网卡驱动和队列层中的数据包接收


一、从网卡说起

这并非是一个网卡驱动分析的专门文档,只是对网卡处理数据包的流程进行一个重点的分析。这里以Intel的e100驱动为例进行分析。
大多数网卡都是一个PCI设备,PCI设备都包含了一个标准的配置寄存器,寄存器中,包含了PCI设备的厂商ID、设备ID等等信息,驱动
程序使用来描述这些寄存器的标识符。如下:

struct pci_device_id {
        __u32 vendor, device;                /* Vendor and device ID or PCI_ANY_ID*/
        __u32 subvendor, subdevice;        /* Subsystem ID's or PCI_ANY_ID */
        __u32 class, class_mask;        /* (class,subclass,prog-if) triplet */
        kernel_ulong_t driver_data;        /* Data private to the driver */
};

这样,在驱动程序中,常常就可以看到定义一个struct pci_device_id 类型的数组,告诉内核支持不同类型的
PCI设备的列表,以e100驱动为例:

#define INTEL_8255X_ETHERNET_DEVICE(device_id, ich) {\
        PCI_VENDOR_ID_INTEL, device_id, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, \
        PCI_CLASS_NETWORK_ETHERNET << 8, 0xFFFF00, ich }
        
static struct pci_device_id e100_id_table[] = {
        INTEL_8255X_ETHERNET_DEVICE(0x1029, 0),
        INTEL_8255X_ETHERNET_DEVICE(0x1030, 0),
        INTEL_8255X_ETHERNET_DEVICE(0x1031, 3),
……/*略过一大堆支持的设备*/
        { 0, }
};

在内核中,一个PCI设备,使用struct pci_driver结构来描述,
struct pci_driver {
        struct list_head node;
        char *name;
        struct module *owner;
        const struct pci_device_id *id_table;        /* must be non-NULL for probe to be called */
        int  (*probe)  (struct pci_dev *dev, const struct pci_device_id *id);        /* New device inserted */
        void (*remove) (struct pci_dev *dev);        /* Device removed (NULL if not a hot-plug capable driver) */
        int  (*suspend) (struct pci_dev *dev, pm_message_t state);        /* Device suspended */
        int  (*resume) (struct pci_dev *dev);                        /* Device woken up */
        int  (*enable_wake) (struct pci_dev *dev, pci_power_t state, int enable);   /* Enable wake event */
        void (*shutdown) (struct pci_dev *dev);

        struct device_driver        driver;
        struct pci_dynids dynids;
};

因为在系统引导的时候,PCI设备已经被识别,当内核发现一个已经检测到的设备同驱动注册的id_table中的信息相匹配时,
它就会触发驱动的probe函数,以e100为例:
/*
* 定义一个名为e100_driver的PCI设备
* 1、设备的探测函数为e100_probe;
* 2、设备的id_table表为e100_id_table
*/
static struct pci_driver e100_driver = {
        .name =         DRV_NAME,
        .id_table =     e100_id_table,
        .probe =        e100_probe,
        .remove =       __devexit_p(e100_remove),
#ifdef CONFIG_PM
        .suspend =      e100_suspend,
        .resume =       e100_resume,
#endif

        .driver = {
                .shutdown = e100_shutdown,
        }

};

这样,如果系统检测到有与id_table中对应的设备时,就调用驱动的probe函数。

驱动设备在init函数中,调用pci_module_init函数初始化PCI设备e100_driver:

static int __init e100_init_module(void)
{
        if(((1 << debug) - 1) & NETIF_MSG_DRV) {
                printk(KERN_INFO PFX "%s, %s\n", DRV_DESCRIPTION, DRV_VERSION);
                printk(KERN_INFO PFX "%s\n", DRV_COPYRIGHT);
        }
        return pci_module_init(&e100_driver);
}

一切顺利的话,注册的e100_probe函数将被内核调用,这个函数完成两个重要的工作:
1、分配/初始化/注册网络设备;
2、完成PCI设备的I/O区域的分配和映射,以及完成硬件的其它初始化工作;

网络设备使用struct net_device结构来描述,这个结构非常之大,许多重要的参考书籍对它都有较为深入的描述,可以参考《Linux设备驱动程序》中网卡驱动设计的相关章节。我会在后面的内容中,对其重要的成员进行注释;

当probe函数被调用,证明已经发现了我们所支持的网卡,这样,就可以调用register_netdev函数向内核注册网络设备了,注册之前,一般会调用alloc_etherdev为以太网分析一个net_device,然后初始化它的重要成员。

除了向内核注册网络设备之外,探测函数另一项重要的工作就是需要对硬件进行初始化,比如,要访问其I/O区域,需要为I/O区域分配内存区域,然后进行映射,这一步一般的流程是:
1、request_mem_region()
2、ioremap()

对于一般的PCI设备而言,可以调用:
1、pci_request_regions()
2、ioremap()

pci_request_regions函数对PCI的6个寄存器都会调用资源分配函数进行申请(需要判断是I/O端口还是I/O内存),例如:

int pci_request_regions(struct pci_dev *pdev, char *res_name)
{
        int i;
        
        for (i = 0; i < 6; i++)
                if(pci_request_region(pdev, i, res_name))
                        goto err_out;
        return 0;



int pci_request_region(struct pci_dev *pdev, int bar, char *res_name)
{
        if (pci_resource_len(pdev, bar) == 0)
                return 0;
                
        if (pci_resource_flags(pdev, bar) & IORESOURCE_IO) {
                if (!request_region(pci_resource_start(pdev, bar),
                            pci_resource_len(pdev, bar), res_name))
                        goto err_out;
        }
        else if (pci_resource_flags(pdev, bar) & IORESOURCE_MEM) {
                if (!request_mem_region(pci_resource_start(pdev, bar),
                                        pci_resource_len(pdev, bar), res_name))
                        goto err_out;
        }
        
        return 0;

有了这些基础,我们来看设备的探测函数:
static int __devinit e100_probe(struct pci_dev *pdev,
        const struct pci_device_id *ent)
{
        struct net_device *netdev;
        struct nic *nic;
        int err;

