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2013年(75)

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分类: LINUX

2013-04-12 13:00:40

1. 总线、设备和驱动
1.1 简单介绍
        Linux设备模型中三个很重要的概念就是总线、设备和驱动,即bus,device和driver。它们分别对应的数据结构分别为struct bus_type,struct device和struct device_driver。
        总线是处理器与一个或多个设备之间的通道,在设备模型中,所有的设备都通过总线相连。在最底层,Linux系统中的每一个设备都用device结构的一个实例来表示。而驱动则是使总线上的设备能够完成它应该完成的功能
        在系统中有多种总线,如PCI总线、SCSI总线等。系统中的多个设备和驱动是通过总线让它们联系起来的。在bus_type中两个很重要的成员就是struct kset drivers和struct kset devices。它分别代表了连接在这个总线上的两个链,一个是设备链表,另一个则是设备驱动链表。也就是说,通过一个总线描述符,就可以找到挂载到这条总线上的设备,以及支持该总线的不同的设备驱动程序。
1.2 总线、设备与驱动的绑定
        在系统启动时,它会对每种类型的总线创建一个描述符,并将使用该总线的设备链接到该总线描述符的devices链上来。也即是说在系统初始化时,它会扫描连接了哪些设备,并且为每个设备建立一个struce device变量,然后将该变量链接到这个设备所连接的总线的描述符上去。另一方面,每当加载了一个设备驱动,则系统也会准备一个struct device_driver结构的变量,然后再将这个变量也链接到它所在总线的描述符的drivers链上去。       
        对于设备来说,在结构体struct device中有两个重要的成员,一个是struct bus_type *bus,另一个是struct device_driver *driver。bus成员就表示该设备是链接到哪一个总线上的,而driver成员就表示当前设备是由哪个驱动程序所驱动的。对于驱动程序来说,在结构体struct device_driver中也有两个成员,struct bus_type *bus和struct list_head devices,这里的bus成员也是指向这个驱动是链接到哪个总线上的,而devices这个链表则是表示当前这个驱动程序可以去进行驱动的那些设备。一个驱动程序可以支持一个或多个设备,而一个设备则只会绑定给一个驱动程序。
        对于device与device_driver之间建立联系的方式,主要有两种方式。第一种,在计算机启动的时候,总线开始扫描连接在其上的设备,为每个设备建立一个struct device变量并链接到该总线的devices链上,然后开始初始化不同的驱动程序,驱动程序到它所在的总线的devices链上去遍历每一个还没有被绑定给某个驱动的设备,然后再查看是否能够支持这种设备,如果它能够支持这种设备,则将这个设备与这个驱动联系起来。即,将这个设备的device变量加到驱动的devices链上,同时让struct device中的device_driver指向当前这个驱动。第二种则是热插拔。也即是在系统运行时插入了设备,此时内核会去查找在该bus链上注册了的device_driver,然后再将设备与驱动联系起来。设备与驱动根据什么规则联系起来,它们是如何被联系起来的代码我们将在后面的章节进行详细的描述。
1.3 PCI总线
        PCI是一种在CPU与I/O设备之间进行高速数据传输的一种总线。有很多设备都是使用PCI总线的,网卡就是其中之一。我们在前面讲了那些总线、设备与驱动方面的知识,原因就在于网卡是连接到PCI总线上,所以PCI总线、网卡设备以及网卡驱动就成了我们研究网卡的一个很重要的线索,尤其是在网络的链路层部分。下图显示了在一个系统中PCI设备的一个框图:
 pci.jpg
        PCI子系统声明了一个bus_type结构,为pci_bus_type。它就是PCI总线的描述符。在这个变量上,链接了PCI设备以及支持PCI设备的驱动程序。
1.4 PCI设备与驱动
        PCI设备通常由一组参数唯一地标识,它们被vendorID,deviceID和class nodes所标识,即设备厂商,型号等,这些参数保存在pci_device_id结构中。每个PCI设备都会被分配一个pci_dev变量,内核就用这个数据结构来表示一个PCI设备。
        所有的PCI驱动程序都必须定义一个pci_driver结构变量,在该变量中包含了这个PCI驱动程序所提供的不同功能的函数,同时,在这个结构中也包含了一个device_driver结构,这个结构定义了PCI子系统与PCI设备之间的接口。在注册PCI驱动程序时,这个结构将被初始化,同时这个pci_driver变量会被链接到pci_bus_type中的驱动链上去。
        在pci_driver中有一个成员struct pci_device_id *id_table,它列出了这个设备驱动程序所能够处理的所有PCI设备的ID值。
1.5 PCI设备与驱动的绑定过程
        下面描述一下对于PCI设备与驱动绑定的过程。首先在系统启动的时候,PCI总线会去扫描连接到这个总线上的设备,同时为每一个设备建立一个pci_dev结构,在这个结构中有一个device成员,并将这些pci_dev结构链接到PCI总线描述符上的devices链。如下图所示:
 ini1.jpg 
        第二步是当PCI驱动被加载时,pci_driver结构体将被初始化,这一过程在函数pci_register_driver中:
        drv->driver.bus = &pci_bus_type;
        drv->driver.probe = pci_device_probe;
        最后会调用driver_register(&drv->driver)将这个PCI驱动挂载到总线描述符的驱动链上。同时在注册的过程中,会根据pci_driver中的id_table中的ID值去查看该驱动支持哪些设备,将这些设备挂载到pci_driver中的devices链中来。如下图所示:
 ini2.jpg 
        对于不同的设备,可能驱动程序也不一样,因此,对于上图中的Dev3,可能就需要另外一个驱动程序来对其进行驱动。所以当加载了Dev3的驱动程序时,其示意图如下图所示:
ini3.jpg 
        上面这三个示意图就描述了总线、设备以及驱动在系统中是如何进行相互联系的。前面对于驱动注册这些函数的描述较为简单,因为网卡是一个PCI设备,因此在后面具体地讲到网卡注册时再来详细地讲解和PCI相关的注册等函数。
1.6 小结
        本部分主要讲解了总线、设备以及驱动方面的一些知识,由于网卡是一个PCI设备,因此具体地讲到了一点PCI总线、PCI设备及相应的PCI驱动方面的知识,但是由于PCI本身就是很大的一个子系统,因此这里不可能对其进行详细地讲解,在后面对网卡的分析中,将对网卡中涉及到的和PCI相关的部分进行讲解。
 
