Linux TCP/IP协议栈笔记(4)

四、网卡的数据接收

内核如何从网卡接受数据，传统的经典过程：
1、数据到达网卡；
2、网卡产生一个中断给内核；
3、内核使用I/O指令，从网卡I/O区域中去读取数据；

我们在许多网卡驱动中，都可以在网卡的中断函数中见到这一过程。

但是，这一种方法，有一种重要的问题，就是大流量的数据来到，网卡会产生大量的中断，内核在中断上下文中，会浪费大量的资源来处理中断本身。所以，一个问题是，“可不可以不使用中断”，这就是轮询技术，所谓NAPI技术，说来也不神秘，就是说，内核屏蔽中断，然后隔一会儿就去问网卡，“你有没有数据啊？”……

从这个描述本身可以看到，哪果数据量少，轮询同样占用大量的不必要的CPU资源，大家各有所长吧，呵呵……

OK，另一个问题，就是从网卡的I/O区域，包括I/O寄存器或I/O内存中去读取数据，这都要CPU去读，也要占用CPU资源，“CPU从I/O区域读，然后把它放到内存（这个内存指的是系统本身的物理内存，跟外设的内存不相干，也叫主内存）中”。于是自然地，就想到了DMA技术——让网卡直接从主内存之间读写它们的I/O数据，CPU，这儿不干你事，自己找乐子去：
1、首先，内核在主内存中为收发数据建立一个环形的缓冲队列（通常叫DMA环形缓冲区）。
2、内核将这个缓冲区通过DMA映射，把这个队列交给网卡；
3、网卡收到数据，就直接放进这个环形缓冲区了——也就是直接放进主内存了；然后，向系统产生一个中断；
4、内核收到这个中断，就取消DMA映射，这样，内核就直接从主内存中读取数据；

——呵呵，这一个过程比传统的过程少了不少工作，因为设备直接把数据放进了主内存，不需要CPU的干预，效率是不是提高不少？

对应以上4步，来看它的具体实现：
1、分配环形DMA缓冲区
Linux内核中，用skb来描述一个缓存，所谓分配，就是建立一定数量的skb，然后把它们组织成一个双向链表；

2、建立DMA映射
内核通过调用
dma_map_single(struct device *dev,void *buffer,size_t size,enum dma_data_direction direction)
建立映射关系。
struct device *dev，描述一个设备；
buffer：把哪个地址映射给设备；也就是某一个skb——要映射全部，当然是做一个双向链表的循环即可；
size：缓存大小；
direction：映射方向——谁传给谁：一般来说，是“双向”映射，数据在设备和内存之间双向流动；

对于PCI设备而言（网卡一般是PCI的），通过另一个包裹函数pci_map_single，这样，就把buffer交给设备了！设备可以直接从里边读/取数据。

3、这一步由硬件完成；

4、取消映射
dma_unmap_single，对PCI而言，大多调用它的包裹函数pci_unmap_single，不取消的话，缓存控制权还在设备手里，要调用它，把主动权掌握在CPU手里——因为我们已经接收到数据了，应该由CPU把数据交给上层网络栈；

当然，不取消之前，通常要读一些状态位信息，诸如此类，一般是调用
dma_sync_single_for_cpu()
让CPU在取消映射前，就可以访问DMA缓冲区中的内容。

关于DMA映射的更多内容，可以参考《Linux设备驱动程序》“内存映射和DMA”章节相关内容！

OK，有了这些知识，我们就可以来看e100的代码了，它跟上面讲的步骤基本上一样的——绕了这么多圈子，就是想绕到e100上面了，呵呵！


在e100_open函数中，调用e100_up，我们前面分析它时，略过了一个重要的东东，就是环形缓冲区的建立，这一步，是通过
e100_rx_alloc_list函数调用完成的：

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CODE:

static int e100_rx_alloc_list(struct nic *nic)
{
        struct rx *rx;
        unsigned int i, count = nic->params.rfds.count;

        nic->rx_to_use = nic->rx_to_clean = NULL;
        nic->ru_running = RU_UNINITIALIZED;

        /*结构struct rx用来描述一个缓冲区节点，这里分配了count个*/
        if(!(nic->rxs = kmalloc(sizeof(struct rx) * count, GFP_ATOMIC)))
                return -ENOMEM;
        memset(nic->rxs, 0, sizeof(struct rx) * count);

