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linux网卡驱动的加载流程

2012-02-21 1284
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简介：    在linux系统中，其网卡驱动大多通过PCI总线与系统相连，同时，内核对于所有PCI总线上的设备是通过PCI子系统来进行管理，通过PCI子系统提供各种PCI设备驱动程序共同的所有通用功能。
   在linux系统中，其网卡驱动大多通过PCI总线与系统相连，同时，内核对于所有PCI总线上的设备是通过PCI子系统来进行管理，通过PCI子系统提供各种PCI设备驱动程序共同的所有通用功能。因此，作为linux系统中的PCI网卡设备，其加载的流程必然分为两个部分：作为PCI设备向PCI子系统注册；作为网卡设备向网络子系统注册。
   下面也将从两个方面，分析一下网卡驱动在内核加载的两个流程。

PCI设备驱动程序的注册：
   PCI设备驱动程序使用pci_register_driver函数完成内核的注册，其定义在include/linux/pci.h文件内
  1. /*
  2.  * pci_register_driver must be a macro so that KBUILD_MODNAME can be expanded
  3.  */
  4. #define pci_register_driver(driver)        \
  5.     __pci_register_driver(driver, THIS_MODULE, KBUILD_MODNAME)
    其主要结构是名为driver的pci_driver结构体，
  1. struct pci_driver {
  2.     struct list_head node;
  3.     const char *name;
  4.     /* 驱动所关联的PCI设备 */
  5.     const struct pci_device_id *id_table; /* must be non-NULL for probe to be called */
  6.     int (*probe) (struct pci_dev *dev, const struct pci_device_id *id); /* New device inserted */
  7.     void (*remove) (struct pci_dev *dev); /* Device removed (NULL if not a hot-plug capable driver) */
  8.     int (*suspend) (struct pci_dev *dev, pm_message_t state); /* Device suspended */
  9.     int (*suspend_late) (struct pci_dev *dev, pm_message_t state);
  10.     int (*resume_early) (struct pci_dev *dev);
  11.     int (*resume) (struct pci_dev *dev); /* Device woken up */
  12.     void (*shutdown) (struct pci_dev *dev);
  13.     struct pci_error_handlers *err_handler;
  14.     struct device_driver driver;
  15.     struct pci_dynids dynids;
  16. };
   在pri_driver结构体中有两个比较关键的函数，分别是struct pci_device_id *id_table、以及probe函数。其中id_table是一个id向量表，内核通过其来把一些相关的设备关联到此驱动程序，PCI设备独一无二的识别方式是通过一些参数的组合，包含开发商以及模型等，这些参数都存储在内核的pci_device_id数据结构中：
  1. struct pci_device_id {
  2.     __u32 vendor, device;        /* Vendor and device ID or PCI_ANY_ID*/
  3.     __u32 subvendor, subdevice;    /* Subsystem ID's or PCI_ANY_ID */
  4.     __u32 class, class_mask;    /* (class,subclass,prog-if) triplet */
  5.     kernel_ulong_t driver_data;    /* Data private to the driver */
  6. };
   对于每一个PCI设备驱动程序，在注册的时候都会把一个pci_device_id实例注册到内核中，这个实例向量就包含了此驱动程序所能处理的所有设备ID。
   另外一个probe函数，主要用于当PCI子系统发现它正在搜寻驱动程序的设备ID与前面所提到的id_table匹配，就会调用此函数。对于网络设备而言，此函数会开启硬件、分配net_device结构、初始化并注册新设备。
   总的来说，对于所有的PCI设备，在系统引导时，会建立一种数据库，把每个总线都关联一份已侦测并且使用该总线的设备列表。对于PCI设备来说，系统中就存在着这样一个数据库，其中保存着所有使用PCI总线的设备ID，此ID即上文提到的pci_device_id。以下图为例，来说明当设备驱动程序加载时会发生什么。
22227409_1329659246MNQq.jpg
   此时，(a)图就代表着所有使用PCI总线的设备数据库。当设备驱动程序A被加载时，会调用pci_register_driver并提供pci_driver实例与PCI层注册，同时pci_driver结构中包含一个驱动程序所能处理的设备ID表；接着，PCI子系统使用该表去查在已经保存的设备数据库中是否存在匹配，于是会建立该驱动程序的设备列表，如图(b)所示；此外，对每个匹配的设备而言，PCI层会调用相匹配的驱动程序中的pci_driver结构中所提供的probe函数，由probe函数完成必须的操作，如对于网络设备来说，probe函数就会建立并注册相关联的网络设备。

