专题1：嵌入式Linux网络设备驱动设计与开发--熊伟

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管渡牝凤
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1 嵌入式 Linux 网络设备驱动设计与开发熊伟

3 嵌入式系统当前发展前景及应用领域 linux 设备驱动分类与实现特性 linux 网络层级结构 socket 缓存与网络设备驱动设计 3

Cool ARM Powered Products Blackberry Bold Marvell "Tavor" PXA930

learning-teachermate ARM9 Processor D-LinkDNS323 Network Storage

Multimedia Home Networking device Telechips and Samsung ARM9E +

ARM920T Processor SonositeMTurbo (Portable Ultrasound Device)

International -SunView PMP + Projector Samsung S3C244A ARM9

4 Cool ARM Powered Products Blackberry Bold Marvell "Tavor" PXA930 ARM Architecture Based Xscale processor Innovations for learning-teachermate ARM9 Processor D-LinkDNS323 Network Storage Enclosure Marvell 88F5181 Soc ARM9 processor iriver Unit 2 Multimedia Home Networking device Telechips and Samsung ARM9E + ARM11 Processors Samsung SMT-H30560 Cable STB Conexant CX2417X ARM920T Processor SonositeMTurbo (Portable Ultrasound Device) Texas Instruments TMS320DM644x -ARM926 Processor Sunlink International -SunView PMP + Projector Samsung S3C244A ARM9 Processor Embedded Automation mpanel (Digital Home Device) ARM architecture-based Marvel XScale

5 ~4 Billion ARM Processors Each Year Kangaroo TV Amazon Kindle2 e-book reader ARM Powered Freescale Palm Pre ARM Cortex A8 Texas Instruments OMAP3430 ARM926EJ-s Freescale i.mx21 Processor Nintendo DSi ARM9 and ARM7 Processors Konica Minolta Magicolor 1650EN Printer ARM11 Processor Zoran Corporation Quatro 4230 Processor APSI M-480 PMP ARM11 Processor TI OMAP2530 Dual-Core CPU Dell Latitude E4200 Notebook ARM Cortex M3 HP mv5150 Media Vault Pro ARM9 Processorr Marvell Orion (88F5182-A2) Processor iriver Wave Home (Multimedia Communicator) ARM Powered Broadcom BCM5880 Parrot : Zikmu Wireless speakers by Philppe Starck ARM926 Processor Zeebo Console ARM11 Processor and ARM9 Processor Qualcomm TeleNav Shotgun ARM926 Processor SiRF Atlas III Samsung LN40A Inch 1080p DLNA LCD HDTV ARM Powered

6 GarminNuvi 205 ST Cartesio Processor -ARM926 Everex Cloudbook UMPC GCT Semiconductor ARM9 Processor ImportekApollo VoIP Video Phone ARM9 + Marvell Xscale processor Thomson WiFi Tablet TI DaVinci TMS320DM6441 ARM926EJ-S Artega - Artega GT (Dual-Dashboard Display) Fujitsu MB86R01 "Jade" graphics controller ARM926EJ-s + Jazelle Java Acceleration Technology VivoPay Vivo Kiosk ARM Powered iriver NV Life PMP Magic Eyes - ARM926EJ + ARM946E Custom Engineering -TK300II Desktop Ticket Printer ARM Processor (266MHz)

7 嵌入式 linux 系统构架

8 嵌入式 linux 系统开发要点 } 交叉编译环境 } Bootloader } Linux 系统移植 } 文件系统 } 驱动程序开发 } Linux 应用程序的开发

9 体系架构体系架构方面需要掌握的知识点 : 1. Linux 的网络子系统架构 2. Linux 的协议栈层次

10 协议栈层次对比对于网络的正式介绍一般都采用 OSI(Open Systems Interconnection) 模型, 但是 Linux 中网络栈的介绍一般分为四层的 Internet 模型 OSI 七层网络模型应用层表示层会话层 Linux TCP/IP 四层概念模型应用层对应网络协议 TFTP, FTP, NFS, WAIS Telnet, Rlogin, SNMP, Gopher SMTP, DNS 传输层传输层 TCP, UDP 网络层网际层 IP, ICMP, ARP, RARP, AKP, UUCP 数据链路层网络接口 FDDI, Ethernet, Arpanet, PDN, SLIP, PPP 物理层 IEEE 802.1A, IEEE 802.2

