概述 一.linux系統設備驅動程序概述 1.1 linux設備驅動程序分類 linux設備驅動程序在 Linux 的內核源代碼中占有很大的比例，源代碼的長度日益增加，主要是驅動程序的增加。在Linux內核的不斷升級過程中，驅動程序的結構還是相對穩定。在2.0.xx到2.2.xx的變動
概述 一.linux系統設備驅動程序概述 1.1 linux設備驅動程序分類
linux設備驅動程序在
Linux的內核源代碼中占有很大的比例，源代碼的長度日益增加，主要是驅動程序的增加。在Linux內核的不斷升級過程中，驅動程序的結構還是相對穩定。在2.0.xx到2.2.xx的變動裡，驅動程序的編寫做了一些改變，但是從2.0.xx的驅動到2.2.xx的移植只需做少量的工作。
linux系統的設備分為字符設備(char device)，塊設備(block device)和網絡設備(network device)三種。字符設備是指存取時沒有緩存的設備。塊設備的讀寫都有緩存來支持，並且塊設備必須能夠隨機存取(random a
clearcase/" target="_blank" >ccess)，字符設備則沒有這個要求。典型的字符設備包括鼠標，鍵盤，串行口等。塊設備主要包括硬盤軟盤設備，CD-ROM等。一個文件系統要安裝進入操作系統必須在塊設備上。
網絡設備在linux裡做專門的處理。Linux的網絡系統主要是基於BSD
unix的socket機制。在系統和驅動程序之間定義有專門的數據結構(sk_buff)進行數據的傳遞。系統裡支持對發送數據和接收數據的緩存，提供流量控制機制，提供對多協議的支持。
1.2 編寫驅動程序的一些基本概念
無論是什麼操作系統的驅動程序，都有一些通用的概念。操作系統提供給驅動程序的支持也大致相同。下面簡單介紹一下網絡設備驅動程序的一些基本要求。
1.2.1 發送和接收
這是一個網絡設備最基本的功能。一塊網卡所做的無非就是收發工作。所以驅動程序裡要告訴系統你的發送函數在哪裡，系統在有數據要發送時就會調用你的發送程序。還有驅動程序由於是直接操縱硬件的，所以網絡硬件有數據收到最先能得到這個數據的也就是驅動程序，它負責把這些原始數據進行必要的處理然後送給系統。這裡，操作系統必須要提供兩個機制，一個是找到驅動程序的發送函數，一個是驅動程序把收到的數據送給系統。
1.2.2 中斷
中斷在現代計算機結構中有重要的地位。操作系統必須提供驅動程序響應中斷的能力。一般是把一個中斷處理程序注冊到系統中去。操作系統在硬件中斷發生後調用驅動程序的處理程序。linux支持中斷的共享，即多個設備共享一個中斷。
1.2.3 時鐘
在實現驅動程序時，很多地方會用到時鐘。如某些協議裡的超時處理，沒有中斷機制的硬件的輪詢等。操作系統應為驅動程序提供定時機制。一般是在預定的時間過了以後回調注冊的時鐘函數。在網絡驅動程序中，如果硬件沒有中斷功能，定時器可以提供輪詢(poll)方式對硬件進行存取。或者是實現某些協議時需要的超時重傳等。
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設備驅動 二.linux系統網絡設備驅動程序 2.1 網絡驅動程序的結構
所有的linux網絡驅動程序遵循通用的接口。設計時采用的是
面向對象的方法。一個設備就是一個對象(device 結構)，它內部有自己的數據和方法。每一個設備的方法被調用時的第一個參數都是這個設備對象本身。這樣這個方法就可以存取自身的數據(類似面向對象程序設計時的this引用)。
一個網絡設備最基本的方法有初始化、發送和接收。
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|deliver packets | |receive packets queue|
|(dev_queue_xmit()) | |them(netif_rx()) |
------------------- ---------------------
| | /
/ | |
-------------------------------------------------------
| methods and variables(initialize,open,close,hard_xmit,|
| inter
rupt handler,config,resources,status...) |
-------------------------------------------------------
| | /
/ | |
----------------- ----------------------
|send to hardware | |receivce from hardware|
----------------- ----------------------
| | /
/ | |
-----------------------------------------------------
| hardware media |
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初始化程序完成硬件的初始化、device中變量的初始化和系統資源的申請。發送程序是在驅動程序的上層協議層有數據要發送時自動調用的。一般驅動程序中不對發送數據進行緩存，而是直接使用硬件的發送功能把數據發送出去。接收數據一般是通過硬件中斷來通知的。在中斷處理程序裡，把硬件幀信息填入一個skbuff結構中，然後調用netif_rx()傳遞給上層處理。