        /*分配网络设备*/
        if(!(netdev = alloc_etherdev(sizeof(struct nic)))) {
                if(((1 << debug) - 1) & NETIF_MSG_PROBE)
                        printk(KERN_ERR PFX "Etherdev alloc failed, abort.\n");
                return -ENOMEM;
        }

        /*设置各成员指针函数*/
        netdev->open = e100_open;
        netdev->stop = e100_close;
        netdev->hard_start_xmit = e100_xmit_frame;
        netdev->get_stats = e100_get_stats;
        netdev->set_multicast_list = e100_set_multicast_list;
        netdev->set_mac_address = e100_set_mac_address;
        netdev->change_mtu = e100_change_mtu;
        netdev->do_ioctl = e100_do_ioctl;
        SET_ETHTOOL_OPS(netdev, &e100_ethtool_ops);
        netdev->tx_timeout = e100_tx_timeout;
        netdev->watchdog_timeo = E100_WATCHDOG_PERIOD;
        netdev->poll = e100_poll;
        netdev->weight = E100_NAPI_WEIGHT;
#ifdef CONFIG_NET_POLL_CONTROLLER
        netdev->poll_controller = e100_netpoll;
#endif
        /*设置网络设备名称*/
        strcpy(netdev->name, pci_name(pdev));

        /*取得设备私有数据结构*/
        nic = netdev_priv(netdev);
        /*网络设备指针,指向自己*/
        nic->netdev = netdev;
        /*PCIy设备指针,指向自己*/
        nic->pdev = pdev;
        nic->msg_enable = (1 << debug) - 1;
        
        /*将PCI设备的私有数据区指向网络设备*/
        pci_set_drvdata(pdev, netdev);

        /*激活PCI设备*/
        if((err = pci_enable_device(pdev))) {
                DPRINTK(PROBE, ERR, "Cannot enable PCI device, aborting.\n");
                goto err_out_free_dev;
        }

        /*判断I/O区域是否是I/O内存,如果不是,则报错退出*/
        if(!(pci_resource_flags(pdev, 0) & IORESOURCE_MEM)) {
                DPRINTK(PROBE, ERR, "Cannot find proper PCI device "
                        "base address, aborting.\n");
                err = -ENODEV;
                goto err_out_disable_pdev;
        }

        /*分配I/O内存区域*/
        if((err = pci_request_regions(pdev, DRV_NAME))) {
                DPRINTK(PROBE, ERR, "Cannot obtain PCI resources, aborting.\n");
                goto err_out_disable_pdev;
        }

        /*
         * 告之内核自己的DMA寻址能力,这里不是很明白,因为从0xFFFFFFFF来看,本来就是内核默认的32了
         * 为什么还要调用pci_set_dma_mask来重复设置呢?可能是对ULL而非UL不是很了解吧。
         */
        if((err = pci_set_dma_mask(pdev, 0xFFFFFFFFULL))) {
                DPRINTK(PROBE, ERR, "No usable DMA configuration, aborting.\n");
                goto err_out_free_res;
        }

        SET_MODULE_OWNER(netdev);
        SET_NETDEV_DEV(netdev, &pdev->dev);

        /*分配完成后,映射I/O内存*/
        nic->csr = ioremap(pci_resource_start(pdev, 0), sizeof(struct csr));
        if(!nic->csr) {
                DPRINTK(PROBE, ERR, "Cannot map device registers, aborting.\n");
                err = -ENOMEM;
                goto err_out_free_res;
        }

        if(ent->driver_data)
                nic->flags |= ich;
        else
                nic->flags &= ~ich;

        /*设置设备私有数据结构的大部份默认参数*/
        e100_get_defaults(nic);

        /* 初始化自旋锁,锅的初始化必须在调用 hw_reset 之前执行*/
        spin_lock_init(&nic->cb_lock);
        spin_lock_init(&nic->cmd_lock);

        /* 硬件复位,通过向指定I/O端口设置复位指令实现. */
        e100_hw_reset(nic);

        /*
         * PCI网卡被BIOS配置后,某些特性可能会被屏蔽掉。比如,多数BIOS都会清掉“master”位,
         * 这导致板卡不能随意向主存中拷贝数据。pci_set_master函数数会检查是否需要设置标志位,
         * 如果需要,则会将“master”位置位。
         * PS:什么是PCI master?
         * 不同于ISA总线,PCI总线的地址总线与数据总线是分时复用的。这样做的好处是,一方面
         * 可以节省接插件的管脚数,另一方面便于实现突发数据传输。在做数据传输时,由一个PCI
         * 设备做发起者(主控,Initiator或Master),而另一个PCI设备做目标(从设备,Target或Slave)。
         * 总线上的所有时序的产生与控制,都由Master来发起。PCI总线在同一时刻只能供一对设备完成传输。
         */
        pci_set_master(pdev);

        /*添加两个内核定时器,watchdog和blink_timer*/
        init_timer(&nic->watchdog);
        nic->watchdog.function = e100_watchdog;
        nic->watchdog.data = (unsigned long)nic;
        init_timer(&nic->blink_timer);
        nic->blink_timer.function = e100_blink_led;
        nic->blink_timer.data = (unsigned long)nic;

        INIT_WORK(&nic->tx_timeout_task,
                (void (*)(void *))e100_tx_timeout_task, netdev);

        if((err = e100_alloc(nic))) {
                DPRINTK(PROBE, ERR, "Cannot alloc driver memory, aborting.\n");
                goto err_out_iounmap;
        }

        /*phy寄存器初始化*/
        e100_phy_init(nic);

        if((err = e100_eeprom_load(nic)))
                goto err_out_free;

        memcpy(netdev->dev_addr, nic->eeprom, ETH_ALEN);
        if(!is_valid_ether_addr(netdev->dev_addr)) {
                DPRINTK(PROBE, ERR, "Invalid MAC address from "
                        "EEPROM, aborting.\n");
                err = -EAGAIN;
                goto err_out_free;
        }

        /* Wol magic packet can be enabled from eeprom */
        if((nic->mac >= mac_82558_D101_A4) &&
           (nic->eeprom[eeprom_id] & eeprom_id_wol))
                nic->flags |= wol_magic;

