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1、嵌入式 Linux 网络驱动程序的体系结构和实现原理随着人们对开放源代码软件热情的日益增高，Linux 作为一个功能强大而稳定的开源操作系 统，越来越受到成千上万的计算机专家和爱好者的青睐。在嵌入式领域，通过对 Linux 进行 小型化裁剪后，使其能够固化在容量只有几十兆字节的存储器芯片或单片机中，成为应用于特 定场合的嵌入式 Linux 系统。Linux 强大的网络支持功能实现了对包括 TCP/IP 在内的多种 协议的支持，满足了面向 21 世纪的嵌入式系统应用联网的需求。因此，在嵌入式系统开发调 试时，网络接口几乎成为不可或缺的模块。 1. 嵌入式 Linux 网络驱动程序介绍 Linux
2、 网络驱动程序作为 Linux 网络子系统的一部分，位于 TCP/IP 网络体系结构的网络接 口层，主要实现上层协议栈与网络设备的数据交换。Linux 的网络系统主要是基于 BSD Unix 的套接字（socket）机制，网络设备与字符设备和块设备不同，没有对应地映射到文 件系统中的设备节点。 通常，Linux 驱动程序有两种加载方式：一种是静态地编译进内核，内核启动时自动加载； 另一种是编写为内核模块，使用 insmod 命令将模块动态加载到正在运行的内核，不需要时可 用 rmmod 命令将模块卸载。Linux 2.6 内核引入了 kbuild 机制，将外部内核模块的编译 同内核源码树的编译
3、统一起来，大大简化了特定的参数和宏的设置。这样将编写好的驱动模块 加入内核源码树，只需要修改相应目录的 Kconfig 文件，把新的驱动加入内核的配置菜单， 然后需要修改相应子目录中与模块编译相关的 Kbuild Makefile，即可使新的驱动在内核 源码树中被编译。在嵌入式系统驱动开发时，常常将驱动程序编写为内核模块，方便开发调试。 调试完毕后，就可以将驱动模块编译进内核，并重新编译出支持特定物理设备的 Linux 内核。2. 嵌入式 Linux 网络驱动程序的体系结构和实现原理 2.1. Linux 网络设备驱动的体系结构 ，Linux 网络驱动程序的体系结构可划分为 4 个层次。Lin
4、ux 内核源代码中提供了网络设备 接口及以上层次的代码，因此移植特定网络硬件的驱动程序的主要工作就是完成设备驱动功能 层的相应代码，根据底层具体的硬件特性，定义网络设备接口 struct net_device 类型的 结构体变量，并实现其中相应的操作函数及中断处理程序。Linux 中所有的网络设备都抽象为一个统一的接口，即网络设备接口，通过 struct net_device 类型的结构体变量表示网络设备在内核中的运行情况，这里既包括回环 （loopback）设备，也包括硬件网络设备接口。内核通过以 dev_base 为头指针的设备链表 来管理所有的网络设备。 2.2. net_device
5、数据结构 struct net_device 结构体是整个网络驱动结构的核心，其中定义了很多供网络协议接口 层调用设备的标准方法，该结构在 2.6 内核源码树文件中定义，下面只列出其中主要的成员。2.3.1 全局信息及底层硬件信息 name：网络设备名称，默认是以太网； *next：指向全局链表下一个设备的指针，驱动程序中不修改； mem_，rmem_：发送和接收缓冲区的起始，结束位置； base_addr，irq：网络设备的 I/O 基地址，中断号，ifconfig 命令可显示和修改； hard_header_len：硬件头的长度，以太网中值为 14； mtu：最大传输单元，以太网中值为 1
6、500B； dev_addrMAX_ADDR_LEN：硬件（MAC）地址长度及设备硬件地址，以太网地址长度是 48bit，ether_setup 会对其进行正确的设置；随着人们对开放源代码软件热情的日益增高，Linux 作为一个功能强大而稳定的开源操作系 统，越来越受到成千上万的计算机专家和爱好者的青睐。在嵌入式领域，通过对 Linux 进行 小型化裁剪后，使其能够固化在容量只有几十兆字节的存储器芯片或单片机中，成为应用于特 定场合的嵌入式 Linux 系统。Linux 强大的网络支持功能实现了对包括 TCP/IP 在内的多种 协议的支持，满足了面向 21 世纪的嵌入式系统应用联网的需求。因此
7、，在嵌入式系统开发调 试时，网络接口几乎成为不可或缺的模块。 1. 嵌入式 Linux 网络驱动程序介绍 Linux 网络驱动程序作为 Linux 网络子系统的一部分，位于 TCP/IP 网络体系结构的网络接 口层，主要实现上层协议栈与网络设备的数据交换。Linux 的网络系统主要是基于 BSD Unix 的套接字（socket）机制，网络设备与字符设备和块设备不同，没有对应地映射到文 件系统中的设备节点。 通常，Linux 驱动程序有两种加载方式：一种是静态地编译进内核，内核启动时自动加载； 另一种是编写为内核模块，使用 insmod 命令将模块动态加载到正在运行的内核，不需要时可 用 rm
8、mod 命令将模块卸载。Linux 2.6 内核引入了 kbuild 机制，将外部内核模块的编译 同内核源码树的编译统一起来，大大简化了特定的参数和宏的设置。这样将编写好的驱动模块 加入内核源码树，只需要修改相应目录的 Kconfig 文件，把新的驱动加入内核的配置菜单， 然后需要修改相应子目录中与模块编译相关的 Kbuild Makefile，即可使新的驱动在内核 源码树中被编译。在嵌入式系统驱动开发时，常常将驱动程序编写为内核模块，方便开发调试。 调试完毕后，就可以将驱动模块编译进内核，并重新编译出支持特定物理设备的 Linux 内核。2. 嵌入式 Linux 网络驱动程序的体系结构和实现