        /*虽然是连续分配的，不过还是遍历它，建立双向链表，然后为每一个rx的skb指针分员分配空间
        skb用来描述内核中的一个数据包，呵呵，说到重点了*/
        for(rx = nic->rxs, i = 0; i < count; rx++, i++) {
                rx->next = (i + 1 < count) ? rx + 1 : nic->rxs;
                rx->prev = (i == 0) ? nic->rxs + count - 1 : rx - 1;
                if(e100_rx_alloc_skb(nic, rx)) {                /*分配缓存*/
                        e100_rx_clean_list(nic);
                        return -ENOMEM;
                }
        }

        nic->rx_to_use = nic->rx_to_clean = nic->rxs;
        nic->ru_running = RU_SUSPENDED;

        return 0;
}

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CODE:

#define RFD_BUF_LEN (sizeof(struct rfd) + VLAN_ETH_FRAME_LEN)
static inline int e100_rx_alloc_skb(struct nic *nic, struct rx *rx)
{
        /*skb缓存的分配，是通过调用系统函数dev_alloc_skb来完成的，它同内核栈中通常调用alloc_skb的区别在于，
        它是原子的，所以，通常在中断上下文中使用*/
        if(!(rx->skb = dev_alloc_skb(RFD_BUF_LEN + NET_IP_ALIGN)))
                return -ENOMEM;

        /*初始化必要的成员 */
        rx->skb->dev = nic->netdev;
        skb_reserve(rx->skb, NET_IP_ALIGN);
        /*这里在数据区之前，留了一块sizeof(struct rfd) 这么大的空间，该结构的
        一个重要作用，用来保存一些状态信息，比如，在接收数据之前，可以先通过
        它，来判断是否真有数据到达等，诸如此类*/
        memcpy(rx->skb->data, &nic->blank_rfd, sizeof(struct rfd));
        /*这是最关键的一步，建立DMA映射，把每一个缓冲区rx->skb->data都映射给了设备，缓存区节点
        rx利用dma_addr保存了每一次映射的地址，这个地址后面会被用到*/
        rx->dma_addr = pci_map_single(nic->pdev, rx->skb->data,
                RFD_BUF_LEN, PCI_DMA_BIDIRECTIONAL);

        if(pci_dma_mapping_error(rx->dma_addr)) {
                dev_kfree_skb_any(rx->skb);
                rx->skb = 0;
                rx->dma_addr = 0;
                return -ENOMEM;
        }

        /* Link the RFD to end of RFA by linking previous RFD to
         * this one, and clearing EL bit of previous.  */
        if(rx->prev->skb) {
                struct rfd *prev_rfd = (struct rfd *)rx->prev->skb->data;
                /*put_unaligned(val，ptr)；用到把var放到ptr指针的地方，它能处理处理内存对齐的问题
                prev_rfd是在缓冲区开始处保存的一点空间，它的link成员，也保存了映射后的地址*/
                put_unaligned(cpu_to_le32(rx->dma_addr),
                        (u32 *)&prev_rfd->link);
                wmb();
                prev_rfd->command &= ~cpu_to_le16(cb_el);
                pci_dma_sync_single_for_device(nic->pdev, rx->prev->dma_addr,
                        sizeof(struct rfd), PCI_DMA_TODEVICE);
        }

        return 0;
}

e100_rx_alloc_list函数在一个循环中，建立了环形缓冲区，并调用e100_rx_alloc_skb为每个缓冲区分配了空间，并做了
DMA映射。这样，我们就可以来看接收数据的过程了。

前面我们讲过，中断函数中，调用netif_rx_schedule，表明使用轮询技术，系统会在未来某一时刻，调用设备的poll函数：

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CODE:

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 no Rx and Tx cleanup work was done, exit polling mode. */
        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;
}

目前，我们只关心rx，所以，e100_rx_clean函数就成了我们关注的对像，它用来从缓冲队列中接收全部数据(这或许是取名为clean的原因吧！)：

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CODE:

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;

        /* are we already rnr? then pay attention!!! this ensures that
         * the state machine progression never allows a start with a
         * partially cleaned list, avoiding a race between hardware
         * and rx_to_clean when in NAPI mode */
        if(RU_SUSPENDED == nic->ru_running)
                restart_required = 1;

        /* 函数最重要的工作，就是遍历环形缓冲区，接收数据*/
        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) {
                        /* hit quota so have more work to do, restart once
                         * cleanup is complete */
                        restart_required = 0;
                        break;
                } else if(-ENODATA == err)
                        break; /* No more to clean */
        }

