Linux-千兆网卡驱动实现机制浅析

网卡作为一个PCI设备，其必须遵守相应的PCI规范，即必须为网卡定义相应的标识号，每个PCI外设由一个总线编号、一个设备编号及一个功能编号来标识。网卡驱动程序则需要定义相应的pci_device_id结构来表示其支持的PCI外设的标识……

1.引言

本分析主要针对e1000网卡，驱动源码为7.3.20-k2。本文的目的不是为了讲述如何编写Linux驱动程序，主要是分析网卡驱动内部的实现机制。通过此分析，希望可以理解驱动程序中的各个部分的关系，对网卡发送和接收数据包有直观的了解，同时也希望对设计网卡驱动程序有帮助。由于网卡驱动程序与硬件和操作系统都有很紧密的联系，故要把某些问题完全弄清楚，需要很多的经验与相关知识，介于自身的水平有限，且自身经验较少，故肯定存在很多问题，希望本文的读者发现了问题不吝与作者联系。

2.网卡驱动的体系结构

网卡作为一个PCI设备，其必须遵守相应的PCI规范，即必须为网卡定义相应的标识号，每个PCI外设由一个总线编号、一个设备编号及一个功能编号来标识。网卡驱动程序则需要定义相应的pci_device_id结构来表示其支持的PCI外设的标识，通过在驱动程序的pci_device_id中查找设备标识号，将驱动程序与设备联系起来。网卡作为PCI设备，其包括两类空间，一种是配置空间， CPU不能直接访问，访问这个空间，需要借助BIOS功能;另一种是普通的控制寄存器空间，这部分经过映射后，CPU可以直接访问控制。

在硬件加电初始化时，BIOS统一检查所有的PCI设备，并为每个设备分配一个物理地址，该地址通过BIOS获得并写到设备的配置空间内，驱动程序就可以将网卡的普通控制寄存器映射到一段内存空间内，CPU通过访问映射后的虚拟地址来操控网卡的寄存器。当操作系统初始化时，其为每个PCI设备分配一个pci_dev结构，并将前面分配的物理地址写到pci_dev的resource字段中。在网卡驱动程序中则可以通过读取pci_dev中的resource字段获得网卡的寄存器配置空间地址，其由函数pci_resource_start()和pci_resource_end()获得该空间的起始位置，通过ioremap()将该段位置映射到主存中，以便CPU访问控制网卡的I/O和内存空间。如重启网卡设备，则是通过向映射后的网卡的相应寄存器写入命令实现，其通过映射后的首地址及相应的寄存器偏移量找到该寄存器的位置，然后通过函数writeb()写该寄存器。有关相关寄存器对应的偏移量，一般是通过网卡的相关的datasheet获得。如果要获取网卡的MAC地址，则一般通过函数readb()读取首地址开始的前六位内容即可得到。

通过pci_read_config_和pci_write_config_系列函数可以读写网卡的配置空间，如开启网卡设备就是将网卡配置空间的command域置1，从而设备就可以将寄存器映射到内存。如通过函数pci_read_config_byte(pci_dev pdev,PCI_INTERRUPT_LINE,&irq)获得设备所分配的中断号并保存在irq中。pci_read_config_和pci_write_config_系列函数实际上是调用pci_bus_read_config_和pci_bus_write_config_系列函数实现的，这些函数实际操作网卡对应的PCI总线结构。有关PCI寄存器的配置空间可参考《Linux Device Driver 3rd》或《PCI Bus Demystified》。

网卡作为一个规范的PCI设备，其对应的结构体pci_dev代表了网卡设备，体现了作为PCI设备所应有的规范。网卡的网络传输性质，实际是通过另一结构体net_device来体现的，该结构体的初始化由网卡驱动程序实现。内核中对网卡的操作，其实质就是对net_device结构的操作，pci_dev和net_device都表示网卡设备，只是体现的角度不一样。net_device是对特定适配器的抽象，其为上层协议提供了统一的接口，网卡驱动则基于特定适配器实现了这一抽象。

PCI设备的驱动程序由pci_driver结构体表示，故网卡驱动应该是该结构体的一个实例，在该结构体中应该要定义实现与网卡相关的参数以及相应的操作。网卡驱动实际操作的特定适配器，是由与硬件相关的adapter所表示的结构体，adapter体现了大部分与硬件相关的属性，网卡驱动除了直接对pci_dev结构操作外，其他对网卡设备的操作基本是对adapter结构体的操作。adapter体现了net_device与pci_dev的关联，也实现了网络设备的适配器无关性。与网卡设备pci_dev的通信是通过adapter来实现的，而这个实现则是网卡驱动所要完成的任务。

下面图2-1描述了三个重要数据结构间的关系，pci_dev结构体现了网卡的配置空间和I/O与内存区域，net_device结构则向内核提供了操作网卡的抽象接口，其参数值可按照功能分为5个部分。e1000_adapter结构除了体现相应的硬件无关性外，还管理了发送与接收数据包的相应缓冲空间，网卡的物理地址空间映射后的虚拟地址也在此结构中保存。e1000_adapter结构中的e1000_hw结构主要保存网卡的硬件参数，其值就是通过读取pci_dev的内容获取而来的。以上的数据结构在网卡工作时起着最核心的作用，同时也是编写驱动程序必须操作的结构体。

图2-1 网卡驱动程序的主要数据结构