嵌入式Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序的開發(fā)及實現(xiàn)原理

0 引言

隨著人們對開放源代碼軟件熱情的日益增高，Linux作為一個功能強大而穩(wěn)定的開源操作系統(tǒng)，越來越受到成千上萬的計算機專家和愛好者的青睞。在嵌入式領(lǐng)域，通過對Linux進行小型化裁剪后，使其能夠固化在容量只有幾十兆字節(jié)的存儲器芯片或單片機中，成為應(yīng)用于特定場合的嵌入式Linux系統(tǒng)。Linux強大的網(wǎng)絡(luò)支持功能實現(xiàn)了對包括TCP/IP在內(nèi)的多種協(xié)議的支持，滿足了面向21世紀的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用聯(lián)網(wǎng)的需求。因此，在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試時，網(wǎng)絡(luò)接口幾乎成為不可或缺的模塊。

1 嵌入式Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序介紹

Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序作為Linux網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的一部分，位于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)接口層，主要實現(xiàn)上層協(xié)議棧與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。Linux的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要是基于BSD Unix的套接字(socket)機制，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與字符設(shè)備和塊設(shè)備不同，沒有對應(yīng)地映射到文件系統(tǒng)中的設(shè)備節(jié)點。

通常，Linux驅(qū)動程序有兩種加載方式：一種是靜態(tài)地編譯進內(nèi)核，內(nèi)核啟動時自動加載;另一種是編寫為內(nèi)核模塊,使用insmod命令將模塊動態(tài)加載到正在運行的內(nèi)核，不需要時可用rmmod命令將模塊卸載。Linux 2.6內(nèi)核引入了kbuild機制，將外部內(nèi)核模塊的編譯同內(nèi)核源碼樹的編譯統(tǒng)一起來，大大簡化了特定的參數(shù)和宏的設(shè)置。這樣將編寫好的驅(qū)動模塊加入內(nèi)核源碼樹，只需要修改相應(yīng)目錄的Kconfig文件，把新的驅(qū)動加入內(nèi)核的配置菜單，然后需要修改相應(yīng)子目錄中與模塊編譯相關(guān)的Kbuild Makefile,即可使新的驅(qū)動在內(nèi)核源碼樹中被編譯。在嵌入式系統(tǒng)驅(qū)動開發(fā)時，常常將驅(qū)動程序編寫為內(nèi)核模塊，方便開發(fā)調(diào)試。調(diào)試完畢后，就可以將驅(qū)動模塊編譯進內(nèi)核，并重新編譯出支持特定物理設(shè)備的Linux內(nèi)核。

2 嵌入式Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序的體系結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)原理

2.1 Linux網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動的體系結(jié)構(gòu)

如圖1所示，Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序的體系結(jié)構(gòu)可劃分為4個層次。Linux內(nèi)核源代碼中提供了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口及以上層次的代碼，因此移植特定網(wǎng)絡(luò)硬件的驅(qū)動程序的主要工作就是完成設(shè)備驅(qū)動功能層的相應(yīng)代碼，根據(jù)底層具體的硬件特性，定義網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口struct net_device類型的結(jié)構(gòu)體變量，并實現(xiàn)其中相應(yīng)的操作函數(shù)及中斷處理程序。

Linux中所有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都抽象為一個統(tǒng)一的接口，即網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口，通過struct net_device類型的結(jié)構(gòu)體變量表示網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在內(nèi)核中的運行情況，這里既包括回環(huán)(loopback)設(shè)備，也包括硬件網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口。內(nèi)核通過以 dev_base為頭指針的設(shè)備鏈表來管理所有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

2.2 net_device 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

struct net_device結(jié)構(gòu)體是整個網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動結(jié)構(gòu)的核心，其中定義了很多供網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接口層調(diào)用設(shè)備的標準方法，該結(jié)構(gòu)在2.6內(nèi)核源碼樹文件中定義，下面只列出其中主要的成員。

2.2.1全局信息及底層硬件信息

name:網(wǎng)絡(luò)設(shè)備名稱，默認是以太網(wǎng);

*next:指向全局鏈表下一個設(shè)備的指針，驅(qū)動程序中不修改;

mem_,rmem_:發(fā)送和接收緩沖區(qū)的起始，結(jié)束位置;

base_addr,irq:網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的I/O基地址，中斷號，ifconfig命令可顯示和修改;

hard_header_len:硬件頭的長度，以太網(wǎng)中值為14;

mtu:最大傳輸單元，以太網(wǎng)中值為1500B;

dev_addr[MAX_ADDR_LEN]:硬件(MAC)地址長度及設(shè)備硬件地址，以太網(wǎng)地址長度是48bit，ether_setup會對其進行正確的設(shè)置;

