Linux操作系统网络驱动程序编写

.3 网络驱动程序中用到的数据结构

最重要的是网络设备的数据结构。定义在include/linux/netdevice.h里。它的注释已经
足够详尽。
struct device
{
/*
* This is the first field of the "visible" part of this structure
* (i.e. as seen by users in the "Space.c" file). It is the name
* the interface.
*/
char *name;
/* I/O specific fields - FIXME: Merge these and struct ifmap into one */
unsigned long rmem_end; /* shmem "recv" end */
unsigned long rmem_start; /* shmem "recv" start */
unsigned long mem_end; /* shared mem end */
unsigned long mem_start; /* shared mem start */
unsigned long base_addr; /* device I/O address */
unsigned char irq; /* device IRQ number */
/* Low-level status flags. */
volatile unsigned char start, /* start an operation */
interrupt; /* interrupt arrived */
/* 在处理中断时interrupt设为1，处理完清0。 */
unsigned long tbusy; /* transmitter busy must be long for
bitops */
struct device *next;
/* The device initialization function. Called only once. */
/* 指向驱动程序的初始化方法。 */
int (*init)(struct device *dev);
/* Some hardware also needs these fields, but they are not part of the
usual set specified in Space.c. */
/* 一些硬件可以在一块板上支持多个接口，可能用到if_port。 */
unsigned char if_port; /* Selectable AUI, TP,..*/
unsigned char dma; /* DMA channel */
struct enet_statistics* (*get_stats)(struct device *dev);
/*
* This marks the end of the "visible" part of the structure. All
* fields hereafter are internal to the system, and may change at
* will (read: may be cleaned up at will).
*/
/* These may be needed for future network-power-down code. */
/* trans_start记录最后一次成功发送的时间。可以用来确定硬件是否工作正常。*/
unsigned long trans_start; /* Time (in jiffies) of last Tx */
unsigned long last_rx; /* Time of last Rx */
/* flags里面有很多内容，定义在include/linux/if.h里。*/
unsigned short flags; /* interface flags (a la BSD) */
unsigned short family; /* address family ID (AF_INET) */
unsigned short metric; /* routing metric (not used) */
unsigned short mtu; /* interface MTU value */
/* type标明物理硬件的类型。主要说明硬件是否需要arp。定义在
include/linux/if_arp.h里。 */
unsigned short type; /* interface hardware type */
/* 上层协议层根据hard_header_len在发送数据缓冲区前面预留硬件帧头空间。*/
unsigned short hard_header_len; /* hardware hdr length */
/* priv指向驱动程序自己定义的一些参数。*/
void *priv; /* pointer to private data */
/* Interface address info. */
unsigned char broadcast[MAX_ADDR_LEN]; /* hw bcast add */
unsigned char pad; /* make dev_addr aligned to 8
bytes */
unsigned char dev_addr[MAX_ADDR_LEN]; /* hw address */
unsigned char addr_len; /* hardware address length */
unsigned long pa_addr; /* protocol address */
unsigned long pa_brdaddr; /* protocol broadcast addr */
unsigned long pa_dstaddr; /* protocol P-P other side addr */
unsigned long pa_mask; /* protocol netmask */
unsigned short pa_alen; /* protocol address length */
struct dev_mc_list *mc_list; /* Multicast mac addresses */
int mc_count; /* Number of installed mcasts */
struct ip_mc_list *ip_mc_list; /* IP multicast filter chain */
__u32 tx_queue_len; /* Max frames per queue allowed */
/* For load balancing driver pair support */
unsigned long pkt_queue; /* Packets queued */
struct device *slave; /* Slave device */
struct net_alias_info *alias_info; /* main dev alias info */
struct net_alias *my_alias; /* alias devs */
/* Pointer to the interface buffers. */
struct sk_buff_head buffs[DEV_NUMBUFFS];
