WINCE最新课件(5.0)

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幅鹏谢
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1 嵌入式 LINUX 网络驱动开发

2 嵌入式 Linux 应用 2

3 网络化机器人 3

4 分布式计算平台 PE PE 可以是 CPU 或者 ASIC PE } CAN Bus, I2C } , communication link network PE header address data ECC packet format

5 内容提纲 } Linux 网络层级结构 } Socket 缓存与网络设备驱动设计 } CGL 技术介绍

6 TCP/IP 和 OSI 模型 TCP/IP 应用层传输层网络层网络接口层物理层 OSI application presentation session transport network data link physical end-use interface data format application dialog control connections end-to-end service reliable data transport mechanical, electrical

7 Linux 支持网络协议 FTP TFTP BOOTP/DHCP CIP RTP/RTCP NFS SMB More Application TCP UDP SPX GRE RIP OSPF DVMRP 802.1Q VLAN ARP RARP ProxyARP More IPv4/IPv6 DECnet AppleTalk IPX ICMP More Transport Network Ethernet ATM FDDI X.25 Bluetooth IRDA PPP/CSLIP USB Firewire More Physical

8 TCP/IP 层级结构 ftp telnet mail ping 应用层 Stream Socket Stream Socket Stream Socket Raw Socket 用户模式内核模式 TCP UDP IP (+ICMP) Device Drivers 传输层网络层物理层

9 TCP/IP 层级结构用户空间内核空间 Application Layer (INET) PF_INET BSD Socket Layer Protocol Layer PF_INET Network Device Driver Interface/ Queuing Discipline } 网络接口 socket 层 : 为用户提供网络服务编程接口 (linux/net/socket.c) } 网络协议层 : 协议实现 TCP/IP IPX X.25 AppleTalk 等协议 (linux/net/ipv4) } 网络接口层 : 屏蔽具体物理介质, 为网络协议提供统一接口, 负责下层网络包和协议栈之间交互接送 (linux/net/core/dev.c) Physical Device Driver } 网络设备接口 : 负责从物理介质接收和发送数据 (linux/driver/net) Physical Device and Media

10 网络接口 socket 层 } socket(af_inet,sock_stream,0) 系统调用 => sys_socket ( ) => socket_creat ( ) => inet_creat ( ) { Answer = inetsw [SOCK_MAX]; // 选择对应的协议 sock->ops = answer->ops; // 把协议的操作集赋给 socket sock->prot = answer->prot; } } 特定服务映射到协议族下具体协议, 如将 SOCK_STREAM 映射到 TCP 协议, 将 SOCK_DGRAM 映射到了 UDP 协议,SOCK_RAW 映射到了 IP 协议 } accept(),send(),connect() 等操作函数通过 ops 和 prot 来映射

11 网络协议层实现 } struct file_operations socket_file_ops = { llseek: sock_lseek, read: sock_read, write: sock_write, poll: sock_poll, ioctl: sock_ioctl, mmap: sock_mmap, open: sock_no_open, release: sock_close, fasync: sock_fasync, readv: sock_readv, writev: sock_writev }; } struct proto_ops inet_dgram_ops = { family: PF_INET, release: inet_release, bind: inet_bind, connect: inet_dgram_connect, accept: sock_no_accept, listen: sock_no_listen, shutdown: inet_shutdown, setsockopt: inet_setsockopt, sendmsg: inet_sendmsg, recvmsg: inet_recvmsg, } };

12 网络接口层 } 网络接口核心层之上是具体网络协议, 之下是网络设备驱动接口 } 网络接口核心层通过 dev_queue_xmit()(net/core/dev.c) 向上层 (IP/ARP 协议 ) 提供统一发送接口 } dev_queue_xmit() 在 dev_base 设备列表中找到设备后调用到 dev- >hard_start_xmit() 调用实际驱动程序来完成发送任务