2.2.2 主要的操作方法

int (*init)(struct net_device *dev); 設(shè)備初始化和向系統(tǒng)注冊的函數(shù)，僅調(diào)用一次;

int (*open)(struct net_device *dev);設(shè)備打開接口函數(shù)，當用ifconfig激活網(wǎng)絡(luò)設(shè)備時被調(diào)用，注冊所用的系統(tǒng)資源(I/O端口，IRQ，DMA等)同時激活硬件并增加使用計數(shù);

int (*stop)(struct net_device *dev);執(zhí)行open方法的反操作;

*hard_start_xmit;初始化數(shù)據(jù)包傳輸?shù)暮瘮?shù);

*hard_header;該函數(shù)(在hard_start_xmit前被調(diào)用)根據(jù)先前檢索到的源和目標硬件地址建立硬件頭。 eth_header是以太網(wǎng)類型接口的默認函數(shù);

2.3網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序的編寫及實現(xiàn)原理

Linux網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)各個層次之間的數(shù)據(jù)傳送都是通過套接字緩沖區(qū)sk_buff完成的，sk_buff數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是各層協(xié)議數(shù)據(jù)處理的對象。 sk_buff是驅(qū)動程序與網(wǎng)絡(luò)之間交換數(shù)據(jù)的媒介，驅(qū)動程序向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)時，必須從其中獲取數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)長度;驅(qū)動程序從網(wǎng)絡(luò)上接收到數(shù)據(jù)后也要將數(shù)據(jù)保存到sk_buff中才能交給上層協(xié)議處理。

對于實際開發(fā)以太網(wǎng)驅(qū)動程序，可以參照內(nèi)核源碼樹中的相應(yīng)模板程序，重點理解網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動的實現(xiàn)原理和程序的結(jié)構(gòu)框架，然后針對開發(fā)的特定硬件改寫代碼，實現(xiàn)相應(yīng)的操作函數(shù)。下面結(jié)合作者利用Linux2.6.18內(nèi)核在深圳優(yōu)龍公司的FS2410開發(fā)板(SAMSUNG S3C2410處理器)上移植編寫嵌入式CS8900A網(wǎng)卡驅(qū)動程序的實例，說明網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序的實現(xiàn)原理。

2.3.1網(wǎng)絡(luò)設(shè)備初始化

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的初始化是由net_device結(jié)構(gòu)中的init函數(shù)實現(xiàn)的，內(nèi)核加載網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動模塊后，就會調(diào)用初始化過程。實例中初始化函數(shù)_init cs8900_probe中主要完成的工作：

a.調(diào)用內(nèi)核中通用的設(shè)置以太網(wǎng)接口的函數(shù)ether_setup();

b.填充net_device結(jié)構(gòu)體變量dev中其它大部分成員;

c.調(diào)用check_mem_region()檢測I/O地址空間，然后調(diào)用request_mem_region()申請以dev->base_addr為起始地址的16個連續(xù)的 I/O地址空間;

d.通過cs8900_read()探測網(wǎng)卡CS8900A,讀取ID信息;

e.設(shè)置CS8900A的INTRQ0作為中斷信號輸出引腳;

f.將MAC地址寫入CS8900A的IA寄存器中;

g.通過register_netdev()將CS8900A注冊到Linux全局網(wǎng)絡(luò)設(shè)備鏈表中;

2.3.2打開(或關(guān)閉)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

系統(tǒng)響應(yīng)ifconfig命令時，打開(關(guān)閉)一個網(wǎng)絡(luò)接口。ifconfig命令開始會調(diào)用ioctl(SIOCSIFADDR)來將地址賦予接口。響應(yīng)SIOCSIFADDR由內(nèi)核來完成，與設(shè)備無關(guān)。接著，ifconfig命令會調(diào)用ioctl(SIOCSIFFLAGS)設(shè)置 dev->flag的IFF_UP位來打開設(shè)備，這個調(diào)用會使設(shè)備的open方法得到調(diào)用。(當ifconfig調(diào)用 ioctl(SIOCSIFFLAGS)清除dev->flag的IFF_UP位時，設(shè)備的stop方法將被調(diào)用)

