Linux内核数据包处理流程－数据包接收(1)

数据包的接收

作者：kendo

Kernel：2.6.12

一、从网卡说起

这并非是一个网卡驱动分析的专门文档，只是对网卡处理数据包的流程进行一个重点的分析。这里以Intel的e100驱动为例进行分析。
大多数网卡都是一个PCI设备，PCI设备都包含了一个标准的配置寄存器，寄存器中，包含了PCI设备的厂商ID、设备ID等等信息，驱动

程序使用来描述这些寄存器的标识符。如下：

struct pci_device_id {
        __u32 vendor, device;               
        __u32 subvendor, subdevice;       
        __u32 class, class_mask;       
        kernel_ulong_t driver_#;       
};

这样，在驱动程序中，常常就可以看到定义一个struct pci_device_id 类型的数组，告诉内核支持不同类型的
PCI设备的列表，以e100驱动为例：

#define INTEL_8255X_ETHERNET_DEVICE(device_id, ich) {\
        PCI_VENDOR_ID_INTEL, device_id, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, \
        PCI_CLASS_NETWORK_ETHERNET << 8, 0xFFFF00, ich }
       
static struct pci_device_id e100_id_table[] = {
        INTEL_8255X_ETHERNET_DEVICE(0x1029, 0),
        INTEL_8255X_ETHERNET_DEVICE(0x1030, 0),
        INTEL_8255X_ETHERNET_DEVICE(0x1031, 3),
……
        { 0, }
};

在内核中，一个PCI设备，使用struct pci_driver结构来描述

struct pci_driver {
        struct list_head node;
        char *name;
        struct module *owner;
        const struct pci_device_id *id_table;       
        int  (*probe)  (struct pci_dev *dev, const struct pci_device_id *id);       
        void (*remove) (struct pci_dev *dev);       
        int  (*suspend) (struct pci_dev *dev, pm_message_t state);       
        int  (*resume) (struct pci_dev *dev);                        
        int  (*enable_wake) (struct pci_dev *dev, pci_power_t state, int enable);   
        void (*shutdown) (struct pci_dev *dev);

        struct device_driver        driver;
        struct pci_dynids dynids;
};

因为在系统引导的时候，PCI设备已经被识别，当内核发现一个已经检测到的设备同驱动注册的id_table中的信息相匹配时，
它就会触发驱动的probe函数，以e100为例：

static struct pci_driver e100_driver = {
        .name =         DRV_NAME,
        .id_table =     e100_id_table,
        .probe =        e100_probe,
        .remove =       __devexit_p(e100_remove),
#ifdef CONFIG_PM
        .suspend =      e100_suspend,
        .resume =       e100_resume,
#endif

        .driver = {
                .shutdown = e100_shutdown,
        }

};

这样，如果系统检测到有与id_table中对应的设备时，就调用驱动的probe函数。

驱动设备在init函数中，调用pci_module_init函数初始化PCI设备e100_driver:

static int __init e100_init_module(void)
{
        if(((1 << debug) - 1) & NETIF_MSG_DRV) {
                printk(KERN_INFO PFX "%s, %s\n", DRV_DESCRIPTION, DRV_VERSION);
                printk(KERN_INFO PFX "%s\n", DRV_COPYRIGHT);
        }
        return pci_module_init(&e100_driver);
}

一切顺利的话，注册的e100_probe函数将被内核调用，这个函数完成两个重要的工作：
1、分配/初始化/注册网络设备；
2、完成PCI设备的I/O区域的分配和映射，以及完成硬件的其它初始化工作；

网络设备使用structnet_device结构来描述，这个结构非常之大，许多重要的参考书籍对它都有较为深入的描述，可以参考《Linux设备驱动程序》中网卡驱动设计的相关章节。我会在后面的内容中，对其重要的成员进行注释；

当probe函数被调用，证明已经发现了我们所支持的网卡，这样，就可以调用register_netdev函数向内核注册网络设备了，注册之前，一般会调用alloc_etherdev为以太网分析一个net_device，然后初始化它的重要成员。

除了向内核注册网络设备之外，探测函数另一项重要的工作就是需要对硬件进行初始化，比如，要访问其I/O区域，需要为I/O区域分配内存区域，然后进行映射，这一步一般的流程是：
1、request_mem_region()
2、ioremap()

