Linux TCP/IP协议栈笔记

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： [Copy to clipboard] CODE: struct pci_device_id { __u32 vendor, device; /* Vendor and device ID or PCI_ANY_ID*/ __u32 subvendor, subdevice; /* Subsystem ID's or PCI_ANY_ID */ __u32 class, class_mask; /* (class,subclass,prog-if) triplet */ kernel_ulong_t driver_data; /* Data private to the 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), ……/*略过一大堆支持的设备*/ { 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; /* must be non-NULL for probe to be called */ int(*probe)(struct pci_dev *dev, const struct pci_device_id *id); /* New device inserted */ void (*remove) (struct pci_dev *dev); /* Device removed (NULL if not a hot-plug capable driver) */ int(*suspend) (struct pci_dev *dev, pm_message_t state); /* Device suspended */ int(*resume) (struct pci_dev *dev); /* Device woken up */ int(*enable_wake) (struct pci_dev *dev, pci_power_t state, int enable); /* Enable wake event */ 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： /* * 定义一个名为e100_driver的PCI设备 * 1、设备的探测函数为e100_probe; * 2、设备的id_table表为e100_id_table */ 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struct net_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： [Copy to clipboard] CODE: 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; [Copy to clipboard] CODE: 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; /*分配网络设备*/ 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; } /*设置各成员指针函数*/ 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 /*设置网络设备名称*/ strcpy(netdev->name, pci_name(pdev)); /*取得设备私有数据结构*/ nic = netdev_priv(netdev); /*网络设备指针，指向自己*/ nic->netdev = netdev; /*PCIy设备指针，指向自己*/ nic->pdev = pdev; nic->msg_enable = (1 << debug) - 1; /*将PCI设备的私有数据区指向网络设备*/ pci_set_drvdata(pdev, netdev); /*激活PCI设备*/ if((err = pci_enable_device(pdev))) { DPRINTK(PROBE, ERR, "Cannot enable PCI device, aborting.\n"); goto err_out_free_dev; } /*判断I/O区域是否是I/O内存，如果不是，则报错退出*/ 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; } /*分配I/O内存区域*/ if((err = pci_request_regions(pdev, DRV_NAME))) { DPRINTK(PROBE, ERR, "Cannot obtain PCI resources, aborting.\n"); goto err_out_disable_pdev; } /* * 告之内核自己的DMA寻址能力，这里不是很明白，因为从0xFFFFFFFF来看，本来就是内核默认的32了 * 为什么还要调用pci_set_dma_mask来重复设置呢？可能是对ULL而非UL不是很了解吧。 */ 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); /*分配完成后，映射I/O内存*/ 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_data) nic->flags |= ich; else nic->flags &= ~ich; /*设置设备私有数据结构的大部份默认参数*/ e100_get_defaults(nic); /* 初始化自旋锁，锅的初始化必须在调用 hw_reset 之前执行*/ spin_lock_init(&nic->cb_lock); spin_lock_init(&nic->cmd_lock); /* 硬件复位，通过向指定I/O端口设置复位指令实现. */ e100_hw_reset(nic); /* * PCI网卡被BIOS配置后，某些特性可能会被屏蔽掉。比如，多数BIOS都会清掉“master”位， * 这导致板卡不能随意向主存中拷贝数据。pci_set_master函数数会检查是否需要设置标志位， * 如果需要，则会将“master”位置位。 * PS：什么是PCI master？ * 不同于ISA总线，PCI总线的地址总线与数据总线是分时复用的。这样做的好处是，一方面 * 可以节省接插件的管脚数，另一方面便于实现突发数据传输。在做数据传输时，由一个PCI * 设备做发起者(主控，Initiator或Master)，而另一个PCI设备做目标(从设备，Target或Slave)。 * 总线上的所有时序的产生与控制，都由Master来发起。PCI总线在同一时刻只能供一对设备完成传输。 */ pci_set_master(pdev); /*添加两个内核定时器，watchdog和blink_timer*/ init_timer(&nic->watchdog); nic->watchdog.function = e100_watchdog; nic->watchdog.data = (unsigned long)nic; init_timer(&nic->blink_timer); nic->blink_timer.function = e100_blink_led; nic->blink_timer.data = (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; } /*phy寄存器初始化*/ 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; } /* Wol magic packet can be enabled from eeprom */ if((nic->mac >= mac_82558_D101_A4) && (nic->eeprom[eeprom_id] & eeprom_id_wol)) nic->flags |= wol_magic; /* ack any pending wake events, disable PME */ pci_enable_wake(pdev, 0, 0); /*注册网络设备*/ 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_drvdata(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：