2. 网卡在PCI层的注册
2.1 数据结构
        前面第一章讲了总线、设备以及驱动方面的关系,也讲到了大多数网卡设备实际上是一个PCI设备。因此,本章就讲解网卡设备在注册时是如何注册到PCI总线上去的。在这里,以Intel的E100网卡驱动进行讲解。
        前面讲到每个PCI设备都由一组参数唯一地标识,这些参数保存在结构体pci_device_id中,如下所示:
  1. struct pci_device_id {
  2.         __u32 vendor, device;                /* Vendor and device ID or PCI_ANY_ID*/
  3.         __u32 subvendor, subdevice;        /* Subsystem ID's or PCI_ANY_ID */
  4.         __u32 class, class_mask;        /* (class,subclass,prog-if) triplet */
  5.         kernel_ulong_t driver_data;        /* Data private to the driver */
  6. };
        每个PCI设备驱动都有一个pci_driver变量,它描述了一个PCI驱动的信息,如下所示:
  1. struct pci_driver {
  2.         struct list_head node;
  3.         char *name;
  4.         const struct pci_device_id *id_table;        /* must be non-NULL for probe to be called */
  5.         int  (*probe)  (struct pci_dev *dev, const struct pci_device_id *id);        /* New device inserted */
  6.         void (*remove) (struct pci_dev *dev);        /* Device removed (NULL if not a hot-plug capable driver) */
  7.         int  (*suspend) (struct pci_dev *dev, pm_message_t state);        /* Device suspended */
  8.         int  (*suspend_late) (struct pci_dev *dev, pm_message_t state);
  9.         int  (*resume_early) (struct pci_dev *dev);
  10.         int  (*resume) (struct pci_dev *dev);                        /* Device woken up */
  11.         int  (*enable_wake) (struct pci_dev *dev, pci_power_t state, int enable);   /* Enable wake event */
  12.         void (*shutdown) (struct pci_dev *dev);

