嵌入式Linux網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)設計

引言

隨著(zhù)人們對開(kāi)放源代碼軟件熱情的日益增高，Linux作為一個(gè)功能強大而穩定的開(kāi)源操作系統，越來(lái)越受到成千上萬(wàn)的計算機專(zhuān)家和愛(ài)好者的青睞。在嵌入式領(lǐng)域，通過(guò)對Linux進(jìn)行小型化裁剪后，使其能夠固化在容量只有幾十兆字節的存儲器芯片或單片機中，成為應用于特定場(chǎng)合的嵌入式Linux系統。Linux強大的網(wǎng)絡(luò )支持功能實(shí)現了對包括TCP/IP在內的多種協(xié)議的支持，滿(mǎn)足了面向21世紀的嵌入式系統應用聯(lián)網(wǎng)的需求。因此，在嵌入式系統開(kāi)發(fā)調試時(shí)，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 )驅動(dòng)程序介紹

Linux網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序作為L(cháng)inux網(wǎng)絡(luò )子系統的一部分，位于TCP/IP網(wǎng)絡(luò )體系結構的網(wǎng)絡(luò )接口層，主要實(shí)現上層協(xié)議棧與網(wǎng)絡(luò )設備的數據交換。Linux的網(wǎng)絡(luò )系統主要是基于BSD Unix的套接字（socket）機制，網(wǎng)絡(luò )設備與字符設備和塊設備不同，沒(méi)有對應地映射到文件系統中的設備節點(diǎn)。

通常，Linux驅動(dòng)程序有兩種加載方式：一種是靜態(tài)地編譯進(jìn)內核，內核啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)加載；另一種是編寫(xiě)為內核模塊,使用insmod命令將模塊動(dòng)態(tài)加載到正在運行的內核，不需要時(shí)可用rmmod命令將模塊卸載。Linux 2.6內核引入了kbuild機制，將外部?jì)群四K的編譯同內核源碼樹(shù)的編譯統一起來(lái)，大大簡(jiǎn)化了特定的參數和宏的設置。這樣將編寫(xiě)好的驅動(dòng)模塊加入內核源碼樹(shù)，只需要修改相應目錄的KcONfig文件，把新的驅動(dòng)加入內核的配置菜單，然后需要修改相應子目錄中與模塊編譯相關(guān)的Kbuild Makefile,即可使新的驅動(dòng)在內核源碼樹(shù)中被編譯。在嵌入式系統驅動(dòng)開(kāi)發(fā)時(shí)，常常將驅動(dòng)程序編寫(xiě)為內核模塊，方便開(kāi)發(fā)調試。調試完畢后，就可以將驅動(dòng)模塊編譯進(jìn)內核，并重新編譯出支持特定物理設備的Linux內核。

2 嵌入式Linux網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序的體系結構和實(shí)現原理

2.1 Linux網(wǎng)絡(luò )設備驅動(dòng)的體系結構

如圖1所示，Linux網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序的體系結構可劃分為4個(gè)層次。Linux內核源代碼中提供了網(wǎng)絡(luò )設備接口及以上層次的代碼，因此移植特定網(wǎng)絡(luò )硬件的驅動(dòng)程序的主要工作就是完成設備驅動(dòng)功能層的相應代碼，根據底層具體的硬件特性，定義網(wǎng)絡(luò )設備接口STruct net_Device類(lèi)型的結構體變量，并實(shí)現其中相應的操作函數及中斷處理程序。

Linux中所有的網(wǎng)絡(luò )設備都抽象為一個(gè)統一的接口，即網(wǎng)絡(luò )設備接口，通過(guò)struct net_device類(lèi)型的結構體變量表示網(wǎng)絡(luò )設備在內核中的運行情況，這里既包括回環(huán)（loopback）設備，也包括硬件網(wǎng)絡(luò )設備接口。內核通過(guò)以dev_base為頭指針的設備鏈表來(lái)管理所有的網(wǎng)絡(luò )設備。

2.2 net_device 數據結構

struct net_device結構體是整個(gè)網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)結構的核心，其中定義了很多供網(wǎng)絡(luò )協(xié)議接口層調用設備的標準方法，該結構在2.6內核源碼樹(shù)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 )設備名稱(chēng)，默認是以太網(wǎng)；

　　*next:指向全局鏈表下一個(gè)設備的指針，驅動(dòng)程序中不修改；

　　mem_,rmem_:發(fā)送和接收緩沖區的起始，結束位置；

　　base_addr,IRq:網(wǎng)絡(luò )設備的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(cháng)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(cháng)度及設備硬件地址，以太網(wǎng)地址長(cháng)度是48bit，ether_setup會(huì )對其進(jìn)行正確的設置；

2.2.2 主要的操作方法

　　int (*init)(struct net_device *dev); 設備初始化和向系統注冊的函數，僅調用一次；

　　int (*open)(struct net_device *dev);設備打開(kāi)接口函數，當用ifconfig激活網(wǎng)絡(luò )設備時(shí)被調用，注冊所用的系統資源（I/O端口，IRQ，DMA等）同時(shí)激活硬件并增加使用計數；

　　int (*stop)(struct net_device *dev);執行open方法的反操作；

　　*hard_start_xmit；初始化數據包傳輸的函數；

　　*hard_header;該函數（在hard_start_xmit前被調用）根據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(lèi)型接口的默認函數；