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CODE:

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；

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CODE:

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);
/* enable ints _after_ enabling poll, preventing a race between
* disable ints+schedule */
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：

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CODE:

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 || /* Not our interrupt */
stat_ack == stat_ack_not_present) /* Hardware is ejected */
return IRQ_NONE;

/* Ack interrupt(s) */
writeb(stat_ack, &nic->csr->scb.stat_ack);

/* We hit Receive No Resource (RNR); restart RU after cleaning */
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：

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CODE:

static int e100_poll(struct net_device *netdev, int *budget)
{
struct nic *nic = netdev_priv(netdev);
/*
* netdev->quota是当前CPU能够从所有接口中接收数据包的最大数目，budget是在
* 初始化阶段分配给接口的weight值，轮询函数必须接受二者之间的最小值。表示
* 轮询函数本次要处理的数据包个数。
*/
unsigned int work_to_do = min(netdev->quota, *budget);
unsigned int work_done = 0;
int tx_cleaned;

/*进行数据包的接收和传输*/
e100_rx_clean(nic, &work_done, work_to_do);
tx_cleaned = e100_tx_clean(nic);

/*接收和传输完成后，就退出poll模块，重启中断*/
/* 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;
}

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;

/* Indicate newly arrived packets */
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)++;
}
}

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！

五、队列层

1、软中断与下半部
当用中断处理的时候，为了减少中断处理的工作量，比如，一般中断处理时，需要屏蔽其它中断，如果中断处理时间过长，那么其它中断
有可能得不到及时处理，也以，有一种机制，就是把“不必马上处理”的工作，推迟一点，让它在中断处理后的某一个时刻得到处理。这就
是下半部。

下半部只是一个机制，它在Linux中，有多种实现方式，其中一种对时间要求最严格的实现方式，叫“软中断”，可以使用:

open_softirq()

来向内核注册一个软中断，
然后，在合适的时候，调用

raise_softirq_irqoff()

触发它。

如果采用中断方式接收数据（这一节就是在说中断方式接收，后面，就不用这种假设了），同样也需要软中断，可以调用

open_softirq(NET_RX_SOFTIRQ, net_rx_action, NULL);

向内核注册一个名为NET_RX_SOFTIR的软中断，net_rx_action是软中断的处理函数。

然后，在驱动中断处理完后的某一个时刻，调用

raise_softirq_irqoff(NET_RX_SOFTIRQ)；

触发它，这样net_rx_action将得到执行。

2、队列层
什么是队列层？通常，在网卡收发数据的时候，需要维护一个缓冲区队列，来缓存可能存在的突发数据，类似于前面的DMA环形缓冲区。
队列层中，包含了一个叫做struct softnet_data：

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CODE:

struct softnet_data
{
/*throttle 用于拥塞控制，当拥塞发生时，throttle将被设置，后续进入的数据包将被丢弃*/
int throttle;
/*netif_rx函数返回的拥塞级别*/
int cng_level;
int avg_blog;
/*softnet_data 结构包含一个指向接收和传输队列的指针，input_pkt_queue成员指向准备传送
给网络层的sk_buffs包链表的首部的指针，这个队列中的包是由netif_rx函数递交的*/
struct sk_buff_head input_pkt_queue;

struct list_head poll_list;
struct net_device *output_queue;
struct sk_buff *completion_queue;

struct net_device backlog_dev; /* Sorry. 8) */
};