13 网络接口核心层和网络协议层接收关系 (1/2) } 网络接口核心层通过函数 netif_rx()(net/core/dev.c) 接收下层 ( 驱动 ) 发送的数据, 然后把数据往上层 ( 协议层 ) 推送 } struct packet_ptype_base[]( net/core/dev.c) 包含了需要接收数据包的协议及接收函数入口如 packet_type 类型包含 IP 协议 ip_rcv() 数据接收函数 } 设备驱动中断服务下半部中通过 cpu_raise_softirq() 标识 NET_RX_SOFTIRQ 软中断, 其处理函数 net_rx_action()(net/core/dev.c) 根据数据包的协议类型在数组 ptype_base[ ] 找到相应协议和接收函数, 将数据包交给处理函数, 完成数据上推处理 } 例如数据需要交给 IP 协议, 则 ptype_base[eth_p_ip]->func()(ip_rcv())

14 数据发送 } sock_write 调用了 sock_sendmsg } sock->ops->sendmsg(sock, msg, size, &scm); } inet_sendmsg() } sk->prot->sendmsg(sk, msg, size); } udp_sendmsg } ip_route_output } ip_build_xmit 生成 skb, 并在数据包加入 IP 头 } skb->dst->output(skb); } ip_output, ip_finish_output } dev_queue_xmit } dev->hard_start_xmit(skb, dev);

15 数据接收 } 当有数据到达网卡时产生一个硬件中断, 网卡驱动程序中断服务程序处理 (el3_interrupt) } 通过 IO 操作将数据数据帧成功读取后, 执行接收程序进一步处理 ( el3_rx(dev) ) } 数据会被封装成 skb 转到 netif_rx 放到等候队列中, 由软中断机制 net_rx_action 通知上层来获取 } ip_packet_type, 会在数组 ptype_base[16] 找到相应,ETH_P_IP, 所以在 net_rx_action 中, 会选择 IP 层的接收处理函数, 而从 ip_packet_type 不难看出, 这个函数便是 ip_recv( ) } ip_recv 调用 ip_rcv_finish 函数, 按接收到的包处理 : ip_local_deliver 发往本地进程 ( 推给上层协议 ) 或 ip_forward 转发 ( 用作网关 ) 15

16 内容提纲 } Linux 网络层级结构 } Socket 缓存与网络设备驱动设计 } CGL 技术介绍

17 网络设备接口 } 网络设备接口负责物理介质控制, 接收及发送数据, 并对物理介质进行各种设置, 例如以太网卡驱动 } 发送 :el_start_xmit( ) 函数通过对以太网卡寄存器操作发送数据 } 接收 : 接收数据包或数据包发送完成时, 都产生中断, 进入中断服务程序处理例如收数据时, 为数据包分配 skb 缓存, 通过 netif_rx( ) 把数据包交给上层

18 网络设备驱动结构

19 套接字缓冲 (sk_buff) 结构组成 } 套接字缓冲结构 sk_buff 是 Linux 内核网络系统核心内容 } hard_start_transmit 将一个套接字缓冲 (sk_buff) 中数据放入外发队列 } 每个数据包属于更高网路层某个套接字, 所有套接字输入和输出缓冲区都是 sk_buff 结构形成链表 } 套接字缓冲结构中重要组成 : } struct net_device *rx_dev, *dev; } 分别为接收和发送缓冲区的设备 } union { /*... */ } h; } union { /*... */ } nh; } union { /*... */} mac; } 指向数据包中各个层的数据包头 h 指向传输层包头,nh 指向网络层包头, mac 指向链路层包头

20 套接字缓冲 (sk_buff) 结构组成 } unsigned char *head, *data, *tail, *end; } 用来寻址数据包中数据指针 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 } unsigned long len; } 描述数据长度 } unsigned char ip_summed; } 描述该数据包的校验和策略 } unsigned char pkt_type; } 描述该数据包的类型, 可以是 PACKET_HOST, PACKET_BROADCAST, PACKET_MULTICAST, PACKET_OTHERHOST