2.2 網絡驅動程序的基本方法
網絡設備做為一個對象，提供一些方法供系統訪問。正是這些有統一接口的方法，掩蔽了硬件的具體細節，讓系統對各種網絡設備的訪問都采用統一的形式，做到硬件無關性。
下面解釋最基本的方法。
2.2.1 初始化(initialize)
驅動程序必須有一個初始化方法。在把驅動程序載入系統的時候會調用這個初始化程序。它做以下幾方面的工作。檢測設備。在初始化程序裡你可以根據硬件的特征檢查硬件是否存在，然後決定是否啟動這個驅動程序。配置和初始化硬件。在初始化程序裡你可以完成對硬件資源的配置，比如即插即用的硬件就可以在這個時候進行配置(linux內核對PnP功能沒有很好的支持，可以在驅動程序裡完成這個功能)。配置或協商好硬件占用的資源以後，就可以向系統申請這些資源。有些資源是可以和別的設備共享的，如中斷。有些是不能共享的，如IO、DMA。接下來你要初始化device結構中的變量。最後，你可以讓硬件正式開始工作。
2.2.2 打開(open)
open這個方法在網絡設備驅動程序裡是網絡設備被激活的時候被調用(即設備狀態由down-->up)。所以實際上很多在initialize中的工作可以放到這裡來做。比如資源的申請，硬件的激活。如果dev->open返回非0(error)，則硬件的狀態還是down。
open方法另一個作用是如果驅動程序做為一個模塊被裝入，則要防止模塊卸載時設備處於打開狀態。在open方法裡要調用MOD_INC_USE_COUNT宏。
2.2.3 關閉(stop)
close方法做和open相反的工作。可以釋放某些資源以減少系統負擔。close是在設備狀態由up轉為down時被調用的。另外如果是做為模塊裝入的驅動程序，close裡應該調用MOD_DEC_USE_COUNT，減少設備被引用的次數，以使驅動程序可以被卸載。
另外close方法必須返回成功(0==success)。
2.2.4 發送(hard_start_xmit)
所有的網絡設備驅動程序都必須有這個發送方法。在系統調用驅動程序的xmit時，發送的數據放在一個sk_buff結構中。一般的驅動程序把數據傳給硬件發出去。也有一些特殊的設備比如loopback把數據組成一個接收數據再回送給系統，或者dummy設備直接丟棄數據。
如果發送成功，hard_start_xmit方法裡釋放sk_buff，返回0(發送成功)。如果設備暫時無法處理，比如硬件忙，則返回1。這時如果dev->tbusy置為非0，則系統認為硬件忙，要等到dev->tbusy置0以後才會再次發送。tbusy的置0任務一般由中斷完成。硬件在發送結束後產生中斷，這時可以把tbusy置0，然後用mark_bh()調用通知系統可以再次發送。在發送不成功的情況下，也可以不置dev->tbusy為非0，這樣系統會不斷嘗試重發。如果hard_start_xmit發送不成功，則不要釋放sk_buff。
傳送下來的sk_buff中的數據已經包含硬件需要的幀頭。所以在發送方法裡不需要再填充硬件幀頭，數據可以直接提交給硬件發送。sk_buff是被鎖住的(locked)，確保其他程序不會存取它。
2.2.5 接收(reception)
驅動程序並不存在一個接收方法。有數據收到應該是驅動程序來通知系統的。一般設備收到數據後都會產生一個中斷，在中斷處理程序中驅動程序申請一塊sk_buff(skb)，從硬件讀出數據放置到申請好的緩沖區裡。接下來填充sk_buff中的一些信息。skb->dev = dev，判斷收到幀的協議類型，填入skb->protocol(多協議的支持)。把指針skb->mac.raw指向硬件數據然後丟棄硬件幀頭(skb_pull)。還要設置skb->pkt_type，標明第二層(鏈路層)數據類型。可以是以下類型：
PACKET_BROADCAST : 鏈路層廣播
PACKET_MULTICAST : 鏈路層組播
PACKET_SELF : 發給自己的幀
PACKET_OTHERHOST : 發給別人的幀(監聽模式時會有這種幀)
最後調用netif_rx()把數據傳送給協議層。netif_rx()裡數據放入處理隊列然後返回，真正的處理是在中斷返回以後，這樣可以減少中斷時間。調用netif_rx()以後，驅動程序就不能再存取數據緩沖區skb。
2.2.6 硬件幀頭(hard_header)
硬件一般都會在上層數據發送之前加上自己的硬件幀頭，比如以太網(Ethernet)就有14字節的幀頭。這個幀頭是加在上層ip、ipx等數據包的前面的。驅動程序提供一個hard_header方法，協議層(ip、ipx、arp等)在發送數據之前會調用這段程序。
硬件幀頭的長度必須填在dev->hard_header_len，這樣協議層回在數據之前保留好硬件幀頭的空間。這樣hard_header程序只要調用skb_push然後正確填入硬件幀頭就可以了。
在協議層調用hard_header時，傳送的參數包括(2.0.xx)：數據的sk_buff，device指針，protocol，目的地址(daddr)，源地址(saddr)，數據長度(len)。數據長度不要使用sk_buff中的參數，因為調用hard_header時數據可能還沒完全組織好。saddr是NULL的話是使用缺省地址(default)。daddr是NULL表明協議層不知道硬件目的地址。如果hard_header完全填好了硬件幀頭，則返回添加的字節數。如果硬件幀頭中的信息還不完全(比如daddr為NULL，但是幀頭中需要目的硬件地址。典型的情況是以太網需要地址解析(arp))，則返回負字節數。hard_header返回負數的情況下，協議層會做進一步的build header的工作。目前linux系統裡就是做arp(如果hard_header返回正，dev->arp=1，表明不需要做arp，返回負，dev->arp=0，做arp)。