内核使用了一个同名的变量softnet_data，它是一个Per-CPU变量，每个CPU都有一个。

net/core/dev.c

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CODE:

DECLARE_PER_CPU(struct softnet_data,softnet_data);

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CODE:

/*
* 网络模块的核心处理模块.
*/
static int __init net_dev_init(void)
{
int i, rc = -ENOMEM;

BUG_ON(!dev_boot_phase);

net_random_init();

if (dev_proc_init()) /*初始化proc文件系统*/
goto out;

if (netdev_sysfs_init()) /*初始化sysfs文件系统*/
goto out;

/*ptype_all和ptype_base是重点，后面会详细分析，它们都是
struct list_head类型变量，这里初始化链表成员*/
INIT_LIST_HEAD(&ptype_all);
for (i = 0; i < 16; i++)
INIT_LIST_HEAD(&ptype_base[i]);

for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(dev_name_head); i++)
INIT_HLIST_HEAD(&dev_name_head[i]);

for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(dev_index_head); i++)
INIT_HLIST_HEAD(&dev_index_head[i]);

/*
* 初始化包接收队列，这里我们的重点了.
*/

/*遍历每一个CPU，取得它的softnet_data，我们说过，它是一个struct softnet_data的Per-CPU变量*/
for (i = 0; i < NR_CPUS; i++) {
struct softnet_data *queue;

/*取得第i个CPU的softnet_data，因为队列是包含在它里边的，所以，我会直接说，“取得队列”*/
queue = &per_cpu(softnet_data, i);
/*初始化队列头*/
skb_queue_head_init(&queue->input_pkt_queue);
queue->throttle = 0;
queue->cng_level = 0;
queue->avg_blog = 10; /* arbitrary non-zero */
queue->completion_queue = NULL;
INIT_LIST_HEAD(&queue->poll_list);
set_bit(__LINK_STATE_START, &queue->backlog_dev.state);
queue->backlog_dev.weight = weight_p;
/*这里，队列中backlog_dev设备，它是一个伪网络设备，不对应任何物理设备，它的poll函数，指向了
process_backlog，后面我们会详细分析*/
queue->backlog_dev.poll = process_backlog;
atomic_set(&queue->backlog_dev.refcnt, 1);
}

#ifdef OFFLINE_SAMPLE
samp_timer.expires = jiffies + (10 * HZ);
add_timer(&samp_timer);
#endif

dev_boot_phase = 0;

/*注册收/发软中断*/
open_softirq(NET_TX_SOFTIRQ, net_tx_action, NULL);
open_softirq(NET_RX_SOFTIRQ, net_rx_action, NULL);

hotcpu_notifier(dev_cpu_callback, 0);
dst_init();
dev_mcast_init();
rc = 0;
out:
return rc;
}

这样，初始化完成后，在驱动程序中，在中断处理函数中，会调用netif_rx将数据交上来，这与采用轮询技术，有本质的不同：

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CODE:

int netif_rx(struct sk_buff *skb)
{
int this_cpu;
struct softnet_data *queue;
unsigned long flags;

/* if netpoll wants it, pretend we never saw it */
if (netpoll_rx(skb))
return NET_RX_DROP;

/*接收时间戳未设置，设置之*/
if (!skb->stamp.tv_sec)
net_timestamp(&skb->stamp);

/*
* 这里准备将数据包放入接收队列，需要禁止本地中断，在入队操作完成后，再打开中断.
*/
local_irq_save(flags);
/*获取当前CPU对应的softnet_data变量*/
this_cpu = smp_processor_id();
queue = &__get_cpu_var(softnet_data);

/*接收计数器累加*/
__get_cpu_var(netdev_rx_stat).total++;

/*接收队列是否已满*/
if (queue->input_pkt_queue.qlen <= netdev_max_backlog) {
if (queue->input_pkt_queue.qlen) {
if (queue->throttle) /*拥塞发生了，丢弃数据包*/
goto drop;