21 以太网帧结构 } 以太网 (IEEE 802.3) 协议其驱动相关的帧结构 : 前导位 PR 帧起始位 SD 目的 IP 地址 SA 源 IP 地址 DA 类型 TYPE/ 长度 LEN 数据域 DATA 填充 PAD 校验 FCS 62bit 2bit 48bit 48bit 16bit <=1500 字节可选 32bit } 网卡驱动也不必关心所有内容, 如其中前导序列帧起始位 CRC 校验由硬件自动添加 / 删除, 与驱动软件无关

22 net_device 结构与网络设备初始化 } net_device 结构复杂, 主要字段 : } char name[ifnamsiz]; } unsigned long rmem_end; } unsigned long rmem_start; } unsigned long mem_end; } unsigned long mem_start; } // 这些字段描述了设备共享内存的起止地址 } unsigned long base_addr; // 描述了设备的 I/O 基地址 } unsigned char irq; // 描述了设备中断号 } unsigned char if_port; // 描述了多端口设备的活动端口 } unsigned char dma; // 描述了设备的 DMA 通道 } 网络设备初始化 } 在 init 中调用 probe 函数, 进行设备探测与初始化检测设备配置和初始化硬件, 向系统申请资源, ether_setup 方法来填充设备 net_device 结构, 进行全局网络设备链表注册

23 网络设备调用方法实现 } 网络设备要实现下列函数调用方法 } int (*open)(struct net_device *dev); 打开接口, 当 ifconfig 激活网络设备时接口被打开进行资源分配, 包括 I/O 映射中断注册 DMA 注册等, 同时激活硬件并增加使用计数 } int (*stop)(struct net_device *dev); 停止接口, 完成与 open 方法相反的操作 } int (*hard_start_xmit) (struct sk_buff *skb, struct net_device *dev); 该方法初始化数据包传输, 将完整数据包放入一个套接字缓冲区 sk_buff 结构

24 网络设备调用方法实现 } 网络设备要实现下列函数调用方法 } int (*hard_header) (struct sk_buff *skb, struct net_device *dev, unsigned short type, void *daddr, void *saddr, unsigned len); // 根据源和目的硬件地址建立硬件头 } int (*rebuild_header)(struct sk_buff *skb); // 用来在传输数据包前重建硬件头 } void (*tx_timeout)(struct net_device *dev); // 如数据包在超时时间内发送失败, 该方法被调用, 用于解决传送失败问题并重传 } struct net_device_stats *(*get_stats)(struct net_device *dev); // 当应用程序需要获得接口统计信息时, 该方法被调用 } int (*set_config)(struct net_device *dev, struct ifmap *map); // 改变接口的配置, 例如改变 I/O 端口和中断号等

25 网络设备调用方法 ( 可选 ) } 通常都可使用系统提供的方法或自己实现 } int (*do_ioctl)(struct net_device *dev, struct ifreq *ifr, int cmd); // 用来实现设备自定义的 ioctl 命令, 可以为 NULL } void (*set_multicast_list)(struct net_device *dev); // 当设备的组播列表改变或设备标志改变时, 该方法被调用 } int (*set_mac_address)(struct net_device *dev, void *addr); // 如果接口支持 MAC 地址改变, 则可以实现该函数 } int (*change_mtu)(struct net_device *dev, int new_mtu); // 当接口 MTU 改变时, 该方法被调用, 负责做出相应处理 } int (*header_cache) (struct neighbour *neigh, struct hh_cache *hh); // 根据 ARP 查询结果填充 hh_cache 结构 } int (*header_cache_update) (struct hh_cache *hh, struct net_device *dev, unsigned char *haddr); // 在发生变化时, 该方法更新 hh_cache 结构中的目的地址 } int (*hard_header_parse) (struct sk_buff *skb, unsigned char *haddr); // 从 skb 中包含数据包中获得源地址, 并将其复制到位于 haddr 的缓冲区中

