网络驱动移植之解析Linux网络驱动的基本框架

内核源码：linux-2.6.38.8.tar.bz2

概括而言，编写Linux网络驱动其实只要完成两件事即可，一是分配并初始化网络设备，二是注册网络设备。

1、分配并初始化网络设备

动态分配网络设备（从C语言角度来看，其实就是定义了一个struct net_device结构体变量，并对这个结构体变量的某些成员进行了初始化而已）及其私有数据的大致过程如下图（以以太网设备为例）：

下面将结合linux-2.6.38.8中的代码详细分析网络设备的分配和初始化过程。

1. /* linux-2.6.38.8/include/linux/etherdevice.h */
2. #define alloc_etherdev(sizeof_priv) alloc_etherdev_mq(sizeof_priv, 1)
3. #define alloc_etherdev_mq(sizeof_priv, count) alloc_etherdev_mqs(sizeof_priv, count, count)
4. /* linux-2.6.38.8/net/ethernet/eth.c */
5. struct net_device *alloc_etherdev_mqs(int sizeof_priv, unsigned int txqs,
6. unsigned int rxqs)
7. {
8. return alloc_netdev_mqs(sizeof_priv, "eth%d", ether_setup, txqs, rxqs);
9. }
10. void ether_setup(struct net_device *dev)
11. {
12. dev->header_ops      = &eth_header_ops;
13. dev->type        = ARPHRD_ETHER;
14. dev->hard_header_len     = ETH_HLEN;
15. dev->mtu     = ETH_DATA_LEN;
16. dev->addr_len        = ETH_ALEN;
17. dev->tx_queue_len    = 1000; /* Ethernet wants good queues */
18. dev->flags       = IFF_BROADCAST|IFF_MULTICAST;
19. memset(dev->broadcast, 0xFF, ETH_ALEN);
20. }

以前各类网络设备的分配函数（如以太网设备的alloc_etherdev）都只是alloc_netdev函数的封装而已，但对于linux-2.6.38.8而言已经不是这样了。

1. /* linux-2.6.38.8/include/linux/netdevice.h */
2. #define alloc_netdev(sizeof_priv, name, setup) \
3. alloc_netdev_mqs(sizeof_priv, name, setup, 1, 1)

alloc_netdev_mqs函数的五个参数分别为私有数据大小、设备名称、默认初始化函数、发送队列数目和接收队列数目。

以太网设备的名称设为eth%d，默认初始化函数设为ether_setup，发送和接收队列数目都设为1。

函数alloc_netdev_mqs定义在linux-2.6.38.8/net/core/dev.c文件中，大概会完成以下各种操作：

（1）、为struct net_device和私有数据分配内存空间

1. alloc_size = sizeof(struct net_device);
2. if (sizeof_priv) {
3. alloc_size = ALIGN(alloc_size, NETDEV_ALIGN);  //#define NETDEV_ALIGN 32
4. alloc_size += sizeof_priv;
5. }
6. alloc_size += NETDEV_ALIGN - 1;
7. p = kzalloc(alloc_size, GFP_KERNEL);
8. if (!p) {
9. printk(KERN_ERR "alloc_netdev: Unable to allocate device.\n");
10. return NULL;
11. }
12. dev = PTR_ALIGN(p, NETDEV_ALIGN);
13. dev->padded = (char *)dev - (char *)p;

对齐操作相关宏：

1. /* linux-2.6.38.8/include/linux/kernel.h */
2. #define ALIGN(x, a)     __ALIGN_KERNEL((x), (a))
3. #define __ALIGN_KERNEL(x, a)        __ALIGN_KERNEL_MASK(x, (typeof(x))(a) - 1)
4. #define __ALIGN_KERNEL_MASK(x, mask)    (((x) + (mask)) & ~(mask))
5. #define PTR_ALIGN(p, a)     ((typeof(p))ALIGN((unsigned long)(p), (a)))

（2）、动态分配per-CPU变量

1. dev->pcpu_refcnt = alloc_percpu(int);
2. if (!dev->pcpu_refcnt)
3. goto free_p;

（3）、初始化硬件地址链表dev->dev_addrs，并把首元素赋给dev->dev_addr

1. if (dev_addr_init(dev))
2. goto free_pcpu;

（4）、初始化组播和单播地址链表

1. dev_mc_init(dev);
2. dev_uc_init(dev);

（5）、设置网络命名空间

1. dev_net_set(dev, &init_net);

（6）、设置GSO最大值

1. dev->gso_max_size = GSO_MAX_SIZE;

（7）、初始化各种链表

1. INIT_LIST_HEAD(&dev->ethtool_ntuple_list.list);
2. dev->ethtool_ntuple_list.count = 0;
3. INIT_LIST_HEAD(&dev->napi_list);
4. INIT_LIST_HEAD(&dev->unreg_list);
5. INIT_LIST_HEAD(&dev->link_watch_list);