对于一般的PCI设备而言，可以调用：
1、pci_request_regions()
2、ioremap()

pci_request_regions函数对PCI的6个寄存器都会调用资源分配函数进行申请（需要判断是I/O端口还是I/O内存），例如：

int pci_request_regions(struct pci_dev *pdev, char *res_name)
{
        int i;
       
        for (i = 0; i < 6; i++)
                if(pci_request_region(pdev, i, res_name))
                        goto err_out;
        return 0;

int pci_request_region(struct pci_dev *pdev, int bar, char *res_name)
{
        if (pci_resource_len(pdev, bar) == 0)
                return 0;
               
        if (pci_resource_flags(pdev, bar) & IORESOURCE_IO) {
                if (!request_region(pci_resource_start(pdev, bar),
                            pci_resource_len(pdev, bar), res_name))
                        goto err_out;
        }
        else if (pci_resource_flags(pdev, bar) & IORESOURCE_MEM) {
                if (!request_mem_region(pci_resource_start(pdev, bar),
                                        pci_resource_len(pdev, bar), res_name))
                        goto err_out;
        }
       
        return 0;

有了这些基础，我们来看设备的探测函数

static int __devinit e100_probe(struct pci_dev *pdev,
        const struct pci_device_id *ent)
{
        struct net_device *netdev;
        struct nic *nic;
        int err;

       
        if(!(netdev = alloc_etherdev(sizeof(struct nic)))) {
                if(((1 << debug) - 1) & NETIF_MSG_PROBE)
                        printk(KERN_ERR PFX "Etherdev alloc failed, abort.\n");
                return -ENOMEM;
        }

       
        netdev->open = e100_open;
        netdev->stop = e100_close;
        netdev->hard_start_xmit = e100_xmit_frame;
        netdev->get_stats = e100_get_stats;
        netdev->set_multicast_list = e100_set_multicast_list;
        netdev->set_mac_address = e100_set_mac_address;
        netdev->change_mtu = e100_change_mtu;
        netdev->do_ioctl = e100_do_ioctl;
        SET_ETHTOOL_OPS(netdev, &e100_ethtool_ops);
        netdev->tx_timeout = e100_tx_timeout;
        netdev->watchdog_timeo = E100_WATCHDOG_PERIOD;
        netdev->poll = e100_poll;
        netdev->weight = E100_NAPI_WEIGHT;
#ifdef CONFIG_NET_POLL_CONTROLLER
        netdev->poll_controller = e100_netpoll;
#endif
       
        strcpy(netdev->name, pci_name(pdev));

       
        nic = netdev_priv(netdev);
       
        nic->netdev = netdev;
       
        nic->pdev = pdev;
        nic->msg_enable = (1 << debug) - 1;
       
       
        pci_set_drv#(pdev, netdev);

       
        if((err = pci_enable_device(pdev))) {
                DPRINTK(PROBE, ERR, "Cannot enable PCI device, aborting.\n");
                goto err_out_free_dev;
        }

       
        if(!(pci_resource_flags(pdev, 0) & IORESOURCE_MEM)) {
                DPRINTK(PROBE, ERR, "Cannot find proper PCI device "
                        "base address, aborting.\n");
                err = -ENODEV;
                goto err_out_disable_pdev;
        }

       
        if((err = pci_request_regions(pdev, DRV_NAME))) {
                DPRINTK(PROBE, ERR, "Cannot obtain PCI resources, aborting.\n");
                goto err_out_disable_pdev;
        }

       
        if((err = pci_set_dma_mask(pdev, 0xFFFFFFFFULL))) {
                DPRINTK(PROBE, ERR, "No usable DMA configuration, aborting.\n");
                goto err_out_free_res;
        }