/*数据包入队操作*/
enqueue:
dev_hold(skb->dev); /*累加设备引入计数器*/
__skb_queue_tail(&queue->input_pkt_queue, skb); /*将数据包加入接收队列*/
#ifndef OFFLINE_SAMPLE
get_sample_stats(this_cpu);
#endif
local_irq_restore(flags);
return queue->cng_level;
}

/*
* 驱动程序不断地调用net_rx函数，实现接收数据包的入队操作，当qlen == 0时， 则进入这段代码，这里，如果已经被设置拥塞标志的话，则清除它，因为这里将要调用软中断，开始将数据包交给 上层了，即上层协议的接收函数将执行出队操作，拥塞自然而然也就不存在了。 */
if (queue->throttle)
queue->throttle = 0;

/*
* netif_rx_schedule函数完成两件重要的工作：
* 1、将bakclog_dev设备加入“处理数据包的设备”的链表当中；
* 2、触发软中断函数，进行数据包接收处理；
*/
netif_rx_schedule(&queue->backlog_dev);
goto enqueue;
}

/*前面判断了队列是否已满，如果已满而标志未设置，设置之，并累加拥塞计数器*/
if (!queue->throttle) {
queue->throttle = 1;
__get_cpu_var(netdev_rx_stat).throttled++;
}

/*拥塞发生，累加丢包计数器，释放数据包*/
drop:
__get_cpu_var(netdev_rx_stat).dropped++;
local_irq_restore(flags);

kfree_skb(skb);
return NET_RX_DROP;
}

从 这段代码的分析中，我们可以看到，当第一个数据包被接收后，因为qlen==0，所以首先会调用netif_rx_schedule触发软中断，然后利用 goto跳转至入队。因为软中断被触发后，将执行出队操作，把数据交往上层处理。而当这个时候，又有数据包进入，即网卡中断产生，因为它的优先级高过软中 断，这样，出队操作即被中断，网卡中断程序再将被调用，netif_rx函数又再次被执行，如果队列未满，就入队返回。中断完成后，软中断的执行过程被恢 复而继续执行出队——如此生产者／消费者循环不止，生生不息……

netif_rx调用netif_rx_schedule进一步处理数据包，我们注意到：
1、前面讨论过，采用轮询技术时，同样地，也是调用netif_rx_schedule，把设备自己传递了过去；
2、这里，采用中断方式，传递的是队列中的一个“伪设备”，并且，这个伪设备的poll函数指针，指向了一个叫做process_backlog的函数；

netif_rx_schedule函数完成两件重要的工作：
1、将bakclog_dev设备加入“处理数据包的设备”的链表当中；
2、触发软中断函数，进行数据包接收处理；

这样，我们可以猜想，在软中断函数中，不论是伪设备bakclog_dev，还是真实的设备（如前面讨论过的e100），都会被软中断函数以：
dev->poll()
的形式调用，对于e100来说，poll函数的接收过程已经分析了，而对于其它所有没有采用轮询技术的网络设备来说，它们将统统调用
process_backlog函数（我觉得把它改名为pseudo-poll是否更合适一些^o^）。

OK，我想分析到这里，关于中断处理与轮询技术的差异，已经基本分析开了……

继续来看，netif_rx_schedule进一步调用__netif_rx_schedule：

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CODE:

/* Try to reschedule poll. Called by irq handler. */

static inline void netif_rx_schedule(struct net_device *dev)
{
if (netif_rx_schedule_prep(dev))
__netif_rx_schedule(dev);
}

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CODE:

/* Add interface to tail of rx poll list. This assumes that _prep has
* already been called and returned 1.
*/

static inline void __netif_rx_schedule(struct net_device *dev)
{
unsigned long flags;

local_irq_save(flags);
dev_hold(dev);
/*伪设备也好，真实的设备也罢，都被加入了队列层的设备列表*/
list_add_tail(&dev->poll_list, &__get_cpu_var(softnet_data).poll_list);
if (dev->quota < 0)
dev->quota += dev->weight;
else
dev->quota = dev->weight;
/*触发软中断*/
__raise_softirq_irqoff(NET_RX_SOFTIRQ);
local_irq_restore(flags);
}