        /* save our starting point as the place we'll restart the receiver */
        if(restart_required)
                rx_to_start = nic->rx_to_clean;

        /* Alloc new skbs to refill list */
        for(rx = nic->rx_to_use; !rx->skb; rx = nic->rx_to_use = rx->next) {
                if(unlikely(e100_rx_alloc_skb(nic, rx)))
                        break; /* Better luck next time (see watchdog) */
        }

        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)++;
        }
}

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CODE:

static inline int e100_rx_indicate(struct nic *nic, struct rx *rx,
        unsigned int *work_done, unsigned int work_to_do)
{
        struct sk_buff *skb = rx->skb;
        struct rfd *rfd = (struct rfd *)skb->data;
        u16 rfd_status, actual_size;

        if(unlikely(work_done && *work_done >= work_to_do))
                return -EAGAIN;

        /* 读取数据之前，也就是取消DMA映射之前，需要先读取cb_complete 状态位，
        以确定数据是否真的准备好了，并且，rfd的actual_size中，也包含了真实的数据大小
        pci_dma_sync_single_for_cpu函数前面已经介绍过，它让CPU在取消DMA映射之前，具备
        访问DMA缓存的能力*/
        pci_dma_sync_single_for_cpu(nic->pdev, rx->dma_addr,
                sizeof(struct rfd), PCI_DMA_FROMDEVICE);
        rfd_status = le16_to_cpu(rfd->status);

        DPRINTK(RX_STATUS, DEBUG, "status=0x%04X/n", rfd_status);

        /* If data isn't ready, nothing to indicate */
        if(unlikely(!(rfd_status & cb_complete)))
                return -ENODATA;

        /* Get actual data size */
        actual_size = le16_to_cpu(rfd->actual_size) & 0x3FFF;
        if(unlikely(actual_size > RFD_BUF_LEN - sizeof(struct rfd)))
                actual_size = RFD_BUF_LEN - sizeof(struct rfd);

        /* 取消映射，因为通过DMA，网卡已经把数据放在了主内存中，这里一取消，也就意味着，
        CPU可以处理主内存中的数据了 */
        pci_unmap_single(nic->pdev, rx->dma_addr,
                RFD_BUF_LEN, PCI_DMA_FROMDEVICE);

        /* this allows for a fast restart without re-enabling interrupts */
        if(le16_to_cpu(rfd->command) & cb_el)
                nic->ru_running = RU_SUSPENDED;
       
        /*正确地设置data指针，因为最前面有一个sizeof(struct rfd)大小区域，跳过它*/
        skb_reserve(skb, sizeof(struct rfd));
        /*更新skb的tail和len指针，也是就更新接收到这么多数据的长度*/
        skb_put(skb, actual_size);
        /*设置协议位*/
        skb->protocol = eth_type_trans(skb, nic->netdev);

        if(unlikely(!(rfd_status & cb_ok))) {
                /* Don't indicate if hardware indicates errors */
                nic->net_stats.rx_dropped++;
                dev_kfree_skb_any(skb);
        } else if(actual_size > nic->netdev->mtu + VLAN_ETH_HLEN) {
                /* Don't indicate oversized frames */
                nic->rx_over_length_errors++;
                nic->net_stats.rx_dropped++;
                dev_kfree_skb_any(skb);
        } else {
                /*网卡驱动要做的最后一步，就是统计接收计数器，设置接收时间戳，然后调用netif_receive_skb，
                把数据包交给上层协议栈，自己的光荣始命也就完成了*/
                nic->net_stats.rx_packets++;
                nic->net_stats.rx_bytes += actual_size;
                nic->netdev->last_rx = jiffies;
                netif_receive_skb(skb);
                if(work_done)
                        (*work_done)++;
        }

        rx->skb = NULL;

        return 0;
}

网卡驱动执行到这里，数据接收的工作，也就处理完成了。但是，使用这一种方法的驱动，省去了网络栈中一个重要的内容，就是
“队列层”，让我们来看看，传统中断接收数据包模式下，使用netif_rx函数调用，又会发生什么。

PS：九贱没有去研究过所谓的“零拷贝”技术，不太清楚，它同这种DMA直取方式有何不同？难道是把网卡中的I/O内存直接映射到主内存中，这样CPU就可以像读取主内存一样，读取网卡的内存，但是这要求设备要有好大的I/O内存来做缓冲呀！！^o^，外行了……希望哪位DX提点！