        SET_MODULE_OWNER(netdev);
        SET_NETDEV_DEV(netdev, &pdev->dev);

       
        nic->csr = ioremap(pci_resource_start(pdev, 0), sizeof(struct csr));
        if(!nic->csr) {
                DPRINTK(PROBE, ERR, "Cannot map device registers, aborting.\n");
                err = -ENOMEM;
                goto err_out_free_res;
        }

        if(ent->driver_#)
                nic->flags |= ich;
        else
                nic->flags &= ~ich;

       
        e100_get_defaults(nic);

       
        spin_lock_init(&nic->cb_lock);
        spin_lock_init(&nic->cmd_lock);

       
        e100_hw_reset(nic);

       
        pci_set_master(pdev);

       
        init_timer(&nic->watchdog);
        nic->watchdog.function = e100_watchdog;
        nic->watchdog.# = (unsigned long)nic;
        init_timer(&nic->blink_timer);
        nic->blink_timer.function = e100_blink_led;
        nic->blink_timer.# = (unsigned long)nic;

        INIT_WORK(&nic->tx_timeout_task,
                (void (*)(void *))e100_tx_timeout_task, netdev);

        if((err = e100_alloc(nic))) {
                DPRINTK(PROBE, ERR, "Cannot alloc driver memory, aborting.\n");
                goto err_out_iounmap;
        }

       
        e100_phy_init(nic);

        if((err = e100_eeprom_load(nic)))
                goto err_out_free;

        memcpy(netdev->dev_addr, nic->eeprom, ETH_ALEN);
        if(!is_valid_ether_addr(netdev->dev_addr)) {
                DPRINTK(PROBE, ERR, "Invalid MAC address from "
                        "EEPROM, aborting.\n");
                err = -EAGAIN;
                goto err_out_free;
        }

       
        if((nic->mac >= mac_82558_D101_A4) &&
           (nic->eeprom[eeprom_id] & eeprom_id_wol))
                nic->flags |= wol_magic;

       
        pci_enable_wake(pdev, 0, 0);

       
        strcpy(netdev->name, "eth%d");
        if((err = register_netdev(netdev))) {
                DPRINTK(PROBE, ERR, "Cannot register net device, aborting.\n");
                goto err_out_free;
        }

        DPRINTK(PROBE, INFO, "addr 0x%lx, irq %d, "
                "MAC addr %02X:%02X:%02X:%02X:%02X:%02X\n",
                pci_resource_start(pdev, 0), pdev->irq,
                netdev->dev_addr[0], netdev->dev_addr[1], netdev->dev_addr[2],
                netdev->dev_addr[3], netdev->dev_addr[4], netdev->dev_addr[5]);

        return 0;

err_out_free:
        e100_free(nic);
err_out_iounmap:
        iounmap(nic->csr);
err_out_free_res:
        pci_release_regions(pdev);
err_out_disable_pdev:
        pci_disable_device(pdev);
err_out_free_dev:
        pci_set_drv#(pdev, NULL);
        free_netdev(netdev);
        return err;
}

执行到这里，探测函数的使命就完成了，在对网络设备重要成员初始化时，有：
netdev->open = e100_open;
指定了设备的open函数为e100_open，这样，当第一次使用设备，比如使用ifconfig工具的时候，open函数将被调用。
二、打开设备

在探测函数中，设置了netdev->open = e100_open;指定了设备的open函数为e100_open：

static int e100_open(struct net_device *netdev)
{
        struct nic *nic = netdev_priv(netdev);
        int err = 0;

        netif_carrier_off(netdev);
        if((err = e100_up(nic)))
                DPRINTK(IFUP, ERR, "Cannot open interface, aborting.\n");
        return err;
}

大多数涉及物理设备可以感知信号载波（carrier）的存在，载波的存在意味着设备可以工作
据个例子来讲：当一个用户拔掉了网线，也就意味着信号载波的消失。
netif_carrier_off：关闭载波信号；
netif_carrier_on：打开载波信号；
netif_carrier_ok：检测载波信号；

对于探测网卡网线是否连接，这一组函数被使用得较多；

接着，调用e100_up函数启动网卡，这个“启动”的过程，最重要的步骤有：
1、调用request_irq向内核注册中断；
2、调用netif_wake_queue函数来重新启动传输队例；

static int e100_up(struct nic *nic)
{
        int err;

        if((err = e100_rx_alloc_list(nic)))
                return err;
        if((err = e100_alloc_cbs(nic)))
                goto err_rx_clean_list;
        if((err = e100_hw_init(nic)))
                goto err_clean_cbs;
        e100_set_multicast_list(nic->netdev);
        e100_start_receiver(nic, 0);
        mod_timer(&nic->watchdog, jiffies);
        if((err = request_irq(nic->pdev->irq, e100_intr, SA_SHIRQ,
                nic->netdev->name, nic->netdev)))
                goto err_no_irq;
        netif_wake_queue(nic->netdev);
        netif_poll_enable(nic->netdev);
       
        e100_enable_irq(nic);
        return 0;

err_no_irq:
        del_timer_sync(&nic->watchdog);
err_clean_cbs:
        e100_clean_cbs(nic);
err_rx_clean_list:
        e100_rx_clean_list(nic);
        return err;


