2022年嵌入式Linux网络驱动程序开发及实现原理 .pdf

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1、嵌入式 Linux 网络驱动程序开发及实现原理0 引言随着人们对开放源代码软件热情的日益增高，Linux 作为一个功能强大而稳定的开源操作系统，越来越受到成千上万的计算机专家和爱好者的青睐。在嵌入式领域，通过对 Linux 进行小型化裁剪后，使其能够固化在容量只有几十兆字节的存储器芯片或单片机中，成为应用于特定场合的嵌入式 Linux 系统。 Linux 强大的网络支持功能实现了对包括TCP/IP 在内的多种协议的支持，满足了面向21世纪的嵌入式系统应用联网的需求。因此，在嵌入式系统开发调试时，网络接口几乎成为不可或缺的模块。1 嵌入式 Linux 网络驱动程序介绍Linux 网络驱动程序作为

2、Linux 网络子系统的一部分，位于TCP/IP网络体系结构的网络接口层，主要实现上层协议栈与网络设备的数据交换。Linux 的网络系统主要是基于BSD Unix 的套接字（ socket）机制，网络设备与字符设备和块设备不同，没有对应地映射到文件系统中的设备节点。通常， Linux 驱动程序有两种加载方式：一种是静态地编译进内核，内核启动时自动加载；另一种是编写为内核模块,使用 insmod命令将模块动态加载到正在运行的内核，不需要时可用 rmmod 命令将模块卸载。 Linux 2.6 内核引入了 kbuild 机制，将外部内核模块的编译同内核源码树的编译统一起来，大大简化了特定的参数和宏

3、的设置。这样将编写好的驱动模块加入内核 源码树，只需要修改相应目录的Kconfig 文件，把新的驱动加入内核的配置菜单，然后需要修改相应子目录中与模块编译相关的Kbuild Makefile, 即可使新的驱动在内核源码树中被编译。在嵌入式系统驱动开发时，常常将驱动程序编写为内核模块，方便开发调试。调试完毕后，就可以将驱 动模块编译进内核，并重新编译出支持特定物理设备的Linux 内核。2 嵌入式 Linux 网络驱动程序的体系结构和实现原理2.1 Linux 网络设备驱动的体系结构如图 1 所示， Linux 网络驱动程序的体系结构可划分为4个层次。 Linux 内核源代码中提供了网络设备接口

4、及以上层次的代码，因此移植特定网络硬件的驱动程序的主要工作就是完成设备驱动功能层的相应代码，根据底层具体的硬件特性，定义网络设备接口struct net_device类型的结构体变量，并实现其中相应的操作函数及中断处理程序。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 6 页 - - - - - - - - - Linux 中所有的网络设备都抽象为一个统一的接口，即网络设备接口，通过struct net_device类型的结构体变量表示网络设备在内核中的运行情况，这里既

5、包括回环（loopback）设备，也包括硬件网络设备接口。内核通过以dev_base为头指针的设备链表来管理所有的网络设备。2.2 net_device 数据结构struct net_device结构体是整个网络驱动结构的核心，其中定义了很多供网络协议接口层调用设备的标准方法，该结构在2.6内核源码树文件中定义，下面只列出其中主要的成员。2.2.1全局信息及底层硬件信息name:网络设备名称，默认是以太网；*next: 指向全局链表下一个设备的指针，驱动程序中不修改；mem_,rmem_:发送和接收缓冲区的起始，结束位置；base_addr,irq: 网络设备的 I/O 基地址，中断号， if

6、config 命令可显示和修改；hard_header_len: 硬件头的长度，以太网中值为14；mtu:最大传输单元，以太网中值为1500B；dev_addrMAX_ADDR_LEN: 硬件(MAC) 地址长度及设备硬件地址，以太网地址长度是48bit，ether_setup会对其进行正确的设置；2.2.2 主要的操作方法int (*init)(struct net_device *dev); 设备初始化和向系统注册的函数，仅调用一次；int (*open)(struct net_device *dev);设备打开接口函数，当用ifconfig 激活网络设备时被调用，注册所用的系统资源（I/

7、O 端口， IRQ，DMA 等）同时激活硬件并增加使用计数；int (*stop)(struct net_device *dev);执行 open方法的反操作；名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 6 页 - - - - - - - - - *hard_start_xmit；初始化数据包传输的函数；*hard_header;该函数（在 hard_start_xmit前被调用）根据先前检索到的源和目标硬件地址建立硬件头。eth_header是以太网类型接口的默认函