        /* ack any pending wake events, disable PME */
        pci_enable_wake(pdev, 0, 0);

        /*注册网络设备*/
        strcpy(netdev->name, "eth%d");
        if((err = register_netdev(netdev))) {
                DPRINTK(PROBE, ERR, "Cannot register net device, aborting.\n");
                goto err_out_free;
        }

        DPRINTK(PROBE, INFO, "addr 0x%lx, irq %d, "
                "MAC addr %02X:%02X:%02X:%02X:%02X:%02X\n",
                pci_resource_start(pdev, 0), pdev->irq,
                netdev->dev_addr[0], netdev->dev_addr[1], netdev->dev_addr[2],
                netdev->dev_addr[3], netdev->dev_addr[4], netdev->dev_addr[5]);

        return 0;

err_out_free:
        e100_free(nic);
err_out_iounmap:
        iounmap(nic->csr);
err_out_free_res:
        pci_release_regions(pdev);
err_out_disable_pdev:
        pci_disable_device(pdev);
err_out_free_dev:
        pci_set_drvdata(pdev, NULL);
        free_netdev(netdev);
        return err;
}
执行到这里,探测函数的使命就完成了,在对网络设备重要成员初始化时,有:
netdev->open = e100_open;
指定了设备的open函数为e100_open,这样,当第一次使用设备,比如使用ifconfig工具的时候,open函数将被调用。

二、打开设备

在探测函数中,设置了netdev->open = e100_open; 指定了设备的open函数为e100_open:

static int e100_open(struct net_device *netdev)
{
        struct nic *nic = netdev_priv(netdev);
        int err = 0;

        netif_carrier_off(netdev);
        if((err = e100_up(nic)))
                DPRINTK(IFUP, ERR, "Cannot open interface, aborting.\n");
        return err;
}

大多数涉及物理设备可以感知信号载波(carrier)的存在,载波的存在意味着设备可以工作
据个例子来讲:当一个用户拔掉了网线,也就意味着信号载波的消失。
netif_carrier_off:关闭载波信号;
netif_carrier_on:打开载波信号;
netif_carrier_ok:检测载波信号;

对于探测网卡网线是否连接,这一组函数被使用得较多;

接着,调用e100_up函数启动网卡,这个“启动”的过程,最重要的步骤有:
1、调用request_irq向内核注册中断;
2、调用netif_wake_queue函数来重新启动传输队例;

static int e100_up(struct nic *nic)
{
        int err;

        if((err = e100_rx_alloc_list(nic)))
                return err;
        if((err = e100_alloc_cbs(nic)))
                goto err_rx_clean_list;
        if((err = e100_hw_init(nic)))
                goto err_clean_cbs;
        e100_set_multicast_list(nic->netdev);
        e100_start_receiver(nic, 0);
        mod_timer(&nic->watchdog, jiffies);
        if((err = request_irq(nic->pdev->irq, e100_intr, SA_SHIRQ,
                nic->netdev->name, nic->netdev)))
                goto err_no_irq;
        netif_wake_queue(nic->netdev);
        netif_poll_enable(nic->netdev);
        /* enable ints _after_ enabling poll, preventing a race between
         * disable ints+schedule */
        e100_enable_irq(nic);
        return 0;

err_no_irq:
        del_timer_sync(&nic->watchdog);
err_clean_cbs:
        e100_clean_cbs(nic);
err_rx_clean_list:
        e100_rx_clean_list(nic);
        return err;

}

这样,中断函数e100_intr将被调用;
三、网卡中断

从本质上来讲,中断,是一种电信号,当设备有某种事件发生的时候,它就会产生中断,通过总线把电信号发送给中断控制器,如果中断的线是激活的,中断控制器就把电信号发送给处理器的某个特定引脚。处理器于是立即停止自己正在做的事,跳到内存中内核设置的中断处理程序的入口点,进行中断处理。
在内核中断处理中,会检测中断与我们刚才注册的中断号匹配,于是,注册的中断处理函数就被调用了。

当需要发/收数据,出现错误,连接状态变化等,网卡的中断信号会被触发。当接收到中断后,中断函数读取中断状态位,进行合法性判断,如判断中断信号是否是自己的等,然后,应答设备中断——OK,我已经知道了,你回去继续工作吧……
接着,它就屏蔽此中断,然后netif_rx_schedule函数接收,接收函数 会在未来某一时刻调用设备的poll函数(对这里而言,注册的是e100_poll)实现设备的轮询:

static irqreturn_t e100_intr(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs)
{
        struct net_device *netdev = dev_id;
        struct nic *nic = netdev_priv(netdev);
        u8 stat_ack = readb(&nic->csr->scb.stat_ack);

        DPRINTK(INTR, DEBUG, "stat_ack = 0x%02X\n", stat_ack);

        if(stat_ack == stat_ack_not_ours ||        /* Not our interrupt */
           stat_ack == stat_ack_not_present)        /* Hardware is ejected */
                return IRQ_NONE;

        /* Ack interrupt(s) */
        writeb(stat_ack, &nic->csr->scb.stat_ack);

        /* We hit Receive No Resource (RNR); restart RU after cleaning */
        if(stat_ack & stat_ack_rnr)
                nic->ru_running = RU_SUSPENDED;

        e100_disable_irq(nic);
        netif_rx_schedule(netdev);

        return IRQ_HANDLED;
}

对于数据包的接收而言,我们关注的是poll函数中,调用e100_rx_clean进行数据的接收:

static int e100_poll(struct net_device *netdev, int *budget)
{
        struct nic *nic = netdev_priv(netdev);
       /*
         * netdev->quota是当前CPU能够从所有接口中接收数据包的最大数目,budget是在
         * 初始化阶段分配给接口的weight值,轮询函数必须接受二者之间的最小值。表示
         * 轮询函数本次要处理的数据包个数。
         */
        unsigned int work_to_do = min(netdev->quota, *budget);
        unsigned int work_done = 0;
        int tx_cleaned;