}

这样，中断函数e100_intr将被调用

三、网卡中断

从本质上来讲，中断，是一种电信号，当设备有某种事件发生的时候，它就会产生中断，通过总线把电信号发送给中断控制器，如果中断的线是激活的，中断控制器就把电信号发送给处理器的某个特定引脚。处理器于是立即停止自己正在做的事，跳到内存中内核设置的中断处理程序的入口点，进行中断处理。
在内核中断处理中，会检测中断与我们刚才注册的中断号匹配，于是，注册的中断处理函数就被调用了。

当需要发/收数据，出现错误，连接状态变化等，网卡的中断信号会被触发。当接收到中断后，中断函数读取中断状态位，进行合法性判断，如判断中断信号是否是自己的等，然后，应答设备中断——OK，我已经知道了，你回去继续工作吧……
接着，它就屏蔽此中断，然后netif_rx_schedule函数接收，接收函数会在未来某一时刻调用设备的poll函数（对这里而言，注册的是e100_poll）实现设备的轮询

static irqreturn_t e100_intr(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs)
{
        struct net_device *netdev = dev_id;
        struct nic *nic = netdev_priv(netdev);
        u8 stat_ack = readb(&nic->csr->scb.stat_ack);

        DPRINTK(INTR, DEBUG, "stat_ack = 0x%02X\n", stat_ack);

        if(stat_ack == stat_ack_not_ours ||       
           stat_ack == stat_ack_not_present)       
                return IRQ_NONE;

       
        writeb(stat_ack, &nic->csr->scb.stat_ack);

       
        if(stat_ack & stat_ack_rnr)
                nic->ru_running = RU_SUSPENDED;

        e100_disable_irq(nic);
        netif_rx_schedule(netdev);

        return IRQ_HANDLED;
}

对于数据包的接收而言，我们关注的是poll函数中，调用e100_rx_clean进行数据的接收

static int e100_poll(struct net_device *netdev, int *budget)
{
        struct nic *nic = netdev_priv(netdev);
      
        unsigned int work_to_do = min(netdev->quota, *budget);
        unsigned int work_done = 0;
        int tx_cleaned;

                      
        e100_rx_clean(nic, &work_done, work_to_do);
        tx_cleaned = e100_tx_clean(nic);

         
       
        if((!tx_cleaned && (work_done == 0)) || !netif_running(netdev)) {
                netif_rx_complete(netdev);
                e100_enable_irq(nic);
                return 0;
        }

        *budget -= work_done;
        netdev->quota -= work_done;

        return 1;
}


static inline void e100_rx_clean(struct nic *nic, unsigned int *work_done,
        unsigned int work_to_do)
{
        struct rx *rx;
        int restart_required = 0;
        struct rx *rx_to_start = NULL;

       
        if(RU_SUSPENDED == nic->ru_running)
                restart_required = 1;

       
        for(rx = nic->rx_to_clean; rx->skb; rx = nic->rx_to_clean = rx->next) {
                int err = e100_rx_indicate(nic, rx, work_done, work_to_do);
                if(-EAGAIN == err) {
                       
                        restart_required = 0;
                        break;
                } else if(-ENO# == err)
                        break;
        }

       
        if(restart_required)
                rx_to_start = nic->rx_to_clean;

       
        for(rx = nic->rx_to_use; !rx->skb; rx = nic->rx_to_use = rx->next) {
                if(unlikely(e100_rx_alloc_skb(nic, rx)))
                        break;
        }

        if(restart_required) {
                // ack the rnr?
                writeb(stat_ack_rnr, &nic->csr->scb.stat_ack);
                e100_start_receiver(nic, rx_to_start);
                if(work_done)
                        (*work_done)++;
        }
}