11 Linux 网络架构

12 Linux 协议架构 Linux 网络子系统的顶部是系统调用接口它为用户空间的应用程序提供了一种访问内核网络子系统的方法位于其下面的是一个协议无关层, 它提供了一种通用方法来使用传输层协议然后是具体协议的实现, 在 Linux 中包括内嵌的协议 TCP UDP, 当然还有 IP 然后是设备无关层, 它提供了协议与设备驱动通信的通用接口, 最下面是设备驱动程序

14 设备无关接口 } 设备无关接口将协议与各种网络设备驱动连接在一起这一层提供一组通用函数供底层网络设备驱动程序使用, 让它们可以对高层协议栈进行操作 } 首先, 设备驱动程序可能会通过调用 register_netdevice() 或 unregister_netdevice() 在内核中进行注册或注销调用者首先填写 net_device 结构, 然后传递这个结构进行注册内核调用它的 init 函数 ( 如果定义了这种函数 ), 然后执行一组健全性检查, 并将新设备添加到设备列表中 ( 内核中的活动设备链表 ) ;

15 设备无关接口 } 要从协议层向设备发送数据, 需要使用 dev_queue_xmit 函数, 这个函数对数据进行排队, 并交由底层设备驱动程序进行最终传输 ; } 报文的接收通常是使用 netif_rx 执行的当底层设备驱动程序接收一个报文 ( 包含在所分配的 sk_buff 中 ) 时, 就会通过调用 netif_rx 将数据上传至设备无关层, 然后, 这个函数通过 netif_rx_schedule 将 sk_buff 在上层协议队列中进行排队, 供以后进行处理

16 网络设备驱动体系结构

17 Struct sk_buff 重要的域 } struct device *dev; 设备接收或者发送这个缓冲区 } u32 saddr;// 源地址 } u32 daddr;// 目的地址 } u32 raddr;// 路由器地址 } unsigned char *head; } unsigned char *data; } unsigned char *tail; } unsigned char *end; 这些指针用来访问包中的数据 head 指向分配空间的开始,data 是有效数据的开始,tail 是数据的结束, end 指向 tail 可以到达的最大地址 } unsigned long len; 数据本身的长度

18 Skb 操作函数使用 sock_buff 的网络设备通过正式的接口函数在这个结构上操作 : } struct sk_buff *alloc_skb(unsigned int len, int priority); } struct sk_buff *dev_alloc_skb(unsigned int len); 分配一个缓冲区 alloc_skb 分配一个缓冲区并初始化 skb->data 和 skb->tail 到 skb->head dev_alloc_skb 函数它用 GFP_ATOMIC 优先级调用 alloc_skb } kfree_skb(struct sk_buff *skb) } dev_kfree_skb(struct sk_buff *skb) 释放一个缓冲区 kfree_skb 被内核使用, 驱动程序应该使用 dev_kfree_skb

19 Skb 操作函数 } unsigned char *skb_put(struct sk_buff *skb, int len); 更新 sk_buff 结构中的 tail 和 len 成员 ; 它们用来增加数据到缓存的结尾, skb->tail 下移, 增加 sk_buff 的 len 值, 并返回 skb->tail 的当前值 } unsigned char *skb_push(struct sk_buff *skb, int len); 将 data 指针上移, 因此也要增加 sk_buff 的 len 值它与 skb_put 相似, 区别是数据添加到报文的开始而不是结尾, 返回值指向刚刚创建的数据空间这个函数用来在发送报文之前添加一个硬件头部

20 设备注册 } 网络驱动注册的方式与字符驱动是不同的, 它没有主次编号驱动为每个探测到的接口在一个全局的网络设备列表里插入一个数据结构每个接口由一个结构 net_device 项来描述,: } struct net_device *alloc_netdev(int sizeof_priv, const char *name, void (*setup)(struct net_device *)); // 这个函数分配一个网络设备, 它提供了自己的初始化函数来设置几个 net_device 的部分字段, 使用的针对以太网设备的值 } int register_netdev(struct net_device *dev);// 注册网络设备接口 } void unregister_netdev(struct net_device *dev);// 注销网络设备

21 Struct net_device 结构 net_device 的第一部分是由以下成员组成 : } char name[ifnamsiz]; // 设备名 } unsigned long state; // 设备状态. } unsigned long rmem_end; } unsigned long rmem_start; } unsigned long mem_end; } unsigned long mem_start; 下面的成员包含了相对简单设备的低层硬件信息 : } unsigned long base_addr; // 网络接口的 I/O 基地址 } unsigned char irq; // 中断号 } unsigned char if_port;// 描述多端口设备的活动端口 } unsigned char dma; // 设备分配的 DMA 通道

