嵌入式系统 第十三讲 网络设备驱动程序开发
• 网络设备是Linux三大设备之一（另外两类是字符设备，块 设备）。
• 由于网络设备的特殊工作方式，网络驱动程序的开发与字 符设备、块设备驱动的开发有很大的不同。
• 13.1 以太网基础知识
• 以太网（Ethernet）：最早由Xerox（施乐）公司创建，于1980年DEC、 lntel和Xerox三家公司联合开发成为一个标准。
• 以太网是应用最为广泛的局域网，包括标准的以太网（10Mbit/s）、 快速以太网（100Mbit/s）和10G（10Gbit/s）以太网，采用的是 CSMA/CD访问控制法，它们都符合IEEE 802.3标准。
• CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，带有冲突检测的载波 侦听多路存取）是IEEE 802.3使用的一种媒体访问控制方法。
– IEEE 802.3标准：规定了包括物理层的连线、电信号和介质访问层协议的内容。
• 1、早期的以太网
– 1Base－5：使用双绞线电缆，最大网段长度为500m，传输速度为1Mbps。
• 2、10Mb/s以太网
– 10Base－T：使用双绞线电缆，最大网段长度为100m。拓扑结构为星型；10Base－T组网主要硬件设备有：3类或5类非屏蔽双绞线、带有RJ-45插口的以太网卡、 集线器、交换机、RJ-45插头等。
• 3、快速以太网
– 100BASE－TX：是一种使用5类数据级无屏蔽双绞线或屏蔽双绞线的快速以太网技 术。它使用两对双绞线，一对用于发送，一对用于接收数据。
• 4、千兆以太网
– 1000Base－T：带宽1Gb/s，使用超5类双绞线或6类双绞线。
• 5、万兆以太网
– 10GBASE-SR 和10GBASE-SW：主要支持短波（850 nm）多模光纤（MMF），光纤 距离为2m 到300 m。
• 6、4万兆以太网和10万兆以太网
– 标准尚在起草中，尚未发布。
• 13.1.1 CSMA/CD协议
– CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，带有冲突检 测的载波侦听多路存取）是IEEE 802.3使用的一种媒体访问控制方法。从 逻辑上可以划分为两大部分：数据链路层的媒体访问控制子层（MAC） 和物理层。它严格对应于ISO开放系统互连模式的最低两层。LLC子层和 MAC子层在一起完成OSI模式的数据链路层的功能。
• CS：载波侦听，Carrier Sense
• MA：多点接入（多路存取），Multiple Access
• CD：冲突检测，Collision Detection
– CSMA/CD的基本原理是：所有节点都共享网络传输信道，节点在发送数 据之前，首先检测信道是否空闲，如果信道空闲则发送，否则就等待； 在发送出信息后，再对冲突进行检测，当发现冲突时，则取消发送。
– CSMA/CD协议的侦听发送策略有三种： ① 非坚持CSMA ② 1-坚持CSMA ③ p-坚持CSMA
– CSMA/CD的控制规程主要包括以下四个处理内容： ① 侦听 ② 数据发送 ③ 冲突检测 ④ 冲突处理
• 13.1.2 以太网帧结构
– 以太网帧结构（帧格式），即在以太网帧头、帧尾中用于实现以 太网功能的域。在以太网的帧头和帧尾中有几个用于实现以太网 功能的域，每个域也称为字段，有其特定的名称和目的。
① Ethernet V2：ARPA，由DEC，Intel和Xerox在1982年公布其标准。
② Ethernet 802.3 RAW：这是1983年Novell发布其划时代的Netware/86 网络套件时采用的私有以太网帧格式。
③ Ethernet 802.3/802.2 SNAP：这是IEEE为保证在802.2 LLC上支持更多 的上层协议同时更好的支持IP协议而发布的标准。
• 13.1.3 嵌入式系统中常用的网络协议
– ARP：地址解析协议，Address Resolution Protocol，是根据IP地址获取物 理地址的一个TCP/IP协议。
– RARP：反向地址转换协议，Reverse Address Resolution Protocol，允许局 域网的物理机器从网关服务器的ARP 表或者缓存上请求其IP 地址。
– IP：网际协议，Internet Protocol，网际协议也就是为计算机网络相互连 接进行通信而设计的协议。
– ICMP：Internet Control Message Protocol，互联网控制消息协议。它是 TCP/IP协议族的一个子协议，用于在IP主机、路由器之间传递控制消息。
– TCP：Transmission Control Protocol，传输控制协议。是一种面向连接 （连接导向）的、可靠的、基于字节流的运输层（Transport layer）通信 协议，由IETF的RFC 793说明（specified）。
– UDP ：User Datagram Protocol，用户数据报协议，是OSI（Open System Interconnection，开放式系统互联）参考模型中一种无连接的传输层协议， 提供面向事务的简单不可靠信息传送服务，IETF RFC 768是UDP的正式规 范。
– FTP：File Transfer Protocol，文件传输协议。是TCP/IP 协议组中的协议之 一。FTP协议包括两个组成部分，其一为FTP服务器，其二为FTP客户端。
– TFTP：Trivial File Transfer Protocol，简单文件传输协议。是TCP/IP协议族 中的一个用来在客户机与服务器之间进行简单文件传输的协议，提供不 复杂、开销不大的文件传输服务，端口号为69。
• 13.2 嵌入式网络设备驱动开发概述
• 1、硬件描述
– 以太网对应于ISO网络分层中的数据链路层和物理层
– 使用嵌入式以太网接口的两种方式：
① 嵌入式处理器集成MAC控制器，但是不集成物理层接收器 （PHY），此时需要外接PHY芯片，如RTL8201BL、VT6103等芯 片。
