1、第11章 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序分析與設(shè)計(jì),2020/7/31,11.1以太網(wǎng)概述,11.1 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,圖11-1 TCP/IP協(xié)議分層結(jié)構(gòu)圖,11.1以太網(wǎng)概述,11.1 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 （1）TCP（Transfer Control Protocol）傳輸控制協(xié)議 TCP協(xié)議是基于連接的協(xié)議，在需要通信的兩個(gè)應(yīng)用程序之間建立起一條虛擬的連接線路，而這條線路間可能會(huì)經(jīng)過很多子網(wǎng)、網(wǎng)關(guān)和路由器。TCP協(xié)議保證在兩個(gè)應(yīng)用程序之間可靠地傳送和接收數(shù)據(jù)，并且可以保證沒有丟失的或者重復(fù)的數(shù)據(jù)包。 （2）UDP（User Datagram Protocol）用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議 UDP協(xié)議是一種無

2、連接、不可靠的傳輸層協(xié)議。使用該協(xié)議只是把應(yīng)用程序傳來的數(shù)據(jù)加上UDP頭包括端口號(hào)、段長(zhǎng)等字段，作為UDP數(shù)據(jù)包發(fā)送出去，但并不保證數(shù)據(jù)包能到達(dá)目的地，其可靠性由應(yīng)用層來提供。,11.1以太網(wǎng)概述,11.1 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 （3）IP（Internet Protocol）網(wǎng)際協(xié)議, 版本：占4比特，指IP協(xié)議的版本。 首部長(zhǎng)度：占4比特，數(shù)據(jù)據(jù)包包頭的長(zhǎng)度。以32位（相當(dāng)于4字節(jié)）長(zhǎng)度為單位。 服務(wù)類型：占8比特，主機(jī)要求通信子網(wǎng)提供的服務(wù)類型。包括一個(gè)3比特長(zhǎng)度的優(yōu)先級(jí)，4個(gè)標(biāo)志位D、T、R和C，其中D、T、R、C分別表示延遲、呑吐量、可靠性和代價(jià)，另外1比特未用。,11.1以太網(wǎng)概述

3、,11.1 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 （3）IP（Internet Protocol）網(wǎng)際協(xié)議, 總長(zhǎng)度：占16比特，數(shù)據(jù)報(bào)的總長(zhǎng)度，包括頭部和數(shù)據(jù)，以字節(jié)為單位。數(shù)據(jù)報(bào)的最大長(zhǎng)度為2161字節(jié)，即65535字節(jié)。 標(biāo)識(shí)：占16比特，標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)報(bào)。當(dāng)數(shù)據(jù)報(bào)長(zhǎng)度超出網(wǎng)絡(luò)最大傳輸單元（MTU）時(shí)，必須進(jìn)行分割，并且需要為分割段（fragment）提供標(biāo)識(shí)。所有屬于同一數(shù)據(jù)報(bào)的分割段被賦予相同的標(biāo)識(shí)值。,11.1以太網(wǎng)概述,11.1 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 （3）IP（Internet Protocol）網(wǎng)際協(xié)議, 標(biāo)志：占3比特，指出該數(shù)據(jù)報(bào)是否可分段。目前只有前兩個(gè)比特有意義。 片偏移：占13比特，若有

4、分段時(shí)，用以指出該分段在數(shù)據(jù)報(bào)中的相對(duì)位置。片偏移以8字節(jié)為偏移單位，即每個(gè)分片的長(zhǎng)度一定是8字節(jié)（64位）的整數(shù)倍。 生存時(shí)間或生命期：占8比特，記為TTL（Time To Live），即數(shù)據(jù)報(bào)在網(wǎng)絡(luò)中的壽命，生存時(shí)間每經(jīng)過一個(gè)路由結(jié)點(diǎn)都要遞減，當(dāng)生存時(shí)間減到零時(shí)，分組就要被丟棄。,11.1以太網(wǎng)概述,11.1 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 （3）IP（Internet Protocol）網(wǎng)際協(xié)議, 協(xié)議：占8比特，指示傳輸層所采用的協(xié)議，如TCP、UDP或ICMP等。 首部校驗(yàn)和：占16比特，此字段只檢驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)的首部，不包括數(shù)據(jù)部分。 任選字段：支持各種選項(xiàng)，提供擴(kuò)展余地。根據(jù)選項(xiàng)的不同，該字段是