网络设备的注册：
   作为一个PCI网络设备，再其完成PCI总线的注册后，剩下的工作就是通过probe函数来完成作为网络设备的注册流程。对于每一个网络设备在内核中都通过一个net_device结构来表示（此结构涉及内容较多，就不再细说），因此网络设备的注册流程从字面上也应该分为两个部分，net_device结构的分配、完成分配到的dev结构向网络子系统的注册。
   下面，首先说一下net_device结构的分配，在内核中通过alloc_netdev函数来完成分配
  1. #define alloc_netdev(sizeof_priv, name, setup) \
  2.     alloc_netdev_mqs(sizeof_priv, name, setup, 1, 1)
  4. struct net_device *alloc_netdev_mqs(int sizeof_priv, const char *name,
  5. void (*setup)(struct net_device *),
  6. unsigned int txqs, unsigned int rxqs)
   此函数的参数主要有三个：sizeof_priv，私有数据结构的大小，因为作为任一个网络设备都有一个net_device结构，但又由于设备的多样性，很难在dev结构中包含所有必需的字段，因此每一个设备一般都需要一个私有结构来保存一些自己的信息；name，设备名称，此名称可能只是一部分名称，由内核通过某种规则来完成，比如对于以太网设备，只知道是eth设备，但不知道具体的标号，此时可通过传递eth%d作为name参数，由内核完成具体的分配流程；setup，设置函数，此函数用于初始化net_device的部分字段，主要用于一些具有某种共同特性字段的初始化，比如对于以太网设备，其MTU等字段具有相同的值，因此可通过ether_setup来完成公共字段的初始化。
img_953f8f50bd15623814d5502f03cc618a.jpg

    对于Ethernet设备为例，其注册流程如上图所示，首先通过调用alloc_netdev的包裹函数，alloc_etherdev，来完成net_device函数的分配以及部分数据的初始化；接下来，通过netdev_boot_setup_check函数来检查加载内核时用户是否提供了任何引导期间参数；最终，新的设备net_device实例会利用register_netdevice插入至网络设备数据库。
   PS：对于系统中的所有net_device数据结构存在于三张表中，一个是全局的列表dev_base，另外两张hash表dev_name_head、dev_index_head。dev_base实例的全局列表能够方便内核浏览设备；dev_name_head是以设备名为索引，方面通过dev的名称搜寻到设备的dev结构；dev_index_head是以设备的ID，dev->ifindex为索引，方面通过设备的ID来搜寻设备的。
   对于一个完整的net_device结构的注册，register_netdevice实际上只完成了一部分工作，而将剩余部分的工作让netdev_run_todo予以完成。
img_396f109bc463cc370b7f3c4444dde097.jpg
   对于register_netdev函数的功能主要包括：

  1. int register_netdev(struct net_device *dev)
  2. {
  3.     int err;

  5.     rtnl_lock();

  7.     /*
  8.      * If the name is a format string the caller wants us to do a
  9.      * name allocation.
  10.      */
  11.     if (strchr(dev->name, '%')) {
  12.         err = dev_alloc_name(dev, dev->name);
  13.         if (err 0)
  14.             goto out;
  15.     }
  16.     /* register_netdev 的注册流程分为两部分*/
  17.     /* 1) register_netdevice*/
  18.     /* 2) 在rtnl_unlock 解锁操作中，由netdev_run_todo 函数完成*/
  19.     err = register_netdevice(dev);
  20. out:
  21.     rtnl_unlock();
  22.     return err;
  23. }

  25. void rtnl_unlock(void)
  26. {
  27.     /* This fellow will unlock it for us. */
  28.     netdev_run_todo();
  29. }
下面是register_netdevice的函数过程：
  1. int register_netdevice(struct net_device *dev)
  2. {
  3.     int ret;
  4.     struct net *net = dev_net(dev);

  6.     BUG_ON(dev_boot_phase);
  7.     ASSERT_RTNL();

  9.     might_sleep();

  11.     /* When net_device's are persistent, this will be fatal. */
  12.     BUG_ON(dev->reg_state != NETREG_UNINITIALIZED);
  13.     BUG_ON(!net);

  15.     /* 初始化相关的锁*/
  16.     spin_lock_init(&dev->addr_list_lock);
  17.     netdev_set_addr_lockdep_class(dev);

  19.     dev->iflink = -1;

  21.     /* Init, if this function is available */
  22.     /* 如果有初始化init 函数则执行init */
  23.     if (dev->netdev_ops->ndo_init) {
  24.         ret = dev->netdev_ops->ndo_init(dev);
  25.         if (ret) {
  26.             if (ret > 0)
  27.                 ret = -EIO;
  28.             goto out;
  29.         }
  30.     }