對hard_header的調用在每個協議層的處理程序裡。如ip_output。
2.2.7 地址解析(xarp)
有些網絡有硬件地址(比如Ethernet)，並且在發送硬件幀時需要知道目的硬件地址。這樣就需要上層協議地址(ip、ipx)和硬件地址的對應。這個對應是通過地址解析完成的。需要做arp的的設備在發送之前會調用驅動程序的rebuild_header方法。調用的主要參數包括指向硬件幀頭的指針，協議層地址。如果驅動程序能夠解析硬件地址，就返回1，如果不能，返回0。
對rebuild_header的調用在net/core/dev.c的do_dev_queue_xmit()裡。
2.2.8 參數設置和統計數據
在驅動程序裡還提供一些方法供系統對設備的參數進行設置和讀取信息。一般只有超級用戶(root)權限才能對設備參數進行設置。設置方法有：
dev->set_mac_address()
當用戶調用ioctl類型為SIOCSIFHWADDR時是要設置這個設備的mac地址。一般對mac地址的設置沒有太大意義的。
dev->set_config()
當用戶調用ioctl時類型為SIOCSIFMAP時，系統會調用驅動程序的set_config方法。用戶會傳遞一個ifmap結構包含需要的I/O、中斷等參數。
dev->do_ioctl()
如果用戶調用ioctl時類型在SIOCDEVPRIVATE和SIOCDEVPRIVATE+15之間，系統會調用驅動程序的這個方法。一般是設置設備的專用數據。
讀取信息也是通過ioctl調用進行。除次之外驅動程序還可以提供一個dev->get_stats方法，返回一個enet_statistics結構，包含發送接收的統計信息。
ioctl的處理在net/core/dev.c的dev_ioctl()和dev_ifsioc()裡。
2.3 網絡驅動程序中用到的數據結構
最重要的是網絡設備的數據結構。定義在include/linux/ne
tdevice.h裡。它的注釋已經足夠詳盡。
struct device
{
/*
* This is the first field of the "visible" part of this structure
* (i.e. as seen by users in the "Space.c" file). It is the name
* the interface.
*/
char *name;
/* I/O specific fields - FIXME: Merge these and struct ifmap into one */
unsigned long rmem_end; /* shmem "recv" end */
unsigned long rmem_start; /* shmem "recv" start */
unsigned long mem_end; /* shared mem end */
unsigned long mem_start; /* shared mem start */
unsigned long base_addr; /* device I/O address */
unsigned char irq; /* device IRQ number */
/* Low-level status flags. */
volatile unsigned char start, /* start an operation */
interrupt; /* interrupt arrived */
/* 在處理中斷時interrupt設為1，處理完清0。 */
unsigned long tbusy; /* transmitter busy must be longg for
bitops */
struct device *next;
/* The device initialization function. Called only once. */
/* 指向驅動程序的初始化方法。 */
int (*init)(struct device *dev);
/* Some hardware also needs these fields, but they are not part of the
usual set specified in Space.c. */
/* 一些硬件可以在一塊板上支持多個接口，可能用到if_port。 */
unsigned char if_port; /* Selectable AUI, TP,..*/
unsigned char dma; /* DMA channel */
struct enet_statistics* (*get_stats)(struct device *dev);
/*
* This marks the end of the "visible" part of the structure. All
* fields hereafter are internal to the system, and may change at
* will (read: may be cleaned up at will).