22 网络设备初始化 }int (*init)(struct net_device *dev) 初始化函数, 如果设置了这个指针, 这个函数被 register_netdev 调用来完成对 net_device 结构的初始化在 init 函数中调用 probe 方法进行设备的探测和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 net_device 函数接口 } 网络设备要实现一系列函数作为调用方法的实现 } 基本方法包括 } int (*open)(struct net_device *dev); 打开接口当 ifconfig 激活网络设备时, 接口被打开通常我们在 open 方法里面完成资源的分配, 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); 停止接口在这个方法里面, 我们完成与 open 方法相反的, 注销操作 } int (*hard_start_xmit) (struct sk_buff *skb, struct net_device *dev); 该方法初始化数据包的传输是网络设备驱动中非常重要的一个方法我们将完整的数据包放入一个套接字缓冲区 sk_buff 结构里

24 net_device 结构分析 } int (*hard_header) (struct sk_buff *skb, struct net_device *dev, unsigned short type, void *daddr, void *saddr, unsigned len); 该方法根据先前检索到的源和目的硬件地址建立硬件头 } int (*rebuild_header)(struct sk_buff *skb); 该方法用来在传输数据包之前重建硬件头 } void (*tx_timeout)(struct net_device *dev); 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包 } struct net_device_stats *(*get_stats)(struct net_device *dev); 当应用程序需要获得接口的统计信息时, 这个方法被调用 } int (*set_config)(struct net_device *dev, struct ifmap *map); 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

25 net_device 结构分析 } 可选方法在以太网设备中通常都可以使用系统提供的方法, 也可以自己实现 } int (*do_ioctl)(struct net_device *dev, struct ifreq *ifr, int cmd); 用来实现设备自定义的 ioctl 命令如果不需要自定义命令, 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); 当接口的 MTU 改变时, 该方法将被调用, 负责做出相应的特定处理 } int (*hard_header_parse) (struct sk_buff *skb, unsigned char *haddr); 从 skb 中包含的数据包中获得源地址, 并将其复制到位于 haddr 的缓冲区中

26 中断处理大部分硬件接口通过一个中断处理来控制, 硬件中断处理器通常发出 2 种信号 : 一个新报文到了或者一个外出报文的发送完成了, 网络接口也能够产生中断来指示错误, 例如状态改变等等中断处理程序通过检查物理设备中的状态寄存器, 能够分辨出新报文到达和发送完成

27 数据发送 } 当核心需要发送一个数据包时, 它调用 hard_start_transmit 方法将数据放到一个输出队列核心处理的每个包包含在套接字缓冲区结构 sk_buff 中 sk_buff 结构在整个 Linux 网络子系统中都被用来承载网络数据, 在考虑接口时, 一个套接字缓冲区就是一个包 } 指向 sk_buff 的指针通常被称做 skb, 套接字缓冲区是一个复杂的结构, 核心提供一组函数来对其操作传递给 hard_start_xmit 的套接字缓冲区中含有物理包, 它具有传输层的包头接口不需要修改被发送的数据 skb- >data 指向被发送的包,skb->len 是它的长度

28 数据接收 } 从网络上接收报文比发送它要难一些, 因为必须分配一个 sk_buff 并从一个原子性的上下文中递交给上层网络驱动可以实现 2 种报文接收的模式 : 中断驱动和查询, 大部分驱动采用中断驱动方式 } 中断处理函数判断中断类型, 如果为接收中断, 则读取接收到的数据, 分配 sk_buffer 数据结构和数据缓冲区, 将接收到的数据复制到数据缓冲区, 并调用 netif_rx() 函数将 sk_buffer 传递给上层协议

29 数据包发送超时当数据传输超时时, 意味着当前的发送操作失败, 此时, 数据包发送超时处理函数将被调用 } 网络驱动程序可以在 net_device 结构的 watchdog_timeo 字段中设置超时时间, 以 jiffies 为单位 } 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, 那么网络层将最终调用驱动程序的 xxx_tx_ timeout() 方法这个函数需要调用 Linux 内核提供的 netif_wake_queue() 函数重新启动设备发送队列 } 例如 : void xxx_tx_timeout(struct net_device *dev) { }... netif_wake_queue(dev); /* 重新启动设备发送队列 */

31 华清远见培训相关课程 } 嵌入式 linux 软件工程师就业班 } 3G Android 系统开发就业班 } 嵌入式 linux 系统移植开发培训班 } 嵌入式 linux 驱动开发培训班

32 熊伟