實例中利用cs8900_start()函數(shù)打開網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，主要完成的工作：

a.通過set_irq_type()向內(nèi)核注冊網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的中斷處理程序;

b.通過cs8900_set()設(shè)置CS8900A網(wǎng)卡中各控制寄存器和配置寄存器;

c.通過內(nèi)核中netif_start_queue()函數(shù)開啟網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)據(jù)傳輸隊列;

2.3.3網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的發(fā)送

數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收是網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序中實現(xiàn)的兩個最重要的任務(wù)。當網(wǎng)絡(luò)設(shè)備被激活時，net_device結(jié)構(gòu)中的open方法被調(diào)用，它負責(zé)打開設(shè)備并調(diào)用net_device結(jié)構(gòu)中的hard_header函數(shù)指針建立硬件幀頭信息。最后通過函數(shù)dev_queue_xmit()來調(diào)用 net_device結(jié)構(gòu)中的hard_start_xmit方法把存放在sk_buff中的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)物理設(shè)備。如果發(fā)送成功，則在 hard_start_xmit中釋放sk_buff并返回0;如果硬件設(shè)備忙暫時無法處理，則返回1。網(wǎng)絡(luò)硬件在發(fā)送完數(shù)據(jù)包后會產(chǎn)生中斷，把 dev->tbusy置0，通知系統(tǒng)可以再次發(fā)送。

實例中，hard_start_xmit方法即為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)cs8900_send_start()，該函數(shù)實現(xiàn)把數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)上，由網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接口層函數(shù)dev_queue_xmit()對其調(diào)用。cs8900_send_start()中主要完成的工作：

a.發(fā)送數(shù)據(jù)前關(guān)閉中斷,中止網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸隊列;

b.向CS8900A寄存器TxCMD中寫入傳送數(shù)據(jù)命令控制字，向寄存器TxLength中寫入待發(fā)送數(shù)據(jù)幀長度;

c.通過cs8900_read()反復(fù)讀取CS8900A總線狀態(tài)寄存器BusST信息,直到其已經(jīng)準備好接收來自主機的數(shù)據(jù);

d.調(diào)用cs8900_frame_write()將待發(fā)數(shù)據(jù)送入CS8900A的sk_buff中，硬件設(shè)備會將數(shù)據(jù)幀發(fā)送到以太網(wǎng)上;

e.記錄數(shù)據(jù)幀的發(fā)送時刻,打開中斷,釋放sk_buff緩存,函數(shù)返回0;

2.3.4網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的接收和中斷處理

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是異步地接收外來的數(shù)據(jù)包并且主動的“請求”將硬件獲得的數(shù)據(jù)包壓入內(nèi)核。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接收數(shù)據(jù)包是通過中斷實現(xiàn)的。對于網(wǎng)絡(luò)接口，接收到新數(shù)據(jù)包，發(fā)送完成或者報告錯誤信息及連接狀態(tài)等都會觸發(fā)中斷，通常中斷處理程序通過檢測硬件狀態(tài)寄存器判斷是哪種情況。

當設(shè)備收到數(shù)據(jù)后會產(chǎn)生一個中斷，由硬件通知驅(qū)動程序有數(shù)據(jù)包到達。在中斷處理程序中驅(qū)動程序申請一塊sk_buff(一般定義為skb)緩沖區(qū)，然后從硬件讀出數(shù)據(jù)放到申請好的緩沖區(qū)里，接下來填充sk_buff中的部分信息：包括接收到數(shù)據(jù)的設(shè)備結(jié)構(gòu)體指針填入skb->dev;收到數(shù)據(jù)幀的類型填入skb->protocol;把指針skb->mac.raw指向硬件數(shù)據(jù)并丟棄硬件針頭(skb_pull);設(shè)置 skb->pkt_type，標明鏈路層數(shù)據(jù)類型。最后調(diào)用協(xié)議接口層函數(shù)netif_rx() 把接收到的數(shù)據(jù)包傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)上層協(xié)議處理。這里，netif_rx()只是負責(zé)把數(shù)據(jù)放入工作隊列就返回，真正的處理是在中斷返回以后，這樣可減少中斷處理的時間。幾乎每個中斷處理程序的編寫都要涉及底半部機制，這樣可以保證中斷的高效處理。