          /*进行数据包的接收和传输*/             
        e100_rx_clean(nic, &work_done, work_to_do);
        tx_cleaned = e100_tx_clean(nic);

         /*接收和传输完成后,就退出poll模块,重启中断*/
        /* If no Rx and Tx cleanup work was done, exit polling mode. */
        if((!tx_cleaned && (work_done == 0)) || !netif_running(netdev)) {
                netif_rx_complete(netdev);
                e100_enable_irq(nic);
                return 0;
        }

        *budget -= work_done;
        netdev->quota -= work_done;

        return 1;
}

static inline void e100_rx_clean(struct nic *nic, unsigned int *work_done,
        unsigned int work_to_do)
{
        struct rx *rx;
        int restart_required = 0;
        struct rx *rx_to_start = NULL;

        /* are we already rnr? then pay attention!!! this ensures that
         * the state machine progression never allows a start with a 
         * partially cleaned list, avoiding a race between hardware
         * and rx_to_clean when in NAPI mode */
        if(RU_SUSPENDED == nic->ru_running)
                restart_required = 1;

        /* Indicate newly arrived packets */
        for(rx = nic->rx_to_clean; rx->skb; rx = nic->rx_to_clean = rx->next) {
                int err = e100_rx_indicate(nic, rx, work_done, work_to_do);
                if(-EAGAIN == err) {
                        /* hit quota so have more work to do, restart once
                         * cleanup is complete */
                        restart_required = 0;
                        break;
                } else if(-ENODATA == err)
                        break; /* No more to clean */
        }

        /* save our starting point as the place we'll restart the receiver */
        if(restart_required)
                rx_to_start = nic->rx_to_clean;

        /* Alloc new skbs to refill list */
        for(rx = nic->rx_to_use; !rx->skb; rx = nic->rx_to_use = rx->next) {
                if(unlikely(e100_rx_alloc_skb(nic, rx)))
                        break; /* Better luck next time (see watchdog) */
        }

        if(restart_required) {
                // ack the rnr?
                writeb(stat_ack_rnr, &nic->csr->scb.stat_ack);
                e100_start_receiver(nic, rx_to_start);
                if(work_done)
                        (*work_done)++;
        }
}
四、网卡的数据接收

内核如何从网卡接受数据,传统的经典过程:
1、数据到达网卡;
2、网卡产生一个中断给内核;
3、内核使用I/O指令,从网卡I/O区域中去读取数据;


我们在许多网卡驱动中,都可以在网卡的中断函数中见到这一过程。

但是,这一种方法,有一种重要的问题,就是大流量的数据来到,网卡会产生大量的中断,内核在中断上下文中,会浪费大量的资源来处理中断本身。所以,一个问题是,“可不可以不使用中断”,这就是轮询技术,所谓NAPI技术,说来也不神秘,就是说,内核屏蔽中断,然后隔一会儿就去问网卡,“你有没有数据啊?”……

从这个描述本身可以看到,哪果数据量少,轮询同样占用大量的不必要的CPU资源,大家各有所长吧,呵呵……

OK,另一个问题,就是从网卡的I/O区域,包括I/O寄存器或I/O内存中去读取数据,这都要CPU去读,也要占用CPU资源,“CPU从I/O区域读,然后把它放到内存(这个内存指的是系统本身的物理内存,跟外设的内存不相干,也叫主内存)中”。于是自然地,就想到了DMA技术——让网卡直接从主内存之间读写它们的I/O数据,CPU,这儿不干你事,自己找乐子去:
1、首先,内核在主内存中为收发数据建立一个环形的缓冲队列(通常叫DMA环形缓冲区)。
2、内核将这个缓冲区通过DMA映射,把这个队列交给网卡;
3、网卡收到数据,就直接放进这个环形缓冲区了——也就是直接放进主内存了;然后,向系统产生一个中断;
4、内核收到这个中断,就取消DMA映射,这样,内核就直接从主内存中读取数据;


——呵呵,这一个过程比传统的过程少了不少工作,因为设备直接把数据放进了主内存,不需要CPU的干预,效率是不是提高不少?

对应以上4步,来看它的具体实现:
1、分配环形DMA缓冲区
Linux内核中,用skb来描述一个缓存,所谓分配,就是建立一定数量的skb,然后把它们组织成一个双向链表;

2、建立DMA映射
内核通过调用
dma_map_single(struct device *dev,void *buffer,size_t size,enum dma_data_direction direction)
建立映射关系。
struct device *dev,描述一个设备;
buffer:把哪个地址映射给设备;也就是某一个skb——要映射全部,当然是做一个双向链表的循环即可;
size:缓存大小;
direction:映射方向——谁传给谁:一般来说,是“双向”映射,数据在设备和内存之间双向流动;

对于PCI设备而言(网卡一般是PCI的),通过另一个包裹函数pci_map_single,这样,就把buffer交给设备了!设备可以直接从里边读/取数据。

3、这一步由硬件完成;

4、取消映射
dma_unmap_single,对PCI而言,大多调用它的包裹函数pci_unmap_single,不取消的话,缓存控制权还在设备手里,要调用它,把主动权掌握在CPU手里——因为我们已经接收到数据了,应该由CPU把数据交给上层网络栈;

当然,不取消之前,通常要读一些状态位信息,诸如此类,一般是调用
dma_sync_single_for_cpu()
让CPU在取消映射前,就可以访问DMA缓冲区中的内容。

关于DMA映射的更多内容,可以参考《Linux设备驱动程序》“内存映射和DMA”章节相关内容!

OK,有了这些知识,我们就可以来看e100的代码了,它跟上面讲的步骤基本上一样的——绕了这么多圈子,就是想绕到e100上面了,呵呵!