  13.         struct pci_error_handlers *err_handler;
  14.         struct device_driver        driver;
  15.         struct pci_dynids dynids;

  16.         int multithread_probe;
  17. };
        每个PCI驱动中都有一个id_table成员变量,记录了当前这个驱动所能够进行驱动的那些设备的ID值。
        对于E100网卡驱动来说,它的pci_driver变量定义为:
  1. static struct pci_driver e100_driver = {
  2.         .name =         DRV_NAME,
  3.         .id_table =     e100_id_table,
  4.         .probe =        e100_probe,
  5.         .remove =       __devexit_p(e100_remove),
  6. #ifdef CONFIG_PM
  7.         /* Power Management hooks */
  8.         .suspend =      e100_suspend,
  9.         .resume =       e100_resume,
  10. #endif
  11.         .shutdown =     e100_shutdown,
  12.         .err_handler = &e100_err_handler,
  13. };
        里面e100_id_table就表示该E100驱动所能够支持的PCI设备的ID号,其定义为:
  1. #define INTEL_8255X_ETHERNET_DEVICE(device_id, ich) {\
  2.         PCI_VENDOR_ID_INTEL, device_id, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, \
  3.         PCI_CLASS_NETWORK_ETHERNET << 8, 0xFFFF00, ich }
  4. static struct pci_device_id e100_id_table[] = {
  5.         INTEL_8255X_ETHERNET_DEVICE(0x1029, 0),
  6.         INTEL_8255X_ETHERNET_DEVICE(0x1030, 0),
  7.         …
  8.         { 0, }
  9. };
        当PCI层检测到一个PCI设备能够被某PCI驱动所支持时(这是通过函数pci_match_one_device来进行检测的),就会调用这个PCI驱动上的probe函数,在该函数中会对该特定的PCI设备进行一些具体的初始化等操作。比如对于E100设备驱动来说,其probe函数为e100_probe。在这个函数中,会对网卡设备进行初始化。
        e100_probe主要就涉及到网卡设备net_device的初始化,我们现在先来关注一下从网卡注册一直到调用e100_probe这一个过程的整个流程。
2.2 E100初始化
        E100驱动程序的初始化是在函数e100_init_module()中的,如下:
  1. static int __init e100_init_module(void)
  2. {
  3.         if(((1 << debug) - 1) & NETIF_MSG_DRV) {
  4.                 printk(KERN_INFO PFX "%s, %s\n", DRV_DESCRIPTION, DRV_VERSION);
  5.                 printk(KERN_INFO PFX "%s\n", DRV_COPYRIGHT);
  6.         }
  7.         return pci_register_driver(&e100_driver);
  8. }
        在这个函数中,调用了pci_register_driver()函数,对e100_driver这个驱动进行注册。
2.3 PCI注册
        在前面我们已经看到,PCI的注册就是将PCI驱动程序挂载到其所在的总线的drivers链,同时扫描PCI设备,将它能够进行驱动的设备挂载到driver上的devices链表上来,这里,我们将详细地查看这整个流程的函数调用关系。
        pci_register_driver()->__pci_register_driver()
  1. /**
  2. * __pci_register_driver - register a new pci driver
  3. * @drv: the driver structure to register
  4. * @owner: owner module of drv
  5. * @mod_name: module name string
  6. *
  7. * Adds the driver structure to the list of registered drivers.
  8. * Returns a negative value on error, otherwise 0.
  9. * If no error occurred, the driver remains registered even if
  10. * no device was claimed during registration.
  11. */       
  12. int __pci_register_driver(struct pci_driver *drv, struct module *owner, const char *mod_name);
  13.         在函数中有几个初始化语句:
  14.         drv->driver.name = drv->name;
  15.         drv->driver.bus = &pci_bus_type;
  16.         drv->driver.owner = owner;
  17.         drv->driver.mod_name = mod_name;
        即是将PCI设备中的driver变量的总线指向pci_bus_type这个总线描述符,同时设置驱动的名字等。
        pci_bus_type定义如下:
  1. struct bus_type pci_bus_type = {
  2.         .name                = "pci",