實例中數(shù)據(jù)接收函數(shù)cs8900_receive()由網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動的中斷處理函數(shù)調(diào)用，主要完成如下工作：

a.通過從I/O口讀取RxStatus和RxLength的值，確定接收數(shù)據(jù)幀的狀態(tài)信息和長度;

b.判斷接收數(shù)據(jù)幀的狀態(tài)是否正常，若異常則記錄相關(guān)錯誤信息，然后函數(shù)返回;

c.正常情況下，在內(nèi)存中申請一塊sk_buff緩存，并將數(shù)據(jù)從CS8900A的片內(nèi)存儲器傳送到sk_buff緩存中;d.從數(shù)據(jù)幀中獲取協(xié)議頭并賦給skb->protocol;

e.通過調(diào)用netif_rx()函數(shù)將接收到的數(shù)據(jù)送往上層協(xié)議棧進行處理;

f.記錄接收數(shù)據(jù)的時間并更新統(tǒng)計信息;

3將設(shè)備驅(qū)動模塊編譯進內(nèi)核

設(shè)計好模塊化的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序后，我們就可以編譯這個內(nèi)核模塊，并將這個自定義的內(nèi)核模塊作為Linux系統(tǒng)源碼的一部分編譯出新的系統(tǒng)。下面介紹的內(nèi)容均在Linux2.6.18內(nèi)核上編譯通過，可以在2.6.x版本內(nèi)核中通用。如前所述，由于Linux2.6內(nèi)核引入了kbuild的新機制，使得編譯新的內(nèi)核模塊或者將自己編寫的內(nèi)核模塊集成到內(nèi)核源碼中都變得非常簡單了。

Linux2.6內(nèi)核中，編譯內(nèi)核模塊首先要在/usr/src下正確配置和構(gòu)造內(nèi)核源碼樹，即把需要版本的內(nèi)核源碼解壓在/usr/src /，并在內(nèi)核源碼的主目錄下(這里為/usr/src/linux-2.6.18.3)，使用make menuconfig或者make gconfig命令配置內(nèi)核，然后使用make all完整編譯內(nèi)核。

下面以作者開發(fā)的CS8900A網(wǎng)卡驅(qū)動為實例，介紹如何將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動模塊編譯進內(nèi)核。

a.在系統(tǒng)源碼樹drivers目錄下創(chuàng)建新目錄Cs8900;

b.將編寫好的文件cs8900.c和cs8900.h拷貝到drivers/Cs8900目錄下;

c.在drivers/Cs8900目錄下，編寫Makefile文件：

#Makefile for CS8900A Network Driver

obj -$(CONFIG_DRIVER_CS8900A) +=cs8900.o

d.在drivers/Cs8900目錄下，編寫Kconfig文件:

#Just for CS8900A Network InteRFace

menu "CS8900A Network Interface support"

config DRIVER_CS8900A

tristate "CS8900A support"

--------help--------

This is a network driver module for CS8900A.

endmenu

e.在driver目錄下的Kconfig文件endmenu語句前，加入一行：

source "drivers/Cs8900/Kconfig"

這樣在內(nèi)核源碼樹的主目錄下，通過make menuconfig或者make gconfig命令就可以在Device Drivers選項的下面找到CS8900A Network Interface support選項，并找到CS8900A support的選擇菜單，它有三種狀態(tài)：未選中(不編譯)、選中(M)一編譯為模塊、選中(*)一編譯為新系統(tǒng)一部分。

重新編譯內(nèi)核即可得到支持CS8900A網(wǎng)卡的內(nèi)核，然后將內(nèi)核下載到FS2410的開發(fā)板上，通過配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，就可以測試網(wǎng)卡驅(qū)動程序的行為了。

4 結(jié)束語

在這個信息爆炸的時代，人們對于網(wǎng)絡(luò)的需求愈發(fā)強烈，越來越多的嵌入式設(shè)備都需要具有以太網(wǎng)的接入功能，因此開發(fā)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序?qū)τ诤芏嗲度胧疆a(chǎn)品的研發(fā)至關(guān)重要。具體開發(fā)嵌入式Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序時，可以參照內(nèi)核中已經(jīng)支持的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動源代碼，在重點理解Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動實現(xiàn)原理的基礎(chǔ)上，按照模塊設(shè)計較為固定的開發(fā)模式，結(jié)合具體物理設(shè)備的硬件手冊，移植編寫需要的模塊化的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序。