在e100_open函数中,调用e100_up,我们前面分析它时,略过了一个重要的东东,就是环形缓冲区的建立,这一步,是通过
e100_rx_alloc_list函数调用完成的:

static int e100_rx_alloc_list(struct nic *nic)
{
        struct rx *rx;
        unsigned int i, count = nic->params.rfds.count;

        nic->rx_to_use = nic->rx_to_clean = NULL;
        nic->ru_running = RU_UNINITIALIZED;

        /*结构struct rx用来描述一个缓冲区节点,这里分配了count个*/
        if(!(nic->rxs = kmalloc(sizeof(struct rx) * count, GFP_ATOMIC)))
                return -ENOMEM;
        memset(nic->rxs, 0, sizeof(struct rx) * count);

        /*虽然是连续分配的,不过还是遍历它,建立双向链表,然后为每一个rx的skb指针分员分配空间
        skb用来描述内核中的一个数据包,呵呵,说到重点了*/
        for(rx = nic->rxs, i = 0; i < count; rx++, i++) {
                rx->next = (i + 1 < count) ? rx + 1 : nic->rxs;
                rx->prev = (i == 0) ? nic->rxs + count - 1 : rx - 1;
                if(e100_rx_alloc_skb(nic, rx)) {                /*分配缓存*/
                        e100_rx_clean_list(nic);
                        return -ENOMEM;
                }
        }

        nic->rx_to_use = nic->rx_to_clean = nic->rxs;
        nic->ru_running = RU_SUSPENDED;

        return 0;
}



#define RFD_BUF_LEN (sizeof(struct rfd) + VLAN_ETH_FRAME_LEN)
static inline int e100_rx_alloc_skb(struct nic *nic, struct rx *rx)
{
        /*skb缓存的分配,是通过调用系统函数dev_alloc_skb来完成的,它同内核栈中通常调用alloc_skb的区别在于,
        它是原子的,所以,通常在中断上下文中使用*/
        if(!(rx->skb = dev_alloc_skb(RFD_BUF_LEN + NET_IP_ALIGN)))
                return -ENOMEM;

        /*初始化必要的成员 */
        rx->skb->dev = nic->netdev;
        skb_reserve(rx->skb, NET_IP_ALIGN);
        /*这里在数据区之前,留了一块sizeof(struct rfd) 这么大的空间,该结构的
        一个重要作用,用来保存一些状态信息,比如,在接收数据之前,可以先通过
        它,来判断是否真有数据到达等,诸如此类*/
        memcpy(rx->skb->data, &nic->blank_rfd, sizeof(struct rfd));
        /*这是最关键的一步,建立DMA映射,把每一个缓冲区rx->skb->data都映射给了设备,缓存区节点
        rx利用dma_addr保存了每一次映射的地址,这个地址后面会被用到*/
        rx->dma_addr = pci_map_single(nic->pdev, rx->skb->data,
                RFD_BUF_LEN, PCI_DMA_BIDIRECTIONAL);

        if(pci_dma_mapping_error(rx->dma_addr)) {
                dev_kfree_skb_any(rx->skb);
                rx->skb = 0;
                rx->dma_addr = 0;
                return -ENOMEM;
        }

        /* Link the RFD to end of RFA by linking previous RFD to
         * this one, and clearing EL bit of previous.  */
        if(rx->prev->skb) {
                struct rfd *prev_rfd = (struct rfd *)rx->prev->skb->data;
                /*put_unaligned(val,ptr);用到把var放到ptr指针的地方,它能处理处理内存对齐的问题
                prev_rfd是在缓冲区开始处保存的一点空间,它的link成员,也保存了映射后的地址*/
                put_unaligned(cpu_to_le32(rx->dma_addr),
                        (u32 *)&prev_rfd->link);
                wmb();
                prev_rfd->command &= ~cpu_to_le16(cb_el);
                pci_dma_sync_single_for_device(nic->pdev, rx->prev->dma_addr,
                        sizeof(struct rfd), PCI_DMA_TODEVICE);
        }

        return 0;
}

e100_rx_alloc_list函数在一个循环中,建立了环形缓冲区,并调用e100_rx_alloc_skb为每个缓冲区分配了空间,并做了
DMA映射。这样,我们就可以来看接收数据的过程了。

前面我们讲过,中断函数中,调用netif_rx_schedule,表明使用轮询技术,系统会在未来某一时刻,调用设备的poll函数:

static int e100_poll(struct net_device *netdev, int *budget)
{
        struct nic *nic = netdev_priv(netdev);
        unsigned int work_to_do = min(netdev->quota, *budget);
        unsigned int work_done = 0;
        int tx_cleaned;

        e100_rx_clean(nic, &work_done, work_to_do);
        tx_cleaned = e100_tx_clean(nic);

        /* If no Rx and Tx cleanup work was done, exit polling mode. */
        if((!tx_cleaned && (work_done == 0)) || !netif_running(netdev)) {
                netif_rx_complete(netdev);
                e100_enable_irq(nic);
                return 0;
        }

        *budget -= work_done;
        netdev->quota -= work_done;

        return 1;
}

目前,我们只关心rx,所以,e100_rx_clean函数就成了我们关注的对像,它用来从缓冲队列中接收全部数据(这或许是取名为clean的原因吧!):

static inline void e100_rx_clean(struct nic *nic, unsigned int *work_done,
        unsigned int work_to_do)
{
        struct rx *rx;
        int restart_required = 0;
        struct rx *rx_to_start = NULL;

        /* are we already rnr? then pay attention!!! this ensures that
         * the state machine progression never allows a start with a 
         * partially cleaned list, avoiding a race between hardware
         * and rx_to_clean when in NAPI mode */
        if(RU_SUSPENDED == nic->ru_running)
                restart_required = 1;

        /* 函数最重要的工作,就是遍历环形缓冲区,接收数据*/
        for(rx = nic->rx_to_clean; rx->skb; rx = nic->rx_to_clean = rx->next) {
                int err = e100_rx_indicate(nic, rx, work_done, work_to_do);
                if(-EAGAIN == err) {
                        /* hit quota so have more work to do, restart once
                         * cleanup is complete */
                        restart_required = 0;
                        break;
                } else if(-ENODATA == err)
                        break; /* No more to clean */
        }

        /* save our starting point as the place we'll restart the receiver */
        if(restart_required)
                rx_to_start = nic->rx_to_clean;