5、可變長(zhǎng)的，從1字節(jié)到40字節(jié)，可用來支持排錯(cuò)、測(cè)量以及安全等措施。 IP地址：占32比特，32位的源地址與目的地址分別指出源主機(jī)和目的主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)地址。,11.1以太網(wǎng)概述,11.1 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 （4）ARP（Address Resolution Protocol）地址解析協(xié)議 ARP協(xié)議實(shí)現(xiàn)了從IP地址到對(duì)應(yīng)物理地址的轉(zhuǎn)換。希望把IP地址翻譯成硬件地址的主機(jī)使用廣播地址向網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)包括IP地址的ARP請(qǐng)求數(shù)據(jù)包，目的主機(jī)的ARP收到這份廣播報(bào)文后，識(shí)別出這是發(fā)送端在詢問它的IP地址，于是發(fā)送一個(gè)包含目的主機(jī)IP地址及對(duì)應(yīng)的MAC地址的ARP應(yīng)答給源主機(jī)。 為了加快ARP

6、協(xié)議解析的數(shù)據(jù)，每臺(tái)主機(jī)上都有一個(gè)ARP高速緩存，存放最近的IP地址到硬件地址之間的映射記錄。這樣，當(dāng)在ARP的生存時(shí)間之內(nèi)連續(xù)進(jìn)行ARP解析的時(shí)候，就不需要反復(fù)發(fā)送ARP請(qǐng)求了。,11.1以太網(wǎng)概述,11.1 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 （5）SLIP（Serial Line Internet Protocol）串行線路網(wǎng)際協(xié)議 用戶接入Internet，在傳送數(shù)據(jù)時(shí)都需要有數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，其中最為廣泛的是串行 線路網(wǎng)際協(xié)議（SLIP）和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議（PPP）。 SLIP是一種在串行線路上對(duì)IP數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行封裝的簡(jiǎn)單形式，該協(xié)議是Windows遠(yuǎn)程訪問的一種舊工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，主要在Unix遠(yuǎn)程訪問服務(wù)器中使

7、用，現(xiàn)今仍然用于連接某些ISP。因?yàn)镾LIP協(xié)議是面向低速串行線路的，可以用于專用線路，也可以用于撥號(hào)線路，Modem的傳輸速率在1200bps到19200bps。,11.1以太網(wǎng)概述,11.1 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 （6）PPP（Point to Point Protocol） 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議 PPP是面向字符類型的協(xié)議。PPP具有處理錯(cuò)誤檢測(cè)、支持多個(gè)協(xié)議、允許在連接時(shí)刻協(xié)商IP地址、允許身份認(rèn)證等功能。,圖11-3 PPP幀格式,11.2以太網(wǎng),11.2.1以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),總線拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是：電纜長(zhǎng)度短，易于布線和維護(hù)；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳輸介質(zhì)又是無源元件，從硬件的角度看，十分可靠。 總線拓?fù)涞娜秉c(diǎn)

8、是：因?yàn)榭偩€拓?fù)涞木W(wǎng)不是集中控制的，所以故障檢測(cè)需要在網(wǎng)上的各個(gè)站點(diǎn)上進(jìn)行；在擴(kuò)展總線的干線長(zhǎng)度時(shí)，需重新配置中繼器、剪裁電纜、調(diào)整終端器等；總線上的站點(diǎn)需要介質(zhì)訪問控制功能，這就增加了站點(diǎn)的硬件和軟件費(fèi)用。,11.2以太網(wǎng),11.2.2以太網(wǎng)協(xié)議 以太網(wǎng)采用載波監(jiān)聽沖突檢測(cè)CSMA/CD，其工作原理是：發(fā)送數(shù)據(jù)前先監(jiān)聽信道是否空閑，若空閑，則立即發(fā)送數(shù)據(jù)。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，邊發(fā)送邊繼續(xù)監(jiān)聽，若監(jiān)聽到?jīng)_突，則立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)，這種在傳輸?shù)倪^程中監(jiān)測(cè)電纜的方法稱為沖突檢測(cè)。 CSMA/CD不僅僅只檢測(cè)沖突，它也能從沖突中恢復(fù)。在一個(gè)沖突發(fā)生后，計(jì)算機(jī)必須等待電纜再次空閑后才能傳輸幀。然而，如果以太網(wǎng)