8、数；2.3 网络驱动程序的编写及实现原理Linux 网络系统各个层次之间的数据传送都是通过套接字缓冲区sk_buff 完成的， sk_buff 数据结构是各层协议数据处理的对象。sk_buff 是驱动程序与网络之间 交换数据的媒介，驱动程序向网络发送数据时，必须从其中获取数据源和数据长度；驱动程序从网络上接收到数据后也要将数据保存到 sk_buff 中才能交给上层协议处理。对于实际开发以太网驱动程序，可以参照内核源码树中的相应模板程序，重点理解网络驱动的实现原理和程序的结构框架，然后针对开发的特定硬件改写代码，实现相应的操作函数。下面结合作者利用Linux2.6.18 内核在深圳优龙公司的FS

9、2410开发板（ SAMSUNG S3C2410 处理器）上移植编写嵌入式CS8900A 网卡驱动程序的实例，说明网络驱动程序的实现原理。2.3.1网络设备初始化网络设备的初始化是由net_device结构中的 init 函数实现的，内核加载网络驱动模块后，就会调用初始化过程。实例中初始化函数_init cs8900_probe中主要完成的工作：a.调用内核中通用的设置以太网接口的函数ether_setup(); b.填充 net_device结构体变量 dev中其它大部分成员；c.调用 check_mem_region() 检测 I/O 地址空间，然后调用request_mem_region

10、() 申请以 dev-base_addr为起始地址的 16个连续的 I/O 地址空间；d.通过 cs8900_read() 探测网卡 CS8900A,读取 ID 信息；e.设置 CS8900A 的 INTRQ0 作为中断信号输出引脚；f.将 MAC 地址写入 CS8900A的 IA 寄存器中；g.通过 register_netdev() 将 CS8900A注册到 Linux 全局网络设备链表中；2.3.2打开(或关闭 )网络设备系统响应 ifconfig 命令时，打开 (关闭)一个网络接口。 ifconfig 命令开始会调用ioctl(SIOCSIFADDR) 来将地址赋予接口。响应 SIOC

11、SIFADDR 由内核来完成，与设备无关。接着，ifconfig 命令会调用 ioctl(SIOCSIFFLAGS) 设置 dev-flag 的 IFF_UP 位来打开设备，这个调用会使设备的 open方法得到调用。（当ifconfig 调用 ioctl(SIOCSIFFLAGS) 清除 dev-flag 的IFF_UP 位时，设备的 stop方法将被调用）实例中利用 cs8900_start() 函数打开网络设备，主要完成的工作：a.通过 set_irq_type()向内核注册网络设备的中断处理程序；b.通过 cs8900_set() 设置 CS8900A网卡中各控制寄存器和配置寄存器；c.

12、通过内核中 netif_start_queue() 函数开启网络接口的数据传输队列；2.3.3网络数据包的发送名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 6 页 - - - - - - - - - 数据包的发送和接收是网络驱动程序中实现的两个最重要的任务。当网络设备被激活时，net_device结构中的 open方法被调用，它负责打开设备并调用 net_device结构中的 hard_header函数指针建立硬件帧头信息。最后通过函数dev_queue_xmit()来

13、调用 net_device结构中的hard_start_xmit方法把存放在 sk_buff 中的数据发送到网络物理设备。如果发送成功，则在hard_start_xmit中释放 sk_buff 并返回 0；如果硬件设备忙暂时无法处理，则返回1。网络硬件在发送完数据包后会产生中断，把dev-tbusy置 0，通知系统可以再次发送。实例中， hard_start_xmit方法即为网络设备数据发送函数cs8900_send_start() ，该函数实现把数据发送到以太网上，由网络协议接口层函数dev_queue_xmit()对其调用。cs8900_send_start() 中主要完成的工作：a.发送

14、数据前关闭中断 ,中止网络设备的数据传输队列；b.向 CS8900A寄存器 TxCMD 中写入传送数据命令控制字，向寄存器TxLength 中写入待发送数据帧长度；c.通过 cs8900_read() 反复读取 CS8900A 总线状态寄存器 BusST信息,直到其已经准备好接收来自主机的数据；d.调用 cs8900_frame_write()将待发数据送入 CS8900A 的 sk_buff 中，硬件设备会将数据帧发送到以太网上；e.记录数据帧的发送时刻 ,打开中断 ,释放 sk_buff 缓存,函数返回 0；2.3.4网络数据包的接收和中断处理网络设备是异步地接收外来的数据包并且主动的“