② 嵌入式处理器既不集成MAC控制器，又不集成物理层接收器 （PHY），此时需要外接同时具有MAC控制器和PHY接收器的芯 片，如DM9000、CS8900、SIS900等芯片。
• 2、驱动框架
– 在/dev目录下没有对应的设备文件。
– 对网络设备的访问必须使用套接字（Socket），而非读写设备文件。
• 13.3 网络设备驱动基本数据结构
• struct net_device（网络设备结构体）：包含具体网络设 备的各种信息和操作接口。
• struct sk_buff（套接字缓冲结构体）：是Linux网络子系统 的核心，在Linux网络子系统各层协议中的数据传递实际 上传递的是struct sk_buff结构，它为各层之间的数据交换 单元提供了统一的定义。
• 13.3.1 struct net_device数据结构
struct net_device（网络设备结构体）
– 1、全局信息
• 网络设备的名称
– char name[IFNAMSIZ];
• 设备初始化函数指针
– int (*init)(struct net_device *dev);
– 2、硬件信息
• 设备使用的共享内存的起始地址
– unsigned long mem_end;
• 设备使用的共享内存的终止地址
– unsigned long mem_start;
• 设备I/O基址
– unsigned long base_addr;
• 设备中断号
– unsigned int irq;
• 指定多端口设备使用哪个端口
– unsigned char if_port;
• 保存分配给设备的DMA通道
– unsigned char dma;
• 设备状态
– unsigned long state;
– 3、接口信息
• 保存最大传输单元大小
– unsigned mtu;
• 接口类型
– unsigned short type;
• 硬件头长度
– unsigned short hard_header_len;
• 存放设备硬件地址（MAC地址）
– unsigned char dev_addr[MAX_ADDR_LEN];
• 存放广播地址
– unsigned char broadcast[MAX_ADDR_LEN];
• 接口标志
– unsigned short flags;
– 4、设备操作函数
• 打开接口
– int(*open)(struct net_device *dev);
• 关闭接口
– int(*stop)(struct net_device *dev);
• 启动数据包的发送
– int (*hard_start_xmit) (struct sk_buff *skb, struct net_device *dev);
• 设置设备的组播列表
– void (*set_multicast_list)(struct net_device *dev);
• 设置设备的MAC地址
– int(*set_mac_address)(struct net_device *dev, void *addr);
• 执行接口特有的I/O控制命令
– int(*do_ioctl)(struct net_device *dev, struct ifreq *ifr, int cmd);
• 改变接口的配置
– int (*set_config)(struct net_device *dev, struct ifmap *map);
• 在接口的MTU改变时，采取相应的设置
– int (*change_mtu)(struct net_device *dev, int new_mtu);
• 如果数据包传送超时，则调用该函数解决问题并重新发送数据
– void (*tx_timeout) (struct net_device *dev);
• 用于返回设备状态信息
– struct net_device_stats* (*get_stats)(struct net_device *dev);
• 在禁止中断的情况下，要求驱动程序检测接口下的事件
– viod(*poll_controller)(struct net_devices *dev)
– 5、工具成员
• 记录数据最后一次接收到数据包的时间戳
– unsigned long last_rx;
• 记录数据开始发送时的时间戳
– unsigned long trans_start;
• 在网络层驱动传输已超时，并调用tx_timout之前的最小时间
– intwatchdog_timeo
• 13.3.2 struct sk_buff数据结构
struct sk_buff套接字缓冲结构体
– 1、网络协议头
• sk_buff_data_t transport_header;
• sk_buff_data_t network_header;
• sk_buff_data_t mac_header;
– 2、缓冲区指针
• sk_buff_data_t tail;
• sk_buff_data_t end;
• unsigned char *head, *data;
– 3、操作函数
• static inline struct sk_buff *alloc_skb(unsigned int size, gfp_t priority);
• static inline struct sk_buff *dev_alloc_skb(unsigned int length);
• void kfree_skb(struct sk_buff *skb);
• void kfree_skb(struct sk_buff *skb);
• void dev_kfree_skb(struct sk_buff *skb);
• void dev_kfree_skb_irq(struct sk_buff *skb);
• void dev_kfree_skb_any(struct sk_buff *skb);
• unsigned char *skb_put(structsk_buff *skb, unsigned int len);