/* Pointers to interface service routines. */
int (*open)(struct device *dev);
int (*stop)(struct device *dev);
int (*hard_start_xmit) (struct sk_buff *skb,
struct device *dev);
int (*hard_header) (struct sk_buff *skb,
struct device *dev,
unsigned short type,
void *daddr,
void *saddr,
unsigned len);
int (*rebuild_header)(void *eth, struct device *dev,
unsigned long raddr, struct sk_buff *skb);
#define HAVE_MULTICAST
void (*set_multicast_list)(struct device *dev);
#define HAVE_SET_MAC_ADDR
int (*set_mac_address)(struct device *dev, void *addr);
#define HAVE_PRIVATE_IOCTL
int (*do_ioctl)(struct device *dev, struct ifreq *ifr, int cmd);
#define HAVE_SET_CONFIG
int (*set_config)(struct device *dev, struct ifmap *map);
#define HAVE_HEADER_CACHE
void (*header_cache_bind)(struct hh_cache **hhp, struct device
*dev, unsigned short htype, __u32 daddr);
void (*header_cache_update)(struct hh_cache *hh, struct device
*dev, unsigned char * haddr);
#define HAVE_CHANGE_MTU
int (*change_mtu)(struct device *dev, int new_mtu);
struct iw_statistics* (*get_wireless_stats)(struct device *dev);
};
2.4 常用的系统支持
2.4.1 内存申请和释放
include/linux/kernel.h里声明了kmalloc()和kfree()。用于在内核模式下申请和释放
内存。
void *kmalloc(unsigned int len,int priority);
void kfree(void *__ptr);
与用户模式下的malloc()不同，kmalloc()申请空间有大小限制。长度是2的整次方。可
以申请的最大长度也有限制。另外kmalloc()有priority参数，通常使用时可以为GFP_K
ERNEL，如果在中断里调用用GFP_ATOMIC参数，因为使用GFP_KERNEL 则调用者可能进入
sleep状态，在处理中断时是不允许的。
kfree()释放的内存必须是kmalloc()申请的。如果知道内存的大小，也可以用kfree_s(
)释放。
2.4.2 request_irq()、free_irq()
这是驱动程序申请中断和释放中断的调用。在include/linux/sched.h里声明。
request_irq()调用的定义：
int request_irq(unsigned int irq,
void (*handler)(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs),
unsigned long irqflags,
const char * devname,
void *dev_id);
irq是要申请的硬件中断号。在Intel平台，范围0--15。handler是向系统登记的中断处
理函数。这是一个回调函数，中断发生时，系统调用这个函数，传入的参 数包括硬件中
断号，device id，寄存器值。dev_id就是下面的request_irq时传递 给系统的参数dev
_id。irqflags是中断处理的一些属性。比较重要的有SA_INTERRUPT，
标明中断处理程序是快速处理程序(设置SA_INTERRUPT)还是慢速处理程序(不设置SA_IN
TERRUPT)。快速处理程序被调用时屏蔽所有中断。慢速处理程序不屏蔽。还有 一个SA_
SHIRQ属性，设置了以后运行多个设备共享中断。dev_id在中断共享时会用到。一般设置
为这个设备的device结构本身或者NULL。中断处理程序可以用dev_id 找到相应的控制这
个中断的设备，或者用irq2dev_map找到中断对应的设备。
void free_irq(unsigned int irq,void *dev_id);
2.4.3 时钟
时钟的处理类似中断，也是登记一个时间处理函数，在预定的时间过后，系统会调用这
个函数。在include/linux/timer.h里声明。
struct timer_list {
struct timer_list *next;
struct timer_list *prev;
unsigned long expires;
unsigned long data;
void (*function)(unsigned long);
};
void add_timer(struct timer_list * timer);
int del_timer(struct timer_list * timer);
void init_timer(struct timer_list * timer);
使用时钟，先声明一个timer_list结构，调用init_timer对它进行初始化。
time_list结构里expires是标明这个时钟的周期，单位采用jiffies的单位。
jiffies是Linux一个全局变量，代表时间。它的单位随硬件平台的不同而不同。
系统里定义了一个常数HZ，代表每秒种最小时间间隔的数目。这样jiffies的单位就是1
/HZ。Intel平台jiffies的单位是1/100秒，这就是系统所能分辨的最小时间间隔了。所
以expires/HZ就是以秒为单位的这个时钟的周期。
function就是时间到了以后的回调函数，它的参数就是timer_list中的data。data这个
参数在初始化时钟的时候赋值，一般赋给它设备的device结构指针。
在预置时间到系统调用function，同时系统把这个time_list从定时队列里清除。所以如
果需要一直使用定时函数，要在function里再次调用add_timer()把这个timer_list加进
定时队列。
2.4.4 I/O
I/O端口的存取使用：
inline unsigned int inb(unsigned short port);
inline unsigned int inb_p(unsigned short port);
inline void outb(char value, unsigned short port);
inline void outb_p(char value, unsigned short port);
在include/adm/io.h里定义。