*/
/* These may be needed for future network-power-down code. */
/* trans_start記錄最後一次成功發送的時間。可以用來確定硬件是否工作正常。*/
unsigned long trans_start; /* Time (in jiffies) of last Tx */
unsigned long last_rx; /* Time of last Rx */
/* flags裡面有很多內容，定義在include/linux/if.h裡。*/
unsigned short flags; /* interface flags (a la BSD) */
unsigned short family; /* address family ID (AF_INET) */
unsigned short metric; /* routing metric (not used) */
unsigned short mtu; /* interface MTU value */
/* type標明物理硬件的類型。主要說明硬件是否需要arp。定義在
include/linux/if_arp.h裡。 */
unsigned short type; /* interface hardware type */
/* 上層協議層根據hard_header_len在發送數據緩沖區前面預留硬件幀頭空間。*/
unsigned short hard_header_len; /* hardware hdr length */
/* priv指向驅動程序自己定義的一些參數。*/
void *priv; /* pointer to private data */
/* Interface address info. */
unsigned char broadcast[MAX_ADDR_LEN]; /* hw bcast add */
unsigned char pad; /* make dev_addr alignedd to 8
bytes */
unsigned char dev_addr[MAX_ADDR_LEN]; /* hw address */
unsigned char addr_len; /* hardware address length */
unsigned long pa_addr; /* protocol address */
unsigned long pa_brdaddr; /* protocol broadcast addr */
unsigned long pa_dstaddr; /* protocol P-P other side addr */
unsigned long pa_mask; /* protocol netmask */
unsigned short pa_alen; /* protocol address length */
struct dev_mc_list *mc_list; /* Multicast mac addresses */
int mc_count; /* Number of installed mcasts */
struct ip_mc_list *ip_mc_list; /* IP multicast filter chain */
__u32 tx_queue_len; /* Max frames per queue allowed */
/* For load balancing driver pair support */
unsigned long pkt_queue; /* Packets queued */
struct device *slave; /* Slave device */
struct net_alias_info *alias_info; /* main dev alias info */
struct net_alias *my_alias; /* alias devs */
/* Pointer to the interface buffers. */
struct sk_buff_head buffs[DEV_NUMBUFFS];
/* Pointers to interface service routines. */
int (*open)(struct device *dev);
int (*stop)(struct device *dev);
int (*hard_start_xmit) (struct sk_buff *skb,
struct device *dev);
int (*hard_header) (struct sk_buff *skb,
struct device *dev,
unsigned short type,
void *daddr,
void *saddr,
unsigned len);
int (*rebuild_header)(void *eth, struct device *dev,
unsigned long raddr, struct sk_buff *skb);
#define HAVE_MULTICAST
void (*set_multicast_list)(struct device *dev);
#define HAVE_SET_MAC_ADDR
int (*set_mac_address)(struct device *dev, void *addr);
#define HAVE_PRIVATE_IOCTL
int (*do_ioctl)(struct device *dev, struct ifreq *ifr, intt cmd);
#define HAVE_SET_CONFIG
int (*set_config)(struct device *dev, struct ifmap *map);
#define HAVE_HEADER_CACHE
void (*header_cache_bind)(struct hh_cache **hhp, struct devvice
*dev, unsigned short htype, __u32 daddr);
void (*header_cache_update)(struct hh_cache *hh, struct devvice
*dev, unsigned char * haddr);
#define HAVE_CHANGE_MTU
int (*change_mtu)(struct device *dev, int new_mtu);
struct iw_statistics* (*get_wireless_stats)(struct device *dev);
};
2.4 常用的系統支持
2.4.1 內存申請和釋放
include/linux/kernel.h裡聲明了kmalloc()和kfree()。用於在內核模式下申請和釋放內存。
void *kmalloc(unsigned int len,int priority);