2.3網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序的編寫(xiě)及實(shí)現原理

Linux網(wǎng)絡(luò )系統各個(gè)層次之間的數據傳送都是通過(guò)套接字緩沖區sk_buff完成的，sk_buff數據結構是各層協(xié)議數據處理的對象。sk_buff是驅動(dòng)程序與網(wǎng)絡(luò )之間交換數據的媒介，驅動(dòng)程序向網(wǎng)絡(luò )發(fā)送數據時(shí)，必須從其中獲取數據源和數據長(cháng)度；驅動(dòng)程序從網(wǎng)絡(luò )上接收到數據后也要將數據保存到sk_buff中才能交給上層協(xié)議處理。

對于實(shí)際開(kāi)發(fā)以太網(wǎng)驅動(dòng)程序，可以參照內核源碼樹(shù)中的相應模板程序，重點(diǎn)理解網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)的實(shí)現原理和程序的結構框架，然后針對開(kāi)發(fā)的特定硬件改寫(xiě)代碼，實(shí)現相應的操作函數。下面結合作者利用Linux2.6.18內核在深圳優(yōu)龍公司的FS2410開(kāi)發(fā)板（SAMSUNG S3C2410處理器）上移植編寫(xiě)嵌入式CS8900A網(wǎng)卡驅動(dòng)程序的實(shí)例，說(shuō)明網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序的實(shí)現原理。

2.3.1網(wǎng)絡(luò )設備初始化

網(wǎng)絡(luò )設備的初始化是由net_device結構中的init函數實(shí)現的，內核加載網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)模塊后，就會(huì )調用初始化過(guò)程。實(shí)例中初始化函數_init Cs8900_probe中主要完成的工作：

　　a.調用內核中通用的設置以太網(wǎng)接口的函數ether_setup();

　　b.填充net_device結構體變量dev中其它大部分成員；

　　c.調用check_mem_region()檢測I/O地址空間，然后調用request_mem_region()申請以dev->base_addr為起始地址的16個(gè)連續的 I/O地址空間；

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

　　e.設置CS8900A的INTRQ0作為中斷信號輸出引腳；

　　f.將MAC地址寫(xiě)入CS8900A的IA寄存器中；

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

2.3.2打開(kāi)(或關(guān)閉)網(wǎng)絡(luò )設備

系統響應ifconfig命令時(shí)，打開(kāi)(關(guān)閉)一個(gè)網(wǎng)絡(luò )接口。ifconfig命令開(kāi)始會(huì )調用ioctl(SIOCSIFADDR)來(lái)將地址賦予接口。響應SIOCSIFADDR由內核來(lái)完成，與設備無(wú)關(guān)。接著(zhù)，ifconfig命令會(huì )調用ioctl(SIOCSIFFLAGS)設置dev->flag的IFF_UP位來(lái)打開(kāi)設備，這個(gè)調用會(huì )使設備的open方法得到調用。（當ifconfig調用ioctl(SIOCSIFFLAGS)清除dev->flag的IFF_UP位時(shí)，設備的stop方法將被調用）

實(shí)例中利用cs8900_start()函數打開(kāi)網(wǎng)絡(luò )設備，主要完成的工作：

　　a.通過(guò)set_irq_type()向內核注冊網(wǎng)絡(luò )設備的中斷處理程序；

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

　　c.通過(guò)內核中netif_start_queue()函數開(kāi)啟網(wǎng)絡(luò )接口的數據傳輸隊列；

2.3.3網(wǎng)絡(luò )數據包的發(fā)送

數據包的發(fā)送和接收是網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序中實(shí)現的兩個(gè)最重要的任務(wù)。當網(wǎng)絡(luò )設備被激活時(shí)，net_device結構中的open方法被調用，它負責打開(kāi)設備并調用net_device結構中的hard_header函數指針建立硬件幀頭信息。最后通過(guò)函數dev_queue_xmit()來(lái)調用net_device結構中的hard_start_xmit方法把存放在sk_buff中的數據發(fā)送到網(wǎng)絡(luò )物理設備。如果發(fā)送成功，則在hard_start_xmit中釋放sk_buff并返回0；如果硬件設備忙暫時(shí)無(wú)法處理，則返回1。網(wǎng)絡(luò )硬件在發(fā)送完數據包后會(huì )產(chǎn)生中斷，把dev->tbusy置0，通知系統可以再次發(fā)送。