  3.         .match                = pci_bus_match,
  4.         .uevent                = pci_uevent,
  5.         .probe                = pci_device_probe,
  6.         .remove                = pci_device_remove,
  7.         .suspend        = pci_device_suspend,
  8.         .suspend_late        = pci_device_suspend_late,
  9.         .resume_early        = pci_device_resume_early,
  10.         .resume                = pci_device_resume,
  11.         .shutdown        = pci_device_shutdown,
  12.         .dev_attrs        = pci_dev_attrs,
  13. };
        然后再调用函数driver_register(&drv->driver);通过这个函数将这个PCI驱动中的struct device_driver driver成员变量注册到系统中去。
        pci_register_driver()->__pci_register_driver()->driver_register()
        driver_register()代码如下:
  1. /**
  2. *        driver_register - register driver with bus
  3. *        @drv:        driver to register
  4. *
  5. *        We pass off most of the work to the bus_add_driver() call,
  6. *        since most of the things we have to do deal with the bus
  7. *        structures.
  8. *
  9. *        The one interesting aspect is that we setup @drv->unloaded
  10. *        as a completion that gets complete when the driver reference
  11. *        count reaches 0.
  12. */
  13. int driver_register(struct device_driver * drv)
  14. {
  15.         if ((drv->bus->probe && drv->probe) ||
  16.             (drv->bus->remove && drv->remove) ||
  17.             (drv->bus->shutdown && drv->shutdown)) {
  18.                 printk(KERN_WARNING "Driver '%s' needs updating - please use bus_type methods\n", drv->name);
  19.         }
  20.         klist_init(&drv->klist_devices, NULL, NULL);
  21.         init_completion(&drv->unloaded);
  22.         return bus_add_driver(drv);
  23. }
        klist_init()是为设备驱动的klist_devices成员进行初始化,这个klist_devices是一个对链表进行操作的包裹结构,它会链接这个驱动能够支持的那些设备。
        最后就调用bus_add_driver()函数。这个函数的功能就是将这个驱动加到其所在的总线的驱动链上。
        pci_register_driver()->__pci_register_driver()->driver_register()->bus_add_driver()->driver_attach()
        在bus_add_driver()函数中,最重要的是调用driver_attach()函数,其定义如下:
  1. /**
  2. *        driver_attach - try to bind driver to devices.
  3. *        @drv:        driver.
  4. *
  5. *        Walk the list of devices that the bus has on it and try to
  6. *        match the driver with each one.  If driver_probe_device()
  7. *        returns 0 and the @dev->driver is set, we've found a
  8. *        compatible pair.
  9. */
  10. int driver_attach(struct device_driver * drv)
  11. {
  12.         return bus_for_each_dev(drv->bus, NULL, drv, __driver_attach);
  13. }
        该函数遍历这个驱动所在的总线上的所有设备,然后将这些设备与当前驱动进行匹配,以检测这个驱动是否能够支持某个设备,也即是将设备与驱动联系起来。
        bus_for_each_dev函数是扫描在drv->bus这个总线上的所有设备,然后将每个设备以及当前驱动这两个指针传递给__driver_attach函数。
        pci_register_driver()->__pci_register_driver()->driver_register()->bus_add_driver()->driver_attach()->__driver_attach()
        __driver_attach()函数是将驱动与设备联系起来的函数。
  1. static int __driver_attach(struct device * dev, void * data)
  2. {
  3.         struct device_driver * drv = data;