9、一空閑計(jì)算機(jī)就開始傳輸，那么另一次沖突就會(huì)發(fā)生。為了防止多次沖突，以太網(wǎng)要求每臺(tái)計(jì)算機(jī)在沖突后延遲一段時(shí)間才嘗試傳輸。標(biāo)準(zhǔn)指定了最大延遲d，并且要求每臺(tái)計(jì)算機(jī)選擇一個(gè)小于d的隨機(jī)延遲。,11.2以太網(wǎng),11.2.3以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu),同步位：由8個(gè)（以太網(wǎng)幀）或7個(gè)（IEEE802.3）字節(jié)的交替出現(xiàn)的1和0組成，設(shè)置該字段的目的是指示幀的開始并便于網(wǎng)絡(luò)中的所有接收器均能與到達(dá)幀同步。 幀首定界符（SOF）：該字段僅在IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)中有效，它可以被看作前序字段的延續(xù)。 目標(biāo)和源地址：表示發(fā)送和接收幀的工作站的地址，各占6個(gè)字節(jié)。,11.2以太網(wǎng),11.2.3以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu),類型：僅存在于以太網(wǎng)

10、幀中，占用2個(gè)字節(jié)，指定接收數(shù)據(jù)的高層協(xié)議。 長(zhǎng)度：存在于IEEE 802.3幀中，表示緊隨其后的以字節(jié)為單位的數(shù)據(jù)段的長(zhǎng)度。 數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度不能超過1500字節(jié)，不能低于46字節(jié)。 幀校驗(yàn)序列（FSC）：該序列包含長(zhǎng)度為4個(gè)字節(jié)的循環(huán)冗余校驗(yàn)值（CRC），由發(fā)送設(shè)備計(jì)算產(chǎn)生，在接收方被重新計(jì)算，以確定幀在傳送過程中是否被損壞。,11.3 嵌入式網(wǎng)絡(luò)接口,網(wǎng)卡工作在網(wǎng)絡(luò)OSI模型的最后兩層，物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。物理層定義了數(shù)據(jù)傳送與接收所需要的電與光信號(hào)、線路狀態(tài)、時(shí)鐘基準(zhǔn)、數(shù)據(jù)編碼和電路等，并向數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)接口。物理層的芯片稱之為PHY。數(shù)據(jù)鏈路層則提供尋址機(jī)構(gòu)、數(shù)據(jù)幀的構(gòu)建、數(shù)

11、據(jù)差錯(cuò)檢查、傳送控制、向網(wǎng)絡(luò)層提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口等功能。以太網(wǎng)卡中數(shù)據(jù)鏈路層的芯片稱之為MAC控制器。,11.3 嵌入式網(wǎng)絡(luò)接口,1、內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)的微處理器 將微控制器、以太網(wǎng)媒體接入控制器(MAC)和物理接口收發(fā)器(PHY)整合進(jìn)同一芯片，這樣能去掉許多外接元器件。這種方案可使MAC和PHY實(shí)現(xiàn)很好的匹配，同時(shí)還可減小引腳數(shù)、縮小芯片面積。 2、通過以太網(wǎng)芯片擴(kuò)充網(wǎng)絡(luò) （1）RTL8019 RTL8019AS是一種全雙工即插即用的以太網(wǎng)控制器，它在一塊芯片上集成了RTL8019內(nèi)核和一個(gè)16KB的SDRAM存儲(chǔ)器。,11.3 嵌入式網(wǎng)絡(luò)接口,2、通過以太網(wǎng)芯片擴(kuò)充網(wǎng)絡(luò) （2）CS8900 CS8

12、900A是CIRRUS LOGIC公司生產(chǎn)的低功耗、性能優(yōu)越的16位以太網(wǎng)控制器，功能強(qiáng)大。該芯片的突出特點(diǎn)是使用靈活，其物理層接口、數(shù)據(jù)傳輸模式和工作模式等都能根據(jù)需要而動(dòng)態(tài)調(diào)整，通過內(nèi)部寄存器的設(shè)置來適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境。 （3）ENC28J60 ENC28J60是Microchip Technology（美國(guó)微芯科技公司）近期推出的28引腳獨(dú)立以太網(wǎng)控制器。 （4）DM9000 DM9000是一款完全集成、符合成本效益單芯片快速以太網(wǎng)MAC控制器與一般處理接口，一個(gè)10/100M自適應(yīng)的PHY和4K DWORD值的SRAM。,11.4嵌入式Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng),11.4.1 Linux網(wǎng)絡(luò)設(shè)

13、備驅(qū)動(dòng)程序的體系結(jié)構(gòu),11.4嵌入式Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng),11.4.2 網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序的基本方法 （1）初始化（initialize） 驅(qū)動(dòng)程序必須有一個(gè)初始化方法。在把驅(qū)動(dòng)程序載入系統(tǒng)的時(shí)候會(huì)調(diào)用這個(gè)初始化程序。它做以下幾方面的工作。檢測(cè)設(shè)備。在初始化程序里你可以根據(jù)硬件的特征檢查硬件是否存在，然后決定是否啟動(dòng)這個(gè)驅(qū)動(dòng)程序。 （2）打開（open） open這個(gè)方法在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序里是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備被激活的時(shí)候被調(diào)用（即設(shè)備狀態(tài)由down-up）。 （3）關(guān)閉（stop） close方法做和open相反的工作?？梢葬尫拍承┵Y源以減少系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。close是在設(shè)備狀態(tài)由up轉(zhuǎn)為down時(shí)被調(diào)用的。,11

