嵌入式Linux網(wǎng)絡驅(qū)動程序的開發(fā)及實現(xiàn)原理

0 引言
隨著人們對開放源代碼軟件熱情的日益增高，Linux作為一個功能強大而穩(wěn)定的開源操作系統(tǒng)，越來越受到成千上萬的計算機專家和愛好者的青睞。在嵌入式領域，通過對Linux進行小型化裁剪后，使其能夠固化在容量只有幾十兆字節(jié)的存儲器芯片或單片機中，成為應用于特定場合的嵌入式Linux系統(tǒng)。Linux強大的網(wǎng)絡支持功能實現(xiàn)了對包括TCP/IP在內(nèi)的多種協(xié)議的支持，滿足了面向21世紀的嵌入式系統(tǒng)應用聯(lián)網(wǎng)的需求。因此，在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試時，網(wǎng)絡接口幾乎成為不可或缺的模塊。
1 嵌入式Linux網(wǎng)絡驅(qū)動程序介紹
Linux網(wǎng)絡驅(qū)動程序作為Linux網(wǎng)絡子系統(tǒng)的一部分，位于TCP/IP網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡接口層，主要實現(xiàn)上層協(xié)議棧與網(wǎng)絡設備的數(shù)據(jù)交換。Linux的網(wǎng)絡系統(tǒng)主要是基于BSD Unix的套接字（socket）機制，網(wǎng)絡設備與字符設備和塊設備不同，沒有對應地映射到文件系統(tǒng)中的設備節(jié)點。
通常，Linux驅(qū)動程序有兩種加載方式：一種是靜態(tài)地編譯進內(nèi)核，內(nèi)核啟動時自動加載；另一種是編寫為內(nèi)核模塊,使用insmod命令將模塊動態(tài)加載到正在運行的內(nèi)核，不需要時可用rmmod命令將模塊卸載。Linux 2.6內(nèi)核引入了kbuild機制，將外部內(nèi)核模塊的編譯同內(nèi)核源碼樹的編譯統(tǒng)一起來，大大簡化了特定的參數(shù)和宏的設置。這樣將編寫好的驅(qū)動模塊加入內(nèi)核源碼樹，只需要修改相應目錄的Kconfig文件，把新的驅(qū)動加入內(nèi)核的配置菜單，然后需要修改相應子目錄中與模塊編譯相關的Kbuild Makefile,即可使新的驅(qū)動在內(nèi)核源碼樹中被編譯。在嵌入式系統(tǒng)驅(qū)動開發(fā)時，常常將驅(qū)動程序編寫為內(nèi)核模塊，方便開發(fā)調(diào)試。調(diào)試完畢后，就可以將驅(qū)動模塊編譯進內(nèi)核，并重新編譯出支持特定物理設備的Linux內(nèi)核。
2 嵌入式Linux網(wǎng)絡驅(qū)動程序的體系結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)原理
2.1 Linux網(wǎng)絡設備驅(qū)動的體系結(jié)構(gòu)
如圖1所示，Linux網(wǎng)絡驅(qū)動程序的體系結(jié)構(gòu)可劃分為4個層次。Linux內(nèi)核源代碼中提供了網(wǎng)絡設備接口及以上層次的代碼，因此移植特定網(wǎng)絡硬件的驅(qū)動程序的主要工作就是完成設備驅(qū)動功能層的相應代碼，根據(jù)底層具體的硬件特性，定義網(wǎng)絡設備接口struct net_device類型的結(jié)構(gòu)體變量，并實現(xiàn)其中相應的操作函數(shù)及中斷處理程序。
Linux中所有的網(wǎng)絡設備都抽象為一個統(tǒng)一的接口，即網(wǎng)絡設備接口，通過struct net_device類型的結(jié)構(gòu)體變量表示網(wǎng)絡設備在內(nèi)核中的運行情況，這里既包括回環(huán)（loopback）設備，也包括硬件網(wǎng)絡設備接口。內(nèi)核通過以dev_base為頭指針的設備鏈表來管理所有的網(wǎng)絡設備。

2.2 net_device 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
struct net_device結(jié)構(gòu)體是整個網(wǎng)絡驅(qū)動結(jié)構(gòu)的核心，其中定義了很多供網(wǎng)絡協(xié)議接口層調(diào)用設備的標準方法，該結(jié)構(gòu)在2.6內(nèi)核源碼樹文件中定義，下面只列出其中主要的成員。
2.2.1全局信息及底層硬件信息
name:網(wǎng)絡設備名稱，默認是以太網(wǎng)；
*next:指向全局鏈表下一個設備的指針，驅(qū)動程序中不修改；
mem_,rmem_:發(fā)送和接收緩沖區(qū)的起始，結(jié)束位置；
base_addr,irq:網(wǎng)絡設備的I/O基地址，中斷號，ifconfig命令可顯示和修改；
hard_header_len:硬件頭的長度，以太網(wǎng)中值為14；
mtu:最大傳輸單元，以太網(wǎng)中值為1500B；
dev_addr[MAX_ADDR_LEN]:硬件(MAC)地址長度及設備硬件地址，以太網(wǎng)地址長度是48bit，ether_setup會對其進行正確的設置；