般的驅動程序把數據傳給硬件發出去。也有一些特殊的設備比如loopback把數據組成一個接收數據再回送給系統，或者dummy設備直接丟棄數據。 如果發送成功，hard_start_xmit方法裡釋放sk_buff，返回0(發送成功)。如果設備暫時無法處理，比如硬件忙，則返回1。這時如果dev->tbusy置為非0，則系統認為硬件忙，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。硬件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中的數據已經包含硬件需要的幀頭。所以在發送方法裡不需要再填充硬件幀頭，數據可以直接提交給硬件發送。sk_buff是被鎖住的(locked)，確保其他程序不會存取它。 2.2.5 接收(reception) 驅動程序並不存在一個接收方法。有數據收到應該是驅動程序來通知系統的。一般設備收到數據後都會產生一個中斷，在中斷處理程序中驅動程序申請一塊sk_buff(skb)，從硬件讀出數據放置到申請好的緩沖區裡。接下來填充sk_buff中的一些信息。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指向硬件數據然後丟棄硬件幀頭(skb_pull)。還要設置skb->pkt_type，標明第二層(鏈路層)數據類型。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()把數據傳送給協議層。netif_rx()裡數據放入處理隊列然後返回，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，驅動程序就不能再存取數據緩沖區skb。 2.2.6 硬件幀頭(hard_header) 硬件一般都會在上層數據發送之前加上自己的硬件幀頭，比如以太網(Ethernet)就有14字節的幀頭。這個幀頭是加在上層ip、ipx等數據包的前面的。驅動程序提供一個hard_header方法，協議層(ip、ipx、arp等)在發送數據之前會調用這段程序。 硬件幀頭的長度必須填在dev->hard_header_len，這樣協議層回在數據之前保留好硬件幀頭的空間。這樣hard_header程序只要調用skb_push然後正確填入硬件幀頭就可以了。 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)，源地址(saddr)，數據長度(len)。數據長度不要使用sk_buff中的參數，因為調用hard_header時數據可能還沒完全組織好。saddr是NULL的話是使用缺省地址(default)。daddr是NULL表明協議層不知道硬件目的地址。如果hard_header完全填好了硬件幀頭，則返回添加的字節數。如果硬件幀頭中的信息還不完全(比如daddr為NULL，但是幀頭中需要目的硬件地址。典型的情況是以太網需要地址解析(arp))，則返回負字節數。hard_he
