网络栈

Linux TCP/IP协议栈笔记（一）网卡驱动和队列层中的数据包接收

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：

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：

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;

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。

左牵黄，右擎苍，老夫聊发少年狂

(九贱) 管理员 UID 1 精华 积分 10 帖子 76 阅读权限 200 注册 2006-11-27 来自 中国重庆 状态 离线

发表于 2006-12-11 10:18          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： 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； 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； 左牵黄，右擎苍，老夫聊发少年狂

(九贱) 管理员 UID 1 精华 积分 10 帖子 76 阅读权限 200 注册 2006-11-27 来自 中国重庆 状态 离线

发表于 2006-12-11 11:17          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： 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： 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)++;         } } 未完，待续…… 左牵黄，右擎苍，老夫聊发少年狂

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发表于 2006-12-14 11:30          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： 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; } 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： 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！)： 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)++;         } } 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！ 左牵黄，右擎苍，老夫聊发少年狂

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发表于 2006-12-14 13:01          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： 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 CODE: DECLARE_PER_CPU(struct softnet_data,softnet_data); 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： 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： 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); } 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： 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， 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……