  4.         /*
  5.          * Lock device and try to bind to it. We drop the error
  6.          * here and always return 0, because we need to keep trying
  7.          * to bind to devices and some drivers will return an error
  8.          * simply if it didn't support the device.
  9.          *
  10.          * driver_probe_device() will spit a warning if there
  11.          * is an error.
  12.          */

  13.         if (dev->parent)        /* Needed for USB */
  14.                 down(&dev->parent->sem);
  15.         down(&dev->sem);
  16.         if (!dev->driver)
  17.                 driver_probe_device(drv, dev);
  18.         up(&dev->sem);
  19.         if (dev->parent)
  20.                 up(&dev->parent->sem);

  21.         return 0;
  22. }
        在函数中有两条语句:
  1.         if (!dev->driver)
  2.                 driver_probe_device(drv, dev);
        也即是判断当前设备是否已经注册了一个驱动,如果没有注册驱动,则调用driver_probe_device()函数。
        pci_register_driver()->__pci_register_driver()->driver_register()->bus_add_driver()->driver_attach()->__driver_attach()->driver_probe_device()
        如下:
  1. /**
  2. * driver_probe_device - attempt to bind device & driver together
  3. * @drv: driver to bind a device to
  4. * @dev: device to try to bind to the driver
  5. *
  6. * First, we call the bus's match function, if one present, which should
  7. * compare the device IDs the driver supports with the device IDs of the
  8. * device. Note we don't do this ourselves because we don't know the
  9. * format of the ID structures, nor what is to be considered a match and
  10. * what is not.
  11. *
  12. * This function returns 1 if a match is found, an error if one occurs
  13. * (that is not -ENODEV or -ENXIO), and 0 otherwise.
  14. *
  15. * This function must be called with @dev->sem held.  When called for a
  16. * USB interface, @dev->parent->sem must be held as well.
  17. */
  18. int driver_probe_device(struct device_driver * drv, struct device * dev)
  19. {
  20.         struct stupid_thread_structure *data;
  21.         struct task_struct *probe_task;
  22.         int ret = 0;

  23.         if (!device_is_registered(dev))
  24.                 return -ENODEV;
  25.         if (drv->bus->match && !drv->bus->match(dev, drv))
  26.                 goto done;

  27.         pr_debug("%s: Matched Device %s with Driver %s\n",
  28.                  drv->bus->name, dev->bus_id, drv->name);

  29.         data = kmalloc(sizeof(*data), GFP_KERNEL);
  30.         if (!data)
  31.                 return -ENOMEM;
  32.         data->drv = drv;
  33.         data->dev = dev;

  34.         if (drv->multithread_probe) {
  35.                 probe_task = kthread_run(really_probe, data,
  36.                                          "probe-%s", dev->bus_id);
  37.                 if (IS_ERR(probe_task))
  38.                         ret = really_probe(data);
  39.         } else
  40.                 ret = really_probe(data);

  41. done:
  42.         return ret;
  43. }       
        该函数首先会调用总线上的match函数,以判断当前的PCI驱动能否支持该PCI设备,如果可以,则继续往后面执行。
        drv->bus->match函数也即是pci_bus_type中的match成员变量,它为pci_bus_match函数。
        pci_register_driver()->__pci_register_driver()->driver_register()->bus_add_driver()->driver_attach()->__driver_attach()->driver_probe_device()->pci_bus_match()
  1. /**
  2. * pci_bus_match - Tell if a PCI device structure has a matching PCI device id structure
  3. * @dev: the PCI device structure to match against
  4. * @drv: the device driver to search for matching PCI device id structures
  5. *
  6. * Used by a driver to check whether a PCI device present in the
  7. * system is in its list of supported devices. Returns the matching
  8. * pci_device_id structure or %NULL if there is no match.
  9. */
  10. static int pci_bus_match(struct device *dev, struct device_driver *drv)
  11. {
  12.         struct pci_dev *pci_dev = to_pci_dev(dev);
  13.         struct pci_driver *pci_drv = to_pci_driver(drv);
  14.         const struct pci_device_id *found_id;

  15.         found_id = pci_match_device(pci_drv, pci_dev);
  16.         if (found_id)
  17.                 return 1;