（8）、设置priv_flags值

1. dev->priv_flags = IFF_XMIT_DST_RELEASE;

（9）、执行默认初始化函数（以太网设备默认为ether_setup）

1. setup(dev);

（10）、初始化数据包发送队列

1. dev->num_tx_queues = txqs;
2. dev->real_num_tx_queues = txqs;
3. if (netif_alloc_netdev_queues(dev))
4. goto free_all;

（11）、初始化数据包接收队列

1. dev->num_rx_queues = rxqs;
2. dev->real_num_rx_queues = rxqs;
3. if (netif_alloc_rx_queues(dev))
4. goto free_all;

（12）、设置网络设备名称

1. strcpy(dev->name, name);

2、注册网络设备

通过register_netdev函数把已完成部分初始化的net_device结构体变量（即某个网络设备实例）注册到Linux内核中，大致过程如下图：

下面将结合linux-2.6.38.8中的代码详细分析网络设备的注册过程。

（1）、获得rtnl信号量

1. rtnl_lock();

（2）、分配网络设备名（即%d对应的数字）

1. if (strchr(dev->name, '%')) {
2. err = dev_alloc_name(dev, dev->name);
3. if (err < 0)
4. goto out;
5. }

（3）、调用实际注册函数

1. err = register_netdevice(dev);

3.1、初始化dev->addr_list_lock自旋锁并根据dev->type设置其类别

1. spin_lock_init(&dev->addr_list_lock);
2. netdev_set_addr_lockdep_class(dev);

3.2、调用init函数

1. if (dev->netdev_ops->ndo_init) {
2. ret = dev->netdev_ops->ndo_init(dev);
3. if (ret) {
4. if (ret > 0)
5. ret = -EIO;
6. goto out;
7. }
8. }

3.3、检测网络设备名是否有效

1. ret = dev_get_valid_name(dev, dev->name, 0);
2. if (ret)
3. goto err_uninit;

3.4、为网络设备分配唯一的索引号

1. dev->ifindex = dev_new_index(net);
2. if (dev->iflink == -1)
3. dev->iflink = dev->ifindex;

3.5、设置网络设备特性（dev->features）

1. if ((dev->features & NETIF_F_HW_CSUM) &&
2. (dev->features & (NETIF_F_IP_CSUM|NETIF_F_IPV6_CSUM))) {
3. printk(KERN_NOTICE "%s: mixed HW and IP checksum settings.\n",
4. dev->name);
5. dev->features &= ~(NETIF_F_IP_CSUM|NETIF_F_IPV6_CSUM);
6. }
7. if ((dev->features & NETIF_F_NO_CSUM) &&
8. (dev->features & (NETIF_F_HW_CSUM|NETIF_F_IP_CSUM|NETIF_F_IPV6_CSUM))) {
9. printk(KERN_NOTICE "%s: mixed no checksumming and other settings.\n",
10. dev->name);
11. dev->features &= ~(NETIF_F_IP_CSUM|NETIF_F_IPV6_CSUM|NETIF_F_HW_CSUM);
12. }
13. dev->features = netdev_fix_features(dev->features, dev->name);
14. if (dev->features & NETIF_F_SG)
15. dev->features |= NETIF_F_GSO;
16. dev->vlan_features |= (NETIF_F_GRO | NETIF_F_HIGHDMA);

3.6、通过通知链告知内核其他子系统某种事件的发生（如注册网络设备）

1. ret = call_netdevice_notifiers(NETDEV_POST_INIT, dev);
2. ret = notifier_to_errno(ret);
3. if (ret)
4. goto err_uninit;
5. ret = call_netdevice_notifiers(NETDEV_REGISTER, dev);
6. ret = notifier_to_errno(ret);
7. if (ret) {
8. rollback_registered(dev);
9. dev->reg_state = NETREG_UNREGISTERED;
10. }

3.7、创建网络设备在sysfs文件系统中的入口

1. ret = netdev_register_kobject(dev);
2. if (ret)
3. goto err_uninit;

3.8、设置网络设备为已注册状态

1. dev->reg_state = NETREG_REGISTERED;

3.9、设置网络设备状态为可用

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

3.10、初始化网络设备的队列规则

1. dev_init_scheduler(dev);

3.11、增加网络设备的引用计数

1. dev_hold(dev);

3.12、加入到设备链表（如dev->dev_list、dev->name_hlist、dev->index_hlist）

1. list_netdevice(dev);

3.13、发送netlink（RFC 3549协议）信息

1. if (!dev->rtnl_link_ops ||
2. dev->rtnl_link_state == RTNL_LINK_INITIALIZED)
3. rtmsg_ifinfo(RTM_NEWLINK, dev, ~0U);

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