inb_p()、outb_p()与inb()、outb_p()的不同在于前者在存取I/O时有等待(pause)一适
应慢速的I/O设备。
为了防止存取I/O时发生冲突，Linux提供对端口使用情况的控制。在使用端口之前，可
以检查需要的I/O是否正在被使用，如果没有，则把端口标记为正在使用，使用完后再释
放。系统提供以下几个函数做这些工作。
int check_region(unsigned int from, unsigned int extent);
void request_region(unsigned int from, unsigned int extent,const char *name)
;
void release_region(unsigned int from, unsigned int extent);
其中的参数from表示用到的I/O端口的起始地址，extent标明从from开始的端口数目。n
ame为设备名称。
2.4.5 中断打开关闭
系统提供给驱动程序开放和关闭响应中断的能力。是在include/asm/system.h中的两个
定义。
#define cli() __asm__ __volatile__ ("cli"::)
#define sti() __asm__ __volatile__ ("sti"::)
2.4.6 打印信息
类似普通程序里的printf()，驱动程序要输出信息使用printk()。在include/linux/ke
rnel.h里声明。
int printk(const char* fmt, ...);
其中fmt是格式化字符串。...是参数。都是和printf()格式一样的。
2.4.7 注册驱动程序
如果使用模块(module)方式加载驱动程序，需要在模块初始化时把设备注册 到系统设备
表里去。不再使用时，把设备从系统中卸除。定义在drivers/net/net_init.h里的两个
函数完成这个工作。
int register_netdev(struct device *dev);
void unregister_netdev(struct device *dev);
dev就是要注册进系统的设备结构指针。在register_netdev()时，dev结构一般填写前面
11项，即到init，后面的暂时可以不用初始化。最重要的是name指针和init方法。name
指针空(NULL)或者内容为或者name[0]为空格(space)，则系统把你的设备做为以太网设
备处理。以太网设备有统一的命名格式，ethX。对以太网这么特别对待大概和Linux的历
史有关。
init方法一定要提供，register_netdev()会调用这个方法让你对硬件检测和设置。
register_netdev()返回0表示成功，非0不成功。
2.4.8 sk_buff
Linux网络各层之间的数据传送都是通过sk_buff。sk_buff提供一套管理缓冲区的方法，
是Linux系统网络高效运行的关键。每个sk_buff包括一些控制方法和一块数据缓冲区。
控制方法按功能分为两种类型。一种是控制整个buffer链的方法，
另一种是控制数据缓冲区的方法。sk_buff组织成双向链表的形式，根据网络应用的特点
，对链表的操作主要是删除链表头的元素和添加到链表尾。sk_buff的控制
方法都很短小以尽量减少系统负荷。(translated from article written by Alan Cox
)
常用的方法包括：
.alloc_skb() 申请一个sk_buff并对它初始化。返回就是申请到的sk_buff。
.dev_alloc_skb()类似alloc_skb，在申请好缓冲区后，保留16字节的帧头空间。主要用
在Ethernet驱动程序。
.kfree_skb() 释放一个sk_buff。
.skb_clone() 复制一个sk_buff，但不复制数据部分。
.skb_copy()完全复制一个sk_buff。
.skb_dequeue() 从一个sk_buff链表里取出第一个元素。返回取出的sk_buff，如果链表
空则返回NULL。这是常用的一个操作。
.skb_queue_head() 在一个sk_buff链表头放入一个元素。
.skb_queue_tail() 在一个sk_buff链表尾放入一个元素。这也是常用的一个操作。网络
数据的处理主要是对一个先进先出队列的管理，skb_queue_tail()
和skb_dequeue()完成这个工作。
.skb_insert() 在链表的某个元素前插入一个元素。
.skb_append() 在链表的某个元素后插入一个元素。一些协议(如TCP)对没按顺序到达的
数据进行重组时用到skb_insert()和skb_append()。
.skb_reserve() 在一个申请好的sk_buff的缓冲区里保留一块空间。这个空间一般是用
做下一层协议的头空间的。
.skb_put() 在一个申请好的sk_buff的缓冲区里为数据保留一块空间。在
alloc_skb以后，申请到的sk_buff的缓冲区都是处于空(free)状态，有一个tail指针指
向free空间，实际上开始时tail就指向缓冲区头。skb_reserve()
在free空间里申请协议头空间，skb_put()申请数据空间。见下面的图。
.skb_push() 把sk_buff缓冲区里数据空间往前移。即把Head room中的空间移一部分到
Data area。
.skb_pull() 把sk_buff缓冲区里Data area中的空间移一部分到Head room中。
--------------------------------------------------
| Tail room(free) |
--------------------------------------------------
After alloc_skb()
--------------------------------------------------
| Head room | Tail room(free) |
--------------------------------------------------
After skb_reserve()
--------------------------------------------------
| Head room | Data area | Tail room(free) |
--------------------------------------------------
After skb_put()
--------------------------------------------------
|Head| skb_ | Data | Tail room(free) |
|room| push | | |
| | Data area | |
--------------------------------------------------
After skb_push()
--------------------------------------------------
| Head | skb_ | Data area | Tail room(free) |
| | pull | | |
| Head room | | |
--------------------------------------------------
After skb_pull()