        /* Alloc new skbs to refill list */
        for(rx = nic->rx_to_use; !rx->skb; rx = nic->rx_to_use = rx->next) {
                if(unlikely(e100_rx_alloc_skb(nic, rx)))
                        break; /* Better luck next time (see watchdog) */
        }

        if(restart_required) {
                // ack the rnr?
                writeb(stat_ack_rnr, &nic->csr->scb.stat_ack);
                e100_start_receiver(nic, rx_to_start);
                if(work_done)
                        (*work_done)++;
        }
}



static inline int e100_rx_indicate(struct nic *nic, struct rx *rx,
        unsigned int *work_done, unsigned int work_to_do)
{
        struct sk_buff *skb = rx->skb;
        struct rfd *rfd = (struct rfd *)skb->data;
        u16 rfd_status, actual_size;

        if(unlikely(work_done && *work_done >= work_to_do))
                return -EAGAIN;

        /* 读取数据之前,也就是取消DMA映射之前,需要先读取cb_complete 状态位,
        以确定数据是否真的准备好了,并且,rfd的actual_size中,也包含了真实的数据大小
        pci_dma_sync_single_for_cpu函数前面已经介绍过,它让CPU在取消DMA映射之前,具备
        访问DMA缓存的能力*/
        pci_dma_sync_single_for_cpu(nic->pdev, rx->dma_addr,
                sizeof(struct rfd), PCI_DMA_FROMDEVICE);
        rfd_status = le16_to_cpu(rfd->status);

        DPRINTK(RX_STATUS, DEBUG, "status=0x%04X\n", rfd_status);

        /* If data isn't ready, nothing to indicate */
        if(unlikely(!(rfd_status & cb_complete)))
                return -ENODATA;

        /* Get actual data size */
        actual_size = le16_to_cpu(rfd->actual_size) & 0x3FFF;
        if(unlikely(actual_size > RFD_BUF_LEN - sizeof(struct rfd)))
                actual_size = RFD_BUF_LEN - sizeof(struct rfd);

        /* 取消映射,因为通过DMA,网卡已经把数据放在了主内存中,这里一取消,也就意味着,
        CPU可以处理主内存中的数据了 */
        pci_unmap_single(nic->pdev, rx->dma_addr,
                RFD_BUF_LEN, PCI_DMA_FROMDEVICE);

        /* this allows for a fast restart without re-enabling interrupts */
        if(le16_to_cpu(rfd->command) & cb_el)
                nic->ru_running = RU_SUSPENDED;
        
        /*正确地设置data指针,因为最前面有一个sizeof(struct rfd)大小区域,跳过它*/
        skb_reserve(skb, sizeof(struct rfd));
        /*更新skb的tail和len指针,也是就更新接收到这么多数据的长度*/
        skb_put(skb, actual_size);
        /*设置协议位*/
        skb->protocol = eth_type_trans(skb, nic->netdev);

        if(unlikely(!(rfd_status & cb_ok))) {
                /* Don't indicate if hardware indicates errors */
                nic->net_stats.rx_dropped++;
                dev_kfree_skb_any(skb);
        } else if(actual_size > nic->netdev->mtu + VLAN_ETH_HLEN) {
                /* Don't indicate oversized frames */
                nic->rx_over_length_errors++;
                nic->net_stats.rx_dropped++;
                dev_kfree_skb_any(skb);
        } else {
                /*网卡驱动要做的最后一步,就是统计接收计数器,设置接收时间戳,然后调用netif_receive_skb,
                把数据包交给上层协议栈,自己的光荣始命也就完成了*/
                nic->net_stats.rx_packets++;
                nic->net_stats.rx_bytes += actual_size;
                nic->netdev->last_rx = jiffies;
                netif_receive_skb(skb);
                if(work_done)
                        (*work_done)++;
        }

        rx->skb = NULL;

        return 0;
}

网卡驱动执行到这里,数据接收的工作,也就处理完成了。但是,使用这一种方法的驱动,省去了网络栈中一个重要的内容,就是
“队列层”,让我们来看看,传统中断接收数据包模式下,使用netif_rx函数调用,又会发生什么。
五、队列层

1、软中断与下半部
当用中断处理的时候,为了减少中断处理的工作量,比如,一般中断处理时,需要屏蔽其它中断,如果中断处理时间过长,那么其它中断
有可能得不到及时处理,也以,有一种机制,就是把“不必马上处理”的工作,推迟一点,让它在中断处理后的某一个时刻得到处理。这就
是下半部。

下半部只是一个机制,它在Linux中,有多种实现方式,其中一种对时间要求最严格的实现方式,叫“软中断”,可以使用:

open_softirq()

来向内核注册一个软中断,
然后,在合适的时候,调用

raise_softirq_irqoff()

触发它。

如果采用中断方式接收数据(这一节就是在说中断方式接收,后面,就不用这种假设了),同样也需要软中断,可以调用

open_softirq(NET_RX_SOFTIRQ, net_rx_action, NULL);

向内核注册一个名为NET_RX_SOFTIR的软中断,net_rx_action是软中断的处理函数。

然后,在驱动中断处理完后的某一个时刻,调用

raise_softirq_irqoff(NET_RX_SOFTIRQ);

触发它,这样net_rx_action将得到执行。

2、队列层
什么是队列层?通常,在网卡收发数据的时候,需要维护一个缓冲区队列,来缓存可能存在的突发数据,类似于前面的DMA环形缓冲区。
队列层中,包含了一个叫做struct softnet_data:

struct softnet_data
{
        /*throttle 用于拥塞控制,当拥塞发生时,throttle将被设置,后续进入的数据包将被丢弃*/
        int                        throttle;
        /*netif_rx函数返回的拥塞级别*/
        int                        cng_level;
        int                        avg_blog;
        /*softnet_data 结构包含一个指向接收和传输队列的指针,input_pkt_queue成员指向准备传送
        给网络层的sk_buffs包链表的首部的指针,这个队列中的包是由netif_rx函数递交的*/
        struct sk_buff_head        input_pkt_queue;
        
        struct list_head        poll_list;
        struct net_device        *output_queue;
        struct sk_buff                *completion_queue;

        struct net_device        backlog_dev;        /* Sorry. 8) */
};

