嵌入式Linux网络驱动程序开发设计

引言

随着人们对开放源代码软件热情的日益增高，Linux作为一个功能强大而稳定的开源操作系统，越来越受到成千上万的计算机专家和爱好者的青睐。在嵌入式领域，通过对Linux进行小型化裁剪后，使其能够固化在容量只有几十兆字节的存储器芯片或单片机中，成为应用于特定场合的嵌入式Linux系统。Linux强大的网络支持功能实现了对包括TCP/IP在内的多种协议的支持，满足了面向21世纪的嵌入式系统应用联网的需求。因此，在嵌入式系统开发调试时，网络接口几乎成为不可或缺的模块。

1 嵌入式Linux网络驱动程序介绍

Linux网络驱动程序作为Linux网络子系统的一部分，位于TCP/IP网络体系结构的网络接口层，主要实现上层协议栈与网络设备的数据交换。Linux的网络系统主要是基于BSD Unix的套接字（socket）机制，网络设备与字符设备和块设备不同，没有对应地映射到文件系统中的设备节点。

通常，Linux驱动程序有两种加载方式：一种是静态地编译进内核，内核启动时自动加载；另一种是编写为内核模块,使用insmod命令将模块动态加载到正在运行的内核，不需要时可用rmmod命令将模块卸载。Linux 2.6内核引入了kbuild机制，将外部内核模块的编译同内核源码树的编译统一起来，大大简化了特定的参数和宏的设置。这样将编写好的驱动模块加入内核源码树，只需要修改相应目录的Kconfig文件，把新的驱动加入内核的配置菜单，然后需要修改相应子目录中与模块编译相关的Kbuild Makefile,即可使新的驱动在内核源码树中被编译。在嵌入式系统驱动开发时，常常将驱动程序编写为内核模块，方便开发调试。调试完毕后，就可以将驱动模块编译进内核，并重新编译出支持特定物理设备的Linux内核。

2 嵌入式Linux网络驱动程序的体系结构和实现原理

2.1 Linux网络设备驱动的体系结构

如图1所示，Linux网络驱动程序的体系结构可划分为4个层次。Linux内核源代码中提供了网络设备接口及以上层次的代码，因此移植特定网络硬件的驱动程序的主要工作就是完成设备驱动功能层的相应代码，根据底层具体的硬件特性，定义网络设备接口struct net_device类型的结构体变量，并实现其中相应的操作函数及中断处理程序。


Linux中所有的网络设备都抽象为一个统一的接口，即网络设备接口，通过struct net_device类型的结构体变量表示网络设备在内核中的运行情况，这里既包括回环（loopback）设备，也包括硬件网络设备接口。内核通过以dev_base为头指针的设备链表来管理所有的网络设备。

2.2 net_device 数据结构

struct net_device结构体是整个网络驱动结构的核心，其中定义了很多供网络协议接口层调用设备的标准方法，该结构在2.6内核源码树文件中定义，下面只列出其中主要的成员。

2.2.1全局信息及底层硬件信息

name:网络设备名称，默认是以太网；
*next:指向全局链表下一个设备的指针，驱动程序中不修改；
mem_,rmem_:发送和接收缓冲区的起始，结束位置；
base_addr,irq:网络设备的I/O基地址，中断号，ifconfig命令可显示和修改；
hard_header_len:硬件头的长度，以太网中值为14；
mtu:最大传输单元，以太网中值为1500B；
dev_addr[MAX_ADDR_LEN]:硬件(MAC)地址长度及设备硬件地址，以太网地址长度是48bit，ether_setup会对其进行正确的设置；

2.2.2 主要的操作方法

int (*init)(struct net_device *dev); 设备初始化和向系统注册的函数，仅调用一次；
int (*open)(struct net_device *dev);设备打开接口函数，当用ifconfig激活网络设备时被调用，注册所用的系统资源（I/O端口，IRQ，DMA等）同时激活硬件并增加使用计数；
int (*stop)(struct net_device *dev);执行open方法的反操作；
*hard_start_xmit；初始化数据包传输的函数；
*hard_header;该函数（在hard_start_xmit前被调用）根据先前检索到的源和目标硬件地址建立硬件头。 eth_header是以太网类型接口的默认函数；

2.3网络驱动程序的编写及实现原理

Linux网络系统各个层次之间的数据传送都是通过套接字缓冲区sk_buff完成的，sk_buff数据结构是各层协议数据处理的对象。sk_buff是驱动程序与网络之间交换数据的媒介，驱动程序向网络发送数据时，必须从其中获取数据源和数据长度；驱动程序从网络上接收到数据后也要将数据保存到sk_buff中才能交给上层协议处理。
对于实际开发以太网驱动程序，可以参照内核源码树中的相应模板程序，重点理解网络驱动的实现原理和程序的结构框架，然后针对开发的特定硬件改写代码，实现相应的操作函数。下面结合作者利用Linux2.6.18内核在深圳优龙公司的FS2410开发板（SAMSUNG S3C2410处理器）上移植编写嵌入式CS8900A网卡驱动程序的实例，说明网络驱动程序的实现原理。