15、请求” 将硬件获得的数据包压入内核。网络设备接收数据包是通过中断实现的。对于网络接口，接收到新数据包，发送完成或者报告错误信息及连接状态等都会触发中断，通常中断处理程序通过检测硬件状态寄存器判断是哪种情况。当设备收到数据后会产生一个中断，由硬件通知驱动程序有数据包到达。在中断处理程序中驱动程序申请一块sk_buff(一般定义为 skb)缓冲区，然后从硬件读出数据放到申请好的缓冲区里，接下来填充sk_buff 中的部分信息：包括接收到数据的设备结构体指针填入skb-dev；收到数据帧的类型填入 skb-protocol；把指针 skb-mac.raw指向硬件数据并丢弃硬件针头(skb_pull)

16、；设置 skb-pkt_type，标明链路层数据类型。最后调用协议接口层函数netif_rx() 把接收到的数据包传输到网络上层协议处理。这里，netif_rx()只是负责把数据放入工作队列就返回，真正的处理是在中断返回以后，这样可减少中断处理的时间。几乎每个中断处理程序的编写都要涉及底半部机制，这样可以保证中断的高效处理。实例中数据接收函数cs8900_receive() 由网络驱动的中断处理函数调用，主要完成如下工作：a.通过从 I/O 口读取 RxStatus和 RxLength 的值，确定接收数据帧的状态信息和长度；b.判断接收数据帧的状态是否正常，若异常则记录相关错误信息，然后函数返

17、回；c.正常情况下，在内存中申请一块sk_buff 缓存，并将数据从CS8900A的片内 存储器传送到 sk_buff 缓存中； d.从数据帧中获取协议头并赋给skb-protocol；名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 6 页 - - - - - - - - - e.通过调用 netif_rx()函数将接收到的数据送往上层协议栈进行处理；f.记录接收数据的时间并更新统计信息；3 将设备驱动模块编译进内核设计好模块化的网络驱动程序后，我们就可以编译这个内核模块

18、，并将这个自定义的内核模块作为 Linux 系统源码的一部分编译出新的系统。下面介绍的内容均在 Linux2.6.18 内核上编译通过，可以在2.6.x 版本内核中通用。如前所述，由于Linux2.6 内核引入了 kbuild 的新机制，使得编译新的内核模块或者将自己编写的内核模块集成到内核源码中都变得非常简单了。Linux2.6 内核中，编译内核模块首先要在/usr/src下正确配置和构造内核源码树，即把需要版本的内核源码解压在 /usr/src/，并在内核源码的主目录下(这里为 /usr/src/linux -2.6.18.3)，使用make menuconfig或者 make gconf

19、ig命令配置内核，然后使用make all完整编译内核。下面以作者开发的CS8900A 网卡驱动为实例，介绍如何将网络设备驱动模块编译进内核。a.在系统源码树 drivers 目录下创建新目录Cs8900；b.将编写好的文件cs8900.c和 cs8900.h拷贝到 drivers/Cs8900目录下；c.在 drivers/Cs8900目录下，编写 Makefile 文件：Makefile for CS8900A Network Driver obj -$(CONFIG_DRIVER_CS8900A) +=cs8900.o d.在 drivers/Cs8900目录下，编写 Kconfig 文

20、件: Just 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 目录下的 Kconfig 文件 endmenu语句前，加入一行：source drivers/Cs8900/Kconfig 这样在内核源码树的主目录下，通过make menuconfig或者 make gcon

21、fig 命令就可以在Device Drivers 选项的下面找到 CS8900A Network Interface support选项，并找到 CS8900A support的选择菜单，它有三种状态：未选中(不编译 )、选中 (M)一编译为模块、选中 (*) 一编译为新系统一部分。重新编译内核即可得到支持CS8900A 网卡的内核，然后将内核 下载到 FS2410的开发板上，通过配置网络参数，就可以测试网卡驱动程序的行为了。4 结束语在这个信息爆炸的时代，人们对于网络的需求愈发强烈，越来越多的嵌入式设备都需要具有以太网的接入功能，因此开发网络驱动程序对于很多嵌入式产品的研发至关重要。具体开发

22、名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 6 页 - - - - - - - - - 嵌入式 Linux 网络驱动程序时，可以参照内核中已经支持的网络驱动源代码，在重点理解Linux网络驱动实现原理的基础上，按照模块设计较为固定的开发模式，结合具体物理设备的硬件手册，移植编写需要的模块化的网络驱动程序。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 6 页 - - - - - - - - -