void kfree(void *__ptr);
與用戶模式下的malloc()不同，kmalloc()申請空間有大小限制。長度是2的整次方。可以申請的最大長度也有限制。另外kmalloc()有priority參數，通常使用時可以為GFP_KERNEL，如果在中斷裡調用用GFP_ATO
MIC參數，因為使用GFP_KERNEL則調用者可能進入sleep狀態，在處理中斷時是不允許的。
kfree()釋放的內存必須是kmalloc()申請的。如果知道內存的大小，也可以用kfree_s()釋放。
2.4.2 request_irq()、free_irq()
這是驅動程序申請中斷和釋放中斷的調用。在include/linux/sched.h裡聲明。
request_irq()調用的定義：
int request_irq(unsigned int irq,
void (*handler)(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs),
unsigned long irqflags,
const char * devname,
void *dev_id);
irq是要申請的硬件中斷號。在Intel平台，范圍0--15。handler是向系統登記的中斷處理函數。這是一個回調函數，中斷發生時，系統調用這個函數，傳入的參數包括硬件中斷號，device id，寄存器值。dev_id就是下面的request_irq時傳遞給系統的參數dev_id。irqflags是中斷處理的一些屬性。比較重要的有SA_INTER
RUPT，標明中斷處理程序是快速處理程序(設置SA_INTERRUPT)還是慢速處理程序(不設置SA_INTERRUPT)。快速處理程序被調用時屏蔽所有中斷。慢速處理程序不屏蔽。還有一個SA_SHIRQ屬性，設置了以後運行多個設備共享中斷。dev_id在中斷共享時會用到。一般設置為這個設備的device結構本身或者NULL。中斷處理程序可以用dev_id找到相應的控制這個中斷的設備，或者用irq2dev_map找到中斷對應的設備。
void free_irq(unsigned int irq,void *dev_id);
2.4.3 時鐘
時鐘的處理類似中斷，也是登記一個時間處理函數，在預定的時間過後，系統會調用這個函數。在include/linux/timer.h裡聲明。
struct timer_list {
struct timer_list *next;
struct timer_list *prev;
unsigned long expires;
unsigned long data;
void (*function)(unsigned long);
};
void add_timer(struct timer_list * timer);
int del_timer(struct timer_list * timer);
void init_timer(struct timer_list * timer);
使用時鐘，先聲明一個timer_list結構，調用init_timer對它進行初始化。time_list結構裡expires是標明這個時鐘的周期，單位采用jiffies的單位。jiffies是linux一個全局變量，代表時間。它的單位隨硬件平台的不同而不同。系統裡定義了一個常數HZ，代表每秒種最小時間間隔的數目。這樣jiffies的單位就是1/HZ。Intel平台jiffies的單位是1/100秒，這就是系統所能分辨的最小時間間隔了。所以expires/HZ就是以秒為單位的這個時鐘的周期。
function就是時間到了以後的回調函數，它的參數就是timer_list中的data。data這個參數在初始化時鐘的時候賦值，一般賦給它設備的device結構指針。
在預置時間到系統調用function，同時系統把這個time_list從定時隊列裡清除。所以如果需要一直使用定時函數，要在function裡再次調用add_timer()把這個timer_list加進定時隊列。
2.4.4 I/O
I/O端口的存取使用：
inline unsigned int inb(unsigned short port);
inline unsigned int inb_p(unsigned short port);
inline void outb(char value, unsigned short port);
inline void outb_p(char value, unsigned short port);
在include/adm/io.h裡定義。
inb_p()、outb_p()與inb()、outb_p()的不同在於前者在存取I/O時有等待(pause)一適應慢速的I/O設備。
為了防止存取I/O時發生沖突，linux提供對端口使用情況的控制。在使用端口之前，可以檢查需要的I/O是否正在被使用，如果沒有，則把端口標記為正在使用，使用完後再釋放。系統提供以下幾個函數做這些工作。
int check_region(unsigned int from, unsigned int extent);
void request_region(unsigned int from, unsigned int extent,const char *name)
void release_region(unsigned int from, unsigned int extent);
其中的參數from表示用到的I/O端口的起始地址，extent標明從from開始的端口數目。name為設備名稱。
2.4.5 中斷打開關閉
系統提供給驅動程序開放和關閉響應中斷的能力。是在include/asm/system.h中的兩個定義。
#define cli() __asm__ __volatile__ ("cli":icon_smile.gif
#define sti() __asm__ __volatile__ ("sti":icon_smile.gif
2.4.6 打印信息
類似普通程序裡的printf()，驅動程序要輸出信息使用printk()。在include/linux/kernel.h裡聲明。
int printk(const char* fmt, ...);
其中fmt是格式化字符串。...是參數。都是和printf()格式一樣的。
2.4.7 注冊驅動程序
如果使用模塊(module)方式加載驅動程序，需要在模塊初始化時把設備注冊到系統設備表裡去。不再使用時，把設備從系統中卸除。定義在drivers/net/net_init.h裡的兩個函數完成這個工作。
int register_netdev(struct device *dev);
void unregister_netdev(struct device *dev);
dev就是要注冊進系統的設備結構指針。在register_netdev()時，dev結構一般填寫前面11項，即到init，後面的暫時可以不用初始化。最重要的是name指針和init方法。name指針空(NULL)或者內容為'