内核使用了一个同名的变量softnet_data,它是一个Per-CPU变量,每个CPU都有一个。

net/core/dev.c

DECLARE_PER_CPU(struct softnet_data,softnet_data);



/*
*       网络模块的核心处理模块.
*/
static int __init net_dev_init(void)
{
        int i, rc = -ENOMEM;

        BUG_ON(!dev_boot_phase);

        net_random_init();

        if (dev_proc_init())                /*初始化proc文件系统*/
                goto out;

        if (netdev_sysfs_init())        /*初始化sysfs文件系统*/
                goto out;

        /*ptype_all和ptype_base是重点,后面会详细分析,它们都是
        struct list_head类型变量,这里初始化链表成员*/
        INIT_LIST_HEAD(&ptype_all);
        for (i = 0; i < 16; i++) 
                INIT_LIST_HEAD(&ptype_base[i]);

        for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(dev_name_head); i++)
                INIT_HLIST_HEAD(&dev_name_head[i]);

        for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(dev_index_head); i++)
                INIT_HLIST_HEAD(&dev_index_head[i]);

        /*
         *        初始化包接收队列,这里我们的重点了.
         */

        /*遍历每一个CPU,取得它的softnet_data,我们说过,它是一个struct softnet_data的Per-CPU变量*/
        for (i = 0; i < NR_CPUS; i++) {
                struct softnet_data *queue;
                
                /*取得第i个CPU的softnet_data,因为队列是包含在它里边的,所以,我会直接说,“取得队列”*/
                queue = &per_cpu(softnet_data, i);
                /*初始化队列头*/
                skb_queue_head_init(&queue->input_pkt_queue);
                queue->throttle = 0;
                queue->cng_level = 0;
                queue->avg_blog = 10; /* arbitrary non-zero */
                queue->completion_queue = NULL;
                INIT_LIST_HEAD(&queue->poll_list);
                set_bit(__LINK_STATE_START, &queue->backlog_dev.state);
                queue->backlog_dev.weight = weight_p;
                /*这里,队列中backlog_dev设备,它是一个伪网络设备,不对应任何物理设备,它的poll函数,指向了
                process_backlog,后面我们会详细分析*/
                queue->backlog_dev.poll = process_backlog;
                atomic_set(&queue->backlog_dev.refcnt, 1);
        }

#ifdef OFFLINE_SAMPLE
        samp_timer.expires = jiffies + (10 * HZ);
        add_timer(&samp_timer);
#endif

        dev_boot_phase = 0;
        
        /*注册收/发软中断*/
        open_softirq(NET_TX_SOFTIRQ, net_tx_action, NULL);
        open_softirq(NET_RX_SOFTIRQ, net_rx_action, NULL);

        hotcpu_notifier(dev_cpu_callback, 0);
        dst_init();
        dev_mcast_init();
        rc = 0;
out:
        return rc;
}

这样,初始化完成后,在驱动程序中,在中断处理函数中,会调用netif_rx将数据交上来,这与采用轮询技术,有本质的不同:

int netif_rx(struct sk_buff *skb)
{
        int this_cpu;
        struct softnet_data *queue;
        unsigned long flags;

        /* if netpoll wants it, pretend we never saw it */
        if (netpoll_rx(skb))
                return NET_RX_DROP;

        /*接收时间戳未设置,设置之*/
        if (!skb->stamp.tv_sec)
                net_timestamp(&skb->stamp);

        /*
         * 这里准备将数据包放入接收队列,需要禁止本地中断,在入队操作完成后,再打开中断.
         */
        local_irq_save(flags);
        /*获取当前CPU对应的softnet_data变量*/
        this_cpu = smp_processor_id();
        queue = &__get_cpu_var(softnet_data);

        /*接收计数器累加*/
        __get_cpu_var(netdev_rx_stat).total++;
        
        /*接收队列是否已满*/
        if (queue->input_pkt_queue.qlen <= netdev_max_backlog) {
                if (queue->input_pkt_queue.qlen) {
                        if (queue->throttle)                        /*拥塞发生了,丢弃数据包*/
                                goto drop;
                        
                        /*数据包入队操作*/
enqueue:
                        dev_hold(skb->dev);                        /*累加设备引入计数器*/
                        __skb_queue_tail(&queue->input_pkt_queue, skb);                /*将数据包加入接收队列*/
#ifndef OFFLINE_SAMPLE
                        get_sample_stats(this_cpu);
#endif
                        local_irq_restore(flags);
                        return queue->cng_level;
                }

                /*
                 * 驱动程序不断地调用net_rx函数,实现接收数据包的入队操作,当qlen == 0时, 则进入这段代码,这里,如果已经被设置拥塞标志的话,则清除它,因为这里将要调用软中断,开始将数据包交给 上层了,即上层协议的接收函数将执行出队操作,拥塞自然而然也就不存在了。 */
                if (queue->throttle)
                        queue->throttle = 0;

                /*
                 * netif_rx_schedule函数完成两件重要的工作:
                 * 1、将bakclog_dev设备加入“处理数据包的设备”的链表当中;
                 * 2、触发软中断函数,进行数据包接收处理;
                 */
                netif_rx_schedule(&queue->backlog_dev);
                goto enqueue;
        }

        /*前面判断了队列是否已满,如果已满而标志未设置,设置之,并累加拥塞计数器*/
        if (!queue->throttle) {
                queue->throttle = 1;
                __get_cpu_var(netdev_rx_stat).throttled++;
        }

/*拥塞发生,累加丢包计数器,释放数据包*/
drop:
        __get_cpu_var(netdev_rx_stat).dropped++;
        local_irq_restore(flags);

        kfree_skb(skb);
        return NET_RX_DROP;
}

从这段代码的分析中,我们可以看到,当第一个数据包被接收后,因为qlen==0,所以首先会调用netif_rx_schedule触发软中断,然后利用goto跳转至入队。因为软中断被触发后,将执行出队操作,把数据交往上层处理。而当这个时候,又有数据包进入,即网卡中断产生,因为它的优先级高过软中断,这样,出队操作即被中断,网卡中断程序再将被调用,netif_rx函数又再次被执行,如果队列未满,就入队返回。中断完成后,软中断的执行过程被恢复而继续执行出队——如此生产者/消费者循环不止,生生不息……

netif_rx调用netif_rx_schedule进一步处理数据包,我们注意到:
1、前面讨论过,采用轮询技术时,同样地,也是调用netif_rx_schedule,把设备自己传递了过去;
2、这里,采用中断方式,传递的是队列中的一个“伪设备”,并且,这个伪设备的poll函数指针,指向了一个叫做process_backlog的函数;

netif_rx_schedule函数完成两件重要的工作:
1、将bakclog_dev设备加入“处理数据包的设备”的链表当中;
2、触发软中断函数,进行数据包接收处理;