26 数据包传送与接收 } 网络接口调用 hard_start_transmit 方法将数据封装成套接字缓冲 ( sk_buff), 放入发送队列 } 实际硬件设备中的缓冲区有限, 驱动程序需要告诉网络子系统在能够接受新数据之前不能启动其他的数据发送, } 通过 net_device 结构中的自旋锁 xmit_lock 获得并发时的保护, 通过调用 netif_stop_queue 可以完成通知 } 当数据传送完成后, 设备缓冲区再次可用时, 调用 netif_wake_queue 来通知网络子系统重新启动传送队列

27 传输超时 } 驱动程序必须能处理硬件不能及时响应的情况 } 驱动程序采取定时器到期等超时方式处理这类异常 } 在 net_device 结构中的 watchdog_timeo 字段中设置超时时间 (jiffies) } 如果当前的系统时间超过设备的 trans_start 时间至少一个超时周期, 网络层将最终调用驱动程序 tx_timeout 方法完成超时问题解决

28 数据包接收与中断处理 } 接收数据包首先通过设备中断, 由硬件通知驱动程序有数据包到达 } 获得一个指向数据的指针以及数据包的长度, 然后将数据以及附加信息发送到上层的网络代码 } 中断处理程序检查状态寄存器, 区分数据包到达和传输完成中断 } 传输完成则中断处理程序更新统计信息, 调用 dev_kfree_skb 将套接字缓冲区释放如果之前驱动程序停止了传输队列, 则调用 netif_wake_queue 重新启动传输队列 } 数据包到达时, 中断处理程序只是调用数据接收函数

29 定制 ioctl 命令 } 套接字命令号在 <linux/sockios.h> 里定义, 函数 sock_ioctl 直接调用协议相关函数 } 协议层不能识别的 ioctl 命令会被传递到设备层, 设备相关的 ioctl 命令从用户空间接受其他参数 } 除了使用标准化调用之外, 每个接口还可以定义 16 个接口私有的 ioctl 命令 : 从 SIOCDEVPRIVATE 到 SIOCDEVPRIVATE+15, 调用相关接口驱动程序 dev->do_ioctl 方法

30 Cs8900a 驱动设计 } 驱动移植 } 中断的挂接 : 在系统中根据实际中断线申请相应中断号 } IO 地址正确设置与访问 : } 例如网络片选为 CS2, 地址空间是 0X ~0X2FFFFFFF } #define S3C2410_PHYS_CS8900A CS2_PHYS_BASE /* physical */ } #define S3C2410_VIRT_CS8900A (0xfc000000) /* virtual */ } 手动设置接口的属性 : 如果没有 EEPROM 则需要在代码中手动设置接口的属性, 如以太芯片 MAC 地址等

31 内容提纲 } Linux 网络层级结构 } Socket 缓存与网络设备驱动设计 } CGL 技术介绍

32 内核支持 } Real-time kernel } Configurable OOM killer } posix_fadvise(2) } Kexec for fast reboot } LSM } NBD } DRBD } Evlog } Rmon } corefile naming } IMQ } Fumount } NAPI support for drivers } Open file by inode } Panic handler enhancements } Asynchronous events (Libevent) } Machine Check Architecture (MCA) } RAID disk mirroring } RAID multihost 32

33 连接和 I/O } TCP/IPv4 } IPv6 Certification Ready } IPSec } IKE } VLAN Tagging (IEEE 802.1Q) } SCTP } TCP Abort } Hotplug (ATCA, utca, AMC) } Serial ATA } USB2 Host } USB Human Interface Device (HID) Input Core } MTD } Ifenslave } IPMI } Logical Volume Management/Logical Volume Management2 (LVM/LVM2) } Fibrechannel } Routable ARP } AIC 33

34 实时响应 } Real time preemptible kernel technology (100% native Linux; no double-kernel non-linux add-ons) } High resolution POSIX timers } Threaded soft and hard IRQ handlers } Application-level priority inheritance } Priority queuing } Robust mutexes } Futexes Userland support } Preempt_RT 34

36 } Kernel } } Linux Kernel Discussion } } } General Linux } } } } } Embedded Linux } } GPL = General Public License } } } ELC } } }

37 谢谢!