14、.4嵌入式Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng),11.4.2 網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序的基本方法 （4）發(fā)送（hard_start_xmit） 所有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序都必須有這個(gè)發(fā)送方法。在系統(tǒng)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的xmit時(shí)，發(fā)送的數(shù)據(jù)放在一個(gè)sk_buff結(jié)構(gòu)中。一般的驅(qū)動(dòng)程序把數(shù)據(jù)傳給硬件發(fā)出去。也有一些特殊的設(shè)備比如loopback把數(shù)據(jù)組成一個(gè)接收數(shù)據(jù)再回送給系統(tǒng)，或者dummy設(shè)備直接丟棄數(shù)據(jù)。 （5）接收（reception） 驅(qū)動(dòng)程序并不存在一個(gè)接收方法。有數(shù)據(jù)收到應(yīng)該是驅(qū)動(dòng)程序來通知系統(tǒng)的。一般設(shè)備收到數(shù)據(jù)后都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷，在中斷處理程序中驅(qū)動(dòng)程序申請(qǐng)一塊sk_buff(skb)，從硬件讀出數(shù)據(jù)放置到申請(qǐng)好的緩

15、沖區(qū)里。接下來填充sk_buff中的一些信息。skb-dev = dev，判斷收到幀的協(xié)議類型，填入skb-protocol（多協(xié)議的支持）。,11.4嵌入式Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng),11.4.2 網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序的基本方法 （6）硬件幀頭（hard_header） 硬件一般都會(huì)在上層數(shù)據(jù)發(fā)送之前加上自己的硬件幀頭，比如以太網(wǎng)(Ethernet)就有14字節(jié)的幀頭。這個(gè)幀頭是加在上層ip、ipx等數(shù)據(jù)包的前面的。驅(qū)動(dòng)程序提供一個(gè)hard_header方法，協(xié)議層(ip、ipx、arp等)在發(fā)送數(shù)據(jù)之前會(huì)調(diào)用這段程序。 （7）地址解析（xarp） （8）參數(shù)設(shè)置和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù) 在驅(qū)動(dòng)程序里還提供一些方法供系統(tǒng)

16、對(duì)設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和讀取信息。一般只有超級(jí)用戶(root)權(quán)限才能對(duì)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。,11.4嵌入式Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng),11.4.3 網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)中主要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) （1）net_device 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) struct net_device結(jié)構(gòu)體是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的核心，其中定義了很多供網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接口層調(diào)用設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)方法，供操作系統(tǒng)或協(xié)議層調(diào)用，該結(jié)構(gòu)在2.6內(nèi)核源碼樹文件中定義，在內(nèi)核目錄的/include/linux/netdevice.h，其英文注釋非常詳細(xì)，其整個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分為可見部分和隱藏部分。,11.4嵌入式Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng),11.4.3 網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)中主要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) （2）sk_buff

17、Linux網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)各個(gè)層次之間的數(shù)據(jù)傳送都是通過套接字緩沖區(qū)sk_buff完成的，sk_buff數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是各層協(xié)議數(shù)據(jù)處理的對(duì)象。sk_buff是驅(qū)動(dòng)程序與網(wǎng)絡(luò)之間交換數(shù)據(jù)的媒介，驅(qū)動(dòng)程序向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，必須從其中獲取數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；驅(qū)動(dòng)程序從網(wǎng)絡(luò)上接收到數(shù)據(jù)后也要將數(shù)據(jù)保存到sk_buff中才能交給上層協(xié)議處理。,11.5網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序的移植及分析,linux2.6內(nèi)核已經(jīng)自帶了DM9000網(wǎng)卡芯片的支持，因此，只需要在其基礎(chǔ)上稍加改動(dòng)，讓系統(tǒng)能正確的檢測(cè)到設(shè)備、初始化網(wǎng)卡，讓驅(qū)動(dòng)找到收發(fā)的接口，一般也就是中斷/DMA就可以了。 （1）定義設(shè)備結(jié)構(gòu)（在arch/arm/plat-s3c24xx/devs.c中） （2）在include/asm-arm/plat-s3c24xx/devs.h 文件中添加一行 （3）在arch/arm/mach-s3c2410/mach-smdk2410