9、原理 2.1. Linux 网络设备驱动的体系结构 ，Linux 网络驱动程序的体系结构可划分为 4 个层次。Linux 内核源代码中提供了网络设备 接口及以上层次的代码，因此移植特定网络硬件的驱动程序的主要工作就是完成设备驱动功能 层的相应代码，根据底层具体的硬件特性，定义网络设备接口 struct net_device 类型的 结构体变量，并实现其中相应的操作函数及中断处理程序。Linux 中所有的网络设备都抽象为一个统一的接口，即网络设备接口，通过 struct net_device 类型的结构体变量表示网络设备在内核中的运行情况，这里既包括回环 （loopback）设备，也包括硬件网络
10、设备接口。内核通过以 dev_base 为头指针的设备链表 来管理所有的网络设备。 2.2. net_device 数据结构 struct net_device 结构体是整个网络驱动结构的核心，其中定义了很多供网络协议接口 层调用设备的标准方法，该结构在 2.6 内核源码树文件中定义，下面只列出其中主要的成员。2.3.1 全局信息及底层硬件信息 name：网络设备名称，默认是以太网； *next：指向全局链表下一个设备的指针，驱动程序中不修改； mem_，rmem_：发送和接收缓冲区的起始，结束位置； base_addr，irq：网络设备的 I/O 基地址，中断号，ifconfig 命令可显示
11、和修改； hard_header_len：硬件头的长度，以太网中值为 14； mtu：最大传输单元，以太网中值为 1500B； dev_addrMAX_ADDR_LEN：硬件（MAC）地址长度及设备硬件地址，以太网地址长度是 48bit，ether_setup 会对其进行正确的设置； 2.2.2 主要的操作方法int （*init）（struct net_device *dev）; 设备初始化和向系统注册的函数，仅调 用一次； int （*open）（struct net_device *dev）;设备打开接口函数，当用 ifconfig 激 活网络设备时被调用，注册所用的系统资源（I/O 端
12、口，IRQ，DMA 等）同时激活硬件并增加 使用计数； int （*stop）（struct net_device *dev）;执行 open 方法的反操作； *hard_start_xmit；初始化数据包传输的函数； *hard_header;该函数（在 hard_start_xmit 前被调用）根据先前检索到的源和目标 硬件地址建立硬件头。 eth_header 是以太网类型接口的默认函数； 2.3 网络驱动程序的编写及实现原理 Linux 网络系统各个层次之间的数据传送都是通过套接字缓冲区 sk_buff 完成的， sk_buff 数据结构是各层协议数据处理的对象。sk_buff 是驱动
13、程序与网络之间交换数据的 媒介，驱动程序向网络发送数据时，必须从其中获取数据源和数据长度；驱动程序从网络上接 收到数据后也要将数据保存到 sk_buff 中才能交给上层协议处理。 对于实际开发以太网驱动程序，可以参照内核源码树中的相应模板程序，重点理解网络驱动的 实现原理和程序的结构框架，然后针对开发的特定硬件改写代码，实现相应的操作函数。下面 结合作者利用 Linux2.6.18 内核在深圳优龙公司的 FS2410 开发板（SAMSUNG S3C2410 处理器）上移植编写嵌入式 CS8900A 网卡驱动程序的实例，说明网络驱动程序的实现原理。 2.3.1 网络设备初始化 网络设备的初始化是
14、由 net_device 结构中的 init 函数实现的，内核加载网络驱动模块后， 就会调用初始化过程。实例中初始化函数_init cs8900_probe 中主要完成的工作： a.调用内核中通用的设置以太网接口的函数 ether_setup（）; b.填充 net_device 结构体变量 dev 中其它大部分成员； c.调用 check_mem_region（）检测 I/O 地址空间，然后调用 request_mem_region（）申请以 dev-base_addr 为起始地址的 16 个连续的 I/O 地址空间； d.通过 cs8900_read（）探测网卡 CS8900A，读取 ID
15、 信息； e.设置 CS8900A 的 INTRQ0 作为中断信号输出引脚； f.将 MAC 地址写入 CS8900A 的 IA 寄存器中； g.通过 register_netdev（）将 CS8900A 注册到 Linux 全局网络设备链表中； 2.3.2 打开（或关闭）网络设备 系统响应 ifconfig 命令时，打开（关闭）一个网络接口。ifconfig 命令开始会调用 ioctl（SIOCSIFADDR）来将地址赋予接口。响应 SIOCSIFADDR 由内核来完成，与设备无 关。接着，ifconfig 命令会调用 ioctl（SIOCSIFFLAGS）设置 dev-flag 的 IFF
16、_UP 位来打开设备，这个调用会使设备的 open 方法得到调用。（当 ifconfig 调用 ioctl（SIOCSIFFLAGS）清除 dev-flag 的 IFF_UP 位时，设备的 stop 方法将被调用）实例中利用 cs8900_start（）函数打开网络设备，主要完成的工作： a.通过 set_irq_type（）向内核注册网络设备的中断处理程序； b.通过 cs8900_set（）设置 CS8900A 网卡中各控制寄存器和配置寄存器； c.通过内核中 netif_start_queue（）函数开启网络接口的数据传输队列； 2.3.3 网络数据包的发送 数据包的发送和接收是网络驱动程序中实现的两个最重要的任务。当网络设备被激活时， net_device 结构中的 open 方法被调用，它负责打开设备并调用 net_device 结构中的 hard_header 函数指针建立硬件帧头信息。最后通过函数 dev_queue_xmit（）来调用net_device 结构中的 hard_start_xmit 方法把存放在 sk_buff 中的数据发送到网络物