软中断被触发，注册的net_rx_action函数将被调用：

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CODE:

/*接收的软中断处理函数*/
static void net_rx_action(struct softirq_action *h)
{
struct softnet_data *queue = &__get_cpu_var(softnet_data);
unsigned long start_time = jiffies;
int budget = netdev_max_backlog;


local_irq_disable();

/*
* 遍历队列的设备链表，如前所述，__netif_rx_schedule已经执行了
* list_add_tail(&dev->poll_list, &__get_cpu_var(softnet_data).poll_list);
* 设备bakclog_dev已经被添加进来了
*/
while (!list_empty(&queue->poll_list)) {
struct net_device *dev;

if (budget <= 0 || jiffies - start_time > 1)
goto softnet_break;

local_irq_enable();

/*取得链表中的设备*/
dev = list_entry(queue->poll_list.next,
struct net_device, poll_list);
netpoll_poll_lock(dev);

/*调用设备的poll函数，处理接收数据包，这样，采用轮询技术的网卡，它的真实的poll函数将被调用，
这就回到我们上一节讨论的e100_poll函数去了，而对于采用传统中断处理的设备，它们调用的，都将是
bakclog_dev的process_backlog函数*/
if (dev->quota <= 0 || dev->poll(dev, &budget)) {
netpoll_poll_unlock(dev);

/*处理完成后，把设备从设备链表中删除，又重置于末尾*/
local_irq_disable();
list_del(&dev->poll_list);
list_add_tail(&dev->poll_list, &queue->poll_list);
if (dev->quota < 0)
dev->quota += dev->weight;
else
dev->quota = dev->weight;
} else {
netpoll_poll_unlock(dev);
dev_put(dev);
local_irq_disable();
}
}
out:
local_irq_enable();
return;

softnet_break:
__get_cpu_var(netdev_rx_stat).time_squeeze++;
__raise_softirq_irqoff(NET_RX_SOFTIRQ);
goto out;
}

对于dev->poll(dev, &budget)的调用，一个真实的poll函数的例子，我们已经分析过了，现在来看process_backlog，

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CODE:

static int process_backlog(struct net_device *backlog_dev, int *budget)
{
int work = 0;
int quota = min(backlog_dev->quota, *budget);
struct softnet_data *queue = &__get_cpu_var(softnet_data);
unsigned long start_time = jiffies;

backlog_dev->weight = weight_p;

/*在这个循环中，执行出队操作，把数据从队列中取出来，交给netif_receive_skb，直至队列为空*/
for (;;) {
struct sk_buff *skb;
struct net_device *dev;

local_irq_disable();
skb = __skb_dequeue(&queue->input_pkt_queue);
if (!skb)
goto job_done;
local_irq_enable();

dev = skb->dev;

netif_receive_skb(skb);

dev_put(dev);

work++;

if (work >= quota || jiffies - start_time > 1)
break;

}

backlog_dev->quota -= work;
*budget -= work;
return -1;

/*当队列中的数据包被全部处理后，将执行到这里*/
job_done:
backlog_dev->quota -= work;
*budget -= work;

list_del(&backlog_dev->poll_list);
smp_mb__before_clear_bit();
netif_poll_enable(backlog_dev);

if (queue->throttle)
queue->throttle = 0;
local_irq_enable();
return 0;
}

这个函数重要的工作，就是出队，然后调用netif_receive_skb()将数据包交给上层，这与上一节讨论的poll是一样的。这也是为什么，
在网卡驱动的编写中，采用中断技术，要调用netif_rx，而采用轮询技术，要调用netif_receive_skb啦！

到了这里，就处理完数据包与设备相关的部分了，数据包将进入上层协议栈……