  32.     /* 对dev 的名称进行处理*/
  33.     /* 如，命名是否合法*/
  34.     /* 对诸如eth%d 的情况分配设备名称*/
  35.     /* 对已经指定名称的设备在链表中查询是否重名等等*/
  36.     ret = dev_get_valid_name(dev, dev->name, 0);
  37.     if (ret)
  38.         goto err_uninit;

  40.     /* 给设备分配一个全局的identifier */
  41.     dev->ifindex = dev_new_index(net);
  42.     if (dev->iflink == -1)
  43.         dev->iflink = dev->ifindex;

  45.     /* Fix illegal checksum combinations */
  46.     /* 检测一些特性的组合是否合法*/
  47.     if ((dev->features & NETIF_F_HW_CSUM) &&
  48.      (dev->features & (NETIF_F_IP_CSUM|NETIF_F_IPV6_CSUM))) {
  49.         printk(KERN_NOTICE "%s: mixed HW and IP checksum settings.\n",
  50.          dev->name);
  51.         dev->features &= ~(NETIF_F_IP_CSUM|NETIF_F_IPV6_CSUM);
  52.     }

  54.     if ((dev->features & NETIF_F_NO_CSUM) &&
  55.      (dev->features & (NETIF_F_HW_CSUM|NETIF_F_IP_CSUM|NETIF_F_IPV6_CSUM))) {
  56.         printk(KERN_NOTICE "%s: mixed no checksumming and other settings.\n",
  57.          dev->name);
  58.         dev->features &= ~(NETIF_F_IP_CSUM|NETIF_F_IPV6_CSUM|NETIF_F_HW_CSUM);
  59.     }

  61.     dev->features = netdev_fix_features(dev->features, dev->name);

  63.     /* Enable software GSO if SG is supported. */
  64.     if (dev->features & NETIF_F_SG)
  65.         dev->features |= NETIF_F_GSO;

  67.     /* Enable GRO and NETIF_F_HIGHDMA for vlans by default,
  68.      * vlan_dev_init() will do the dev->features check, so these features
  69.      * are enabled only if supported by underlying device.
  70.      */
  71.     dev->vlan_features |= (NETIF_F_GRO | NETIF_F_HIGHDMA);

  73.     /* 调用netdev_chain 通知链，通知其他设备*/
  74.     ret = call_netdevice_notifiers(NETDEV_POST_INIT, dev);
  75.     ret = notifier_to_errno(ret);
  76.     if (ret)
  77.         goto err_uninit;

  79.     /* 初始化设备相关的kobject，创建相关sysfs */
  80.     ret = netdev_register_kobject(dev);
  81.     if (ret)
  82.         goto err_uninit;
  83.     dev->reg_state = NETREG_REGISTERED;

  85.     /*
  86.      *    Default initial state at registry is that the
  87.      *    device is present.
  88.      */

  90.     set_bit(__LINK_STATE_PRESENT, &dev->state);

  92.     /* 初始化流控队列*/
  93.     dev_init_scheduler(dev);
  94.     dev_hold(dev);
  95.     /* 分别将netdevice 加入全局链表以及名称hash 表、index索引哈希表*/
  96.     list_netdevice(dev);

  98.     /* Notify protocols, that a new device appeared. */
  99.     ret = call_netdevice_notifiers(NETDEV_REGISTER, dev);
  100.     ret = notifier_to_errno(ret);
  101.     if (ret) {
  102.         rollback_registered(dev);
  103.         dev->reg_state = NETREG_UNREGISTERED;
  104.     }
  105.     /*
  106.      *    Prevent userspace races by waiting until the network
  107.      *    device is fully setup before sending notifications.
  108.      */
  109.      /* RT netlink 的相关操作*/
  110.     if (!dev->rtnl_link_ops ||
  111.      dev->rtnl_link_state == RTNL_LINK_INITIALIZED)
  112.         rtmsg_ifinfo(RTM_NEWLINK, dev, ~0U);

  114. out:
  115.     return ret;

  117. err_uninit:
  118.     if (dev->netdev_ops->ndo_uninit)
  119.         dev->netdev_ops->ndo_uninit(dev);
  120.     goto out;


   从简单来说，网卡驱动加载大致流程就已经结束了，不过再实际中，对于一个具体的网卡来说，比如最近接触到的igb、ixgbe网卡驱动，在probe函数中要进行的初始化操作要多的多，涉及到诸多的硬件寄存器配置、队列设置等等。所以呢，这篇文章总结起来只能算作是入门而已。。。
文章标签：
Linux
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关键词：
Linux流程
Linux加载
Linux网卡
Linux网卡驱动
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