實(shí)例中，hard_start_xmit方法即為網(wǎng)絡(luò )設備數據發(fā)送函數cs8900_send_start()，該函數實(shí)現把數據發(fā)送到以太網(wǎng)上，由網(wǎng)絡(luò )協(xié)議接口層函數dev_queue_xmit()對其調用。

　　cs8900_send_start()中主要完成的工作：

　　a.發(fā)送數據前關(guān)閉中斷,中止網(wǎng)絡(luò )設備的數據傳輸隊列；

　　b.向CS8900A寄存器TxCMD中寫(xiě)入傳送數據命令控制字，向寄存器TxLength中寫(xiě)入待發(fā)送數據幀長(cháng)度；

　　c.通過(guò)cs8900_read()反復讀取CS8900A總線(xiàn)狀態(tài)寄存器BusST信息,直到其已經(jīng)準備好接收來(lái)自主機的數據；

　　d.調用cs8900_frAME_write()將待發(fā)數據送入CS8900A的sk_buff中，硬件設備會(huì )將數據幀發(fā)送到以太網(wǎng)上；

　　e.記錄數據幀的發(fā)送時(shí)刻,打開(kāi)中斷,釋放sk_buff緩存,函數返回0；

2.3.4網(wǎng)絡(luò )數據包的接收和中斷處理

網(wǎng)絡(luò )設備是異步地接收外來(lái)的數據包并且主動(dòng)的“請求”將硬件獲得的數據包壓入內核。網(wǎng)絡(luò )設備接收數據包是通過(guò)中斷實(shí)現的。對于網(wǎng)絡(luò )接口，接收到新數據包，發(fā)送完成或者報告錯誤信息及連接狀態(tài)等都會(huì )觸發(fā)中斷，通常中斷處理程序通過(guò)檢測硬件狀態(tài)寄存器判斷是哪種情況。

當設備收到數據后會(huì )產(chǎn)生一個(gè)中斷，由硬件通知驅動(dòng)程序有數據包到達。在中斷處理程序中驅動(dòng)程序申請一塊sk_buff(一般定義為skb)緩沖區，然后從硬件讀出數據放到申請好的緩沖區里，接下來(lái)填充sk_buff中的部分信息：包括接收到數據的設備結構體指針填入skb->dev；收到數據幀的類(lèi)型填入skb->protocol；把指針skb->mac.raw指向硬件數據并丟棄硬件針頭(skb_pull)；設置skb->pkt_type，標明鏈路層數據類(lèi)型。最后調用協(xié)議接口層函數netif_rx() 把接收到的數據包傳輸到網(wǎng)絡(luò )上層協(xié)議處理。這里，netif_rx()只是負責把數據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(shí)間。幾乎每個(gè)中斷處理程序的編寫(xiě)都要涉及底半部機制，這樣可以保證中斷的高效處理。

實(shí)例中數據接收函數cs8900_receive()由網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)的中斷處理函數調用，主要完成如下工作：

　　a.通過(guò)從I/O口讀取RxStatus和RxLength的值，確定接收數據幀的狀態(tài)信息和長(cháng)度；

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

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

　　e.通過(guò)調用netif_rx()函數將接收到的數據送往上層協(xié)議棧進(jìn)行處理；

　　f.記錄接收數據的時(shí)間并更新統計信息；

3 將設備驅動(dòng)模塊編譯進(jìn)內核

設計好模塊化的網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序后，我們就可以編譯這個(gè)內核模塊，并將這個(gè)自定義的內核模塊作為L(cháng)inux系統源碼的一部分編譯出新的系統。下面介紹的內容均在Linux2.6.18內核上編譯通過(guò)，可以在2.6.x版本內核中通用。如前所述，由于Linux2.6內核引入了kbuild的新機制，使得編譯新的內核模塊或者將自己編寫(xiě)的內核模塊集成到內核源碼中都變得非常簡(jiǎn)單了。

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

下面以作者開(kāi)發(fā)的CS8900A網(wǎng)卡驅動(dòng)為實(shí)例，介紹如何將網(wǎng)絡(luò )設備驅動(dòng)模塊編譯進(jìn)內核。

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

　　b.將編寫(xiě)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(xiě)Makefile文件：

　?。akefile for CS8900A Network Driver

　　obj -$(CONFIG_DRIVER_CS8900A) +=cs8900.o

　　d.在drivers/Cs8900目錄下，編寫(xiě)Kconfig文件:

　?。ust 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(yǔ)句前，加入一行：

　　source drivers/Cs8900/Kconfig

這樣在內核源碼樹(shù)的主目錄下，通過(guò)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(*)一編譯為新系統一部分。

重新編譯內核即可得到支持CS8900A網(wǎng)卡的內核，然后將內核下載到FS2410的開(kāi)發(fā)板上，通過(guò)配置網(wǎng)絡(luò )參數，就可以測試網(wǎng)卡驅動(dòng)程序的行為了。

4 結束語(yǔ)

在這個(gè)信息爆炸的時(shí)代，人們對于網(wǎng)絡(luò )的需求愈發(fā)強烈，越來(lái)越多的嵌入式設備都需要具有以太網(wǎng)的接入功能，因此開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序對于很多嵌入式產(chǎn)品的研發(fā)至關(guān)重要。具體開(kāi)發(fā)嵌入式Linux網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序時(shí)，可以參照內核中已經(jīng)支持的網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)源代碼，在重點(diǎn)理解Linux網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)實(shí)現原理的基礎上，按照模塊設計較為固定的開(kāi)發(fā)模式，結合具體物理設備的硬件手冊，移植編寫(xiě)需要的模塊化的網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序。