Linux驱动修炼之道-DM9000A网卡驱动框架源码分析

首先分析一下Linux网络设备的结构，如下图：

1. 网络协议接口层向网络层协议提供提供统一的数据包收发接口，不论上层协议为ARP还是IP，都通过dev_queue_xmit()函数发送数据，并通过netif_rx()函数接受数据。这一层的存在使得上层协议独立于具体的设备。
2. 网络设备接口层向协议接口层提供统一的用于描述具体网络设备属性和操作的结构体net_device，该结构体是设备驱动功能层中各函数的容器。实际上，网络设备接口层从宏观上规划了具体操作硬件的设备驱动功能层的结构。
3. 设备驱动功能层各函数是网络设备接口层net_device数据结构的具体成员，是驱使网络设备硬件完成相应动作的程序，他通过hard_start_xmit()函数启动发送操作，并通过网络设备上的中断触发接受操作。
4. 网络设备与媒介层是完成数据包发送和接受的物理实体，包括网络适配器和具体的传输媒介，网络适配器被驱动功能层中的函数物理上驱动。对于Linux系统而言，网络设备和媒介都可以是虚拟的。

网络协议接口层：

这里主要进行数据包的收发，使用函数原型为：

这里使用了一个skb_buff结构体，定义于include/linux/skbuff.h中，它的含义为“套接字缓冲区”，用于在Linux网络子系统各层间传输数据。他是一个双向链表，在老的内核中会有一个list域指向sk_buff_head也就是链表头，但是在我研究的linux2.6.30.4内核中已经不存在了，如下图：

操作套接字缓冲区的函数：

1.分配

分配一个缓冲区。alloc_skb函数分配一个缓冲区并初始化skb->data和skb->tail为skb->head。参数len为数据缓冲区的空间大小，通常以L1_CACHE_BYTES字节(对ARM为32)对齐，参数priority为内存分配的优先级。dev_alloc_skb()函数以GFP_ATOMIC优先级进行skb的分配。

2.释放

Linux内核内部使用kfree_skb()函数，而网络设备驱动程序中则最好使用dev_kfree_skb()。

sk_buff中比较重要的成员是指向数据包中数据的指针，如下图所示：

用于寻址数据包中数据的指针，head指向已分配空间开头，data指向有效的octet开头，tail指向有效的octet结尾，而end指向tail可以到达的最大地址。如果不这样做而分配一个大小固定的缓冲区，如果buffer不够用，则要申请一个更大的buffer，拷贝进去再增加，这样降低了性能。

3.变更 

下图分别对应了这四个函数，看了这张图应该对这4个函数的作用了然于胸。

网络设备接口层：

网络设备接口层的主要功能是为千变万化的网络设备定义了统一，抽象的数据结构net_device结构体，以不变应万变，实现多种硬件在软件层次上的统一。

首先看打开和关闭网络设备的函数：

要注意的是ifconfig是interface config的缩写，通常我们在用户空间输入:

会调用这里的open函数。

在用户空间输入：

会调用这里的stop函数。

在使用ifconfig向接口赋予地址时，要执行两个任务。首先，它通过ioctl(SIOCSIFADDR)(Socket I/O Control Set Interface Address)赋予地址，然后通过ioctl(SIOCSIFFLAGS)(Socket I/O Control Set Interface Flags)设置dev->flag中的IFF_UP标志以打开接口。这个调用会使得设备的open方法得到调用。类似的，在接口关闭时，ifconfig使用ioctl(SIOCSIFFLAGS)来清理IFF_UP标志，然后调用stop函数。

该方法根据先前检索到的源和目的硬件地址建立硬件头。

以太网的mac地址是固定的，为了高效，第一个包去询问mac地址，得到对应的mac地址后就会作为cache把mac地址保存起来。以后每次发包不用询问了，直接把包的地址拷贝出来。

如果数据包发送在超时时间内失败，这时该方法被调用，这个方法应该解决失败的问题，并重新开始发送数据。

当应用程序需要获得接口的统计信息时，这个方法被调用。

改变接口的配置，比如改变I/O端口和中断号等，现在的驱动程序通常无需该方法。

用来实现自定义的ioctl命令，如果不需要可以为NULL。

当设备的组播列表改变或设备标志改变时，该方法被调用。

如果接口支持mac地址改变，则可以实现该函数。

设备驱动接口层：

net_device结构体的成员(属性和函数指针)需要被设备驱动功能层的具体数值和函数赋予。对具体的设置xxx，工程师应该编写设备驱动功能层的函数，这些函数型如xxx_open(),xxx_stop(),xxx_tx(),xxx_hard_header(),xxx_get_stats(),xxx_tx_timeout()等。

网络设备与媒介层：

网络设备与媒介层直接对应于实际的硬件设备。