这样,我们可以猜想,在软中断函数中,不论是伪设备bakclog_dev,还是真实的设备(如前面讨论过的e100),都会被软中断函数以:
dev->poll()
的形式调用,对于e100来说,poll函数的接收过程已经分析了,而对于其它所有没有采用轮询技术的网络设备来说,它们将统统调用
process_backlog函数(我觉得把它改名为pseudo-poll是否更合适一些^o^)。

OK,我想分析到这里,关于中断处理与轮询技术的差异,已经基本分析开了……

继续来看,netif_rx_schedule进一步调用__netif_rx_schedule:

/* Try to reschedule poll. Called by irq handler. */

static inline void netif_rx_schedule(struct net_device *dev)
{
        if (netif_rx_schedule_prep(dev))
                __netif_rx_schedule(dev);
}



/* Add interface to tail of rx poll list. This assumes that _prep has
* already been called and returned 1.
*/

static inline void __netif_rx_schedule(struct net_device *dev)
{
        unsigned long flags;

        local_irq_save(flags);
        dev_hold(dev);
        /*伪设备也好,真实的设备也罢,都被加入了队列层的设备列表*/
        list_add_tail(&dev->poll_list, &__get_cpu_var(softnet_data).poll_list);
        if (dev->quota < 0)
                dev->quota += dev->weight;
        else
                dev->quota = dev->weight;
        /*触发软中断*/
        __raise_softirq_irqoff(NET_RX_SOFTIRQ);
        local_irq_restore(flags);
}

软中断被触发,注册的net_rx_action函数将被调用:

/*接收的软中断处理函数*/
static void net_rx_action(struct softirq_action *h)
{
        struct softnet_data *queue = &__get_cpu_var(softnet_data);
        unsigned long start_time = jiffies;
        int budget = netdev_max_backlog;

        
        local_irq_disable();
        
        /*
         * 遍历队列的设备链表,如前所述,__netif_rx_schedule已经执行了
         * list_add_tail(&dev->poll_list, &__get_cpu_var(softnet_data).poll_list);
         * 设备bakclog_dev已经被添加进来了
         */
        while (!list_empty(&queue->poll_list)) {
                struct net_device *dev;

                if (budget <= 0 || jiffies - start_time > 1)
                        goto softnet_break;

                local_irq_enable();
                
                /*取得链表中的设备*/
                dev = list_entry(queue->poll_list.next,
                                 struct net_device, poll_list);
                netpoll_poll_lock(dev);

                /*调用设备的poll函数,处理接收数据包,这样,采用轮询技术的网卡,它的真实的poll函数将被调用,
                这就回到我们上一节讨论的e100_poll函数去了,而对于采用传统中断处理的设备,它们调用的,都将是
                bakclog_dev的process_backlog函数*/
                if (dev->quota <= 0 || dev->poll(dev, &budget)) {
                        netpoll_poll_unlock(dev);
                        
                        /*处理完成后,把设备从设备链表中删除,又重置于末尾*/
                        local_irq_disable();
                        list_del(&dev->poll_list);
                        list_add_tail(&dev->poll_list, &queue->poll_list);
                        if (dev->quota < 0)
                                dev->quota += dev->weight;
                        else
                                dev->quota = dev->weight;
                } else {
                        netpoll_poll_unlock(dev);
                        dev_put(dev);
                        local_irq_disable();
                }
        }
out:
        local_irq_enable();
        return;

softnet_break:
        __get_cpu_var(netdev_rx_stat).time_squeeze++;
        __raise_softirq_irqoff(NET_RX_SOFTIRQ);
        goto out;
}

对于dev->poll(dev, &budget)的调用,一个真实的poll函数的例子,我们已经分析过了,现在来看process_backlog,

static int process_backlog(struct net_device *backlog_dev, int *budget)
{
        int work = 0;
        int quota = min(backlog_dev->quota, *budget);
        struct softnet_data *queue = &__get_cpu_var(softnet_data);
        unsigned long start_time = jiffies;

        backlog_dev->weight = weight_p;
        
        /*在这个循环中,执行出队操作,把数据从队列中取出来,交给netif_receive_skb,直至队列为空*/
        for (;;) {
                struct sk_buff *skb;
                struct net_device *dev;

                local_irq_disable();
                skb = __skb_dequeue(&queue->input_pkt_queue);
                if (!skb)
                        goto job_done;
                local_irq_enable();

                dev = skb->dev;

                netif_receive_skb(skb);

                dev_put(dev);

                work++;

                if (work >= quota || jiffies - start_time > 1)
                        break;

        }

        backlog_dev->quota -= work;
        *budget -= work;
        return -1;

/*当队列中的数据包被全部处理后,将执行到这里*/
job_done:
        backlog_dev->quota -= work;
        *budget -= work;

        list_del(&backlog_dev->poll_list);
        smp_mb__before_clear_bit();
        netif_poll_enable(backlog_dev);

        if (queue->throttle)
                queue->throttle = 0;
        local_irq_enable();
        return 0;
}

这个函数重要的工作,就是出队,然后调用netif_receive_skb()将数据包交给上层,这与上一节讨论的poll是一样的。这也是为什么,
在网卡驱动的编写中,采用中断技术,要调用netif_rx,而采用轮询技术,要调用netif_receive_skb啦!

到了这里,就处理完数据包与设备相关的部分了,数据包将进入上层协议栈……







posted on 2009-05-13 13:43  DP.  阅读(1332)  评论(0编辑  收藏

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