  18.         return 0;
  19. }
        pci_bus_match函数的作用就是将PCI设备与PCI驱动进行比较以检查该驱动是否能够支持这个设备。在函数的最前面是两个宏to_pci_dev和to_pci_driver。因为在函数执行的过程中,虽然最开始传进来的是pci_driver结构与pci_dev结构,但是在执行的时候却取了这两个结构体中的device_driver和device成员变量,所以现在就要通过这两个成员变量找到之前对应的pci_driver和pci_dev结构的地址。
#define        to_pci_dev(n) container_of(n, struct pci_dev, dev)
#define        to_pci_driver(drv) container_of(drv,struct pci_driver, driver)
        这两个宏在 3rd书上有相应的讲解,这里也就是找到E100的pci_driver:e100_driver以及该网卡设备的pci_dev结构。现在就要对它们进行比较以看它们之间是否能够联系起来。这是通过函数pci_match_device实现的。
        pci_register_driver()->__pci_register_driver()->driver_register()->bus_add_driver()->driver_attach()->__driver_attach()->driver_probe_device()->pci_bus_match()->pci_match_device()
  1. /**
  2. * pci_match_device - Tell if a PCI device structure has a matching PCI device id structure
  3. * @drv: the PCI driver to match against
  4. * @dev: the PCI device structure to match against
  5. *
  6. * Used by a driver to check whether a PCI device present in the
  7. * system is in its list of supported devices.  Returns the matching
  8. * pci_device_id structure or %NULL if there is no match.
  9. */
  10. const struct pci_device_id *pci_match_device(struct pci_driver *drv,
  11.                                              struct pci_dev *dev)
  12. {
  13.         struct pci_dynid *dynid;

  14.         /* Look at the dynamic ids first, before the static ones */
  15.         spin_lock(&drv->dynids.lock);
  16.         list_for_each_entry(dynid, &drv->dynids.list, node) {
  17.                 if (pci_match_one_device(&dynid->id, dev)) {
  18.                         spin_unlock(&drv->dynids.lock);
  19.                         return &dynid->id;
  20.                 }
  21.         }
  22.         spin_unlock(&drv->dynids.lock);

  23.         return pci_match_id(drv->id_table, dev);
  24. }
        pci_match_one_driver函数的作用是将一个PCI设备与PCI驱动进行比较,以查看它们是否相匹配。如果相匹配,则返回匹配的pci_device_id结构体指针。
        此时,如果该PCI驱动已经找到了一个可以想符的PCI设备,则返回,然后再退回到之前的driver_probe_device函数中。在该函数最后将调用really_probe函数。将device_driver与device结构体指针作为参数传递到这个函数中。下面几行是调用驱动或者总线的probe函数来扫描设备。
        pci_register_driver()->__pci_register_driver()->driver_register()->bus_add_driver()->driver_attach()->__driver_attach()->driver_probe_device()->really_probe()
        在函数really_probe()中:
  1.         if (dev->bus->probe) {
  2.                 ret = dev->bus->probe(dev);
  3.                 if (ret)
  4.                         goto probe_failed;
  5.         } else if (drv->probe) {
  6.                 ret = drv->probe(dev);
  7.                 if (ret)
  8.                         goto probe_failed;
  9.         }
        此时的dev->bus为pci_bus_type,其probe函数则对应为:pci_device_probe。
        pci_register_driver()->__pci_register_driver()->driver_register()->bus_add_driver()->driver_attach()->__driver_attach()->driver_probe_device()->really_probe()->pci_device_probe()
        同样,在该函数中会获得当前的PCI设备的pci_dev结构体指针以及PCI驱动程序的pci_driver结构体指针。分别使用宏to_pci_dev和to_pci_driver。最后则调用函数__pci_device_probe。在该函数中还会调用函数pci_call_probe,这是最后的函数
        pci_register_driver()->__pci_register_driver()->driver_register()->bus_add_driver()->driver_attach()->__driver_attach()->driver_probe_device()->really_probe()->pci_device_probe()->__pci_device_probe()->pci_call_probe()
        在函数pci_call_probe里有一条语句:
  1. static int pci_call_probe(struct pci_driver *drv, struct pci_dev *dev,
  2.                           const struct pci_device_id *id)
  3. {
  4.         int error;
  5. /*  省略  */
  6.         error = drv->probe(dev, id);
        在此处就调用了pci_driver的probe函数,对于这里的E100驱动来说,它的probe函数是最开始注册的e100_probe函数,在该函数中会完成对网卡设备net_device的初始化等操作。
  1.         pci_register_driver()->__pci_register_driver()->driver_register()->bus_add_driver()->driver_attach()->__driver_attach()->driver_probe_device()->really_probe()->pci_device_probe()->__pci_device_probe()->pci_call_probe()->e100_probe()
        到这里,我们对网卡驱动的PCI层的初始化分析就告一个段落了,剩下的部分就是网卡驱动对网卡设备本身的初始化等操作。
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