• unsigned char *__skb_put(struct sk_buff *skb, unsigned int len);
• unsigned char *skb_push(struct sk_buff *skb, unsigned int len);
• unsigned char *__skb_push(struct sk_buff *skb, unsigned int len);
• int skb_tailroom(const struct sk_buff *skb);
• unsigned int skb_headroom(const struct sk_buff *skb)
• void skb_reserve(struct sk_buff *skb, int len);
• char *skb_pull_rcsum(struct sk_buff *skb, unsigned int len);
• 13.4 网络设备初始化
• 网络设备初始化由struct net_device数据结构的init函数指针指向的函 数完成：
– int (*init)(struct net_device *dev);
• 初始化工作包括以下几个方面的任务：
① 检测网络设备的硬件特征，检查物理设备是否存在；
② 如果检测到网络设备存在，则进行资源配置；
③ 对struct net_device成员变量进行赋值。
• 13.5 打开和关闭接口
• 打开接口的工作由struct net_device数据结构的open函数指针指向的函数完成：
– int (*open)(struct net_device *dev);
• 该函数负责的工作包括请求系统资源，如申请I/O区域、DMA通道及中断等资 源，并告知接口开始工作，调用netif_start_queue函数激活网络设备发送队列：
– void netif_start_queue(struct net_device *dev); 打开队列
• 关闭接口的工作由struct net_device数据结构的stop函数指针指向的函数完成：
– int (*stop)(struct net_device *dev);
• 该函数需要调用netif_stop_queue函数停止数据包传送：
– void netif_stop_queue(struct net_device *dev); 停止队列
• 13.6 数据接收与发送
• 1、数据发送
– 数据在实际发送的时候会调用struct net_device数据结构的 hard_start_transmit函数指针指向的函数，该函数会将要发送的数据放入 外发队列，并启动数据包发送。
• 2、并发控制
– 发送函数可利用struct net_device数据结构的xmit_lock自旋锁来保护临界 区资源。
• 3、传输超时
– 驱动程序需要处理超时带来的问题，调用struct net_device数据结构的 tx_timeout函数，并调用netif_wake_queue函数重启设备发送队列。
• 4、数据接收
– 在Linux中有两种方式实现数据接收：
• 第一种是中断方式：调用netif_rx函数实现数据接收；
• 第二种是轮询方式：调用netif_receive_skb函数实现数据接收。
• 13.7 查询状态与参数设置
• 1、链路状态
– 驱动程序需要掌握当前链路的状态，当链路状态改变时，驱动程序需要 通知内核：
• void netif_carrier_off(struct net_device *dev);
• void netif_carrier_on(struct net_device *dev);
• int netif_carrier_ok(const struct net_device *dev);
• 2、设备状态
– 驱动程序的get_stats()函数用于向用户返回设备的状态和统计信息，这些 信息保存在struct net_device_stats结构体中。
• 3、设置MAC地址
– 调用set_mac_address函数，设置新的MAC地址。
• 4、接口参数设置
• 调用set_config函数，设置I/O地址、中断等信息。
• 13.8 AT91SAM9G45网卡驱动
• 13.8.1 EMAC模块简介
– AT91SAM9G45：嵌入式微处理器
– AT91SAM9G45的EMAC模块是一个完全兼容IEEE 802.3标准的10/100M的以 太网控制器，它包含一个地址检查模块、统计和控制寄存器组、接收和 发送模块，以及一个DMA接口
• 13.8.2 模块图
• 13.8.3 功能描述
– 1、时钟
• 系统总线时钟
• 发送时钟
• 接收时钟
– 2、内存接口
• 帧数据在内存和EMAC之间的传输是通过DMA接口实现的。
– 3、接收模块
• 接收模块检查以太网帧的前导帧、FCS、对齐和长度。
– 4、发送模块
• 发送模块从DMA接口获取数据，填充前导帧、FCS等字段。
• 13.8.4 寄存器描述
– 1、网络控制寄存器（NCR）
– 2、网络配置寄存器（NCFG）
– 3、网络状态寄存器（NSR）
– 4、发送状态寄存器（TSR）
– 5、接收缓冲队列指针寄存器（RBQP）
– 6、发送缓冲队列指针寄存器（TBQP）
– 7、接收状态寄存器（RSR）
– 8、中断状态寄存器（ISR）
• 13.8.5 AT91SAM9G45芯片EMAC控制器驱动 分析
– 1、设备侦测
• 设备侦测主要完成各种资源的初始化工作：
① 获取I/O内存的地址，并进行I/O重定向；
② 获取设备中断号，注册中断处理程序；
③ 初始化net_device结构，并注册该结构；
④ 初始化时钟，并设置分频器。
– 2、设备打开与关闭
• 设备打开时主要完成以下任务：
① 分配DMA缓冲区，初始化缓冲区；
② 初始化硬件；
③ 打开PHY（物理层）；
④ 通知上层开启传输。
– 3、数据的接收
– 4、数据的发送
– 5、中断处理
