基于USB設備的Linux網(wǎng)絡驅(qū)動程序開發(fā)
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做為開放源代碼 (Open Source) 運動重要組成部分，Linux操作系統(tǒng)吸引了數(shù)以萬計的程序員共同開發(fā)。由于Linux比較完整的繼承了各種UNIX版本的穩(wěn)定和高效，并且克服和改進了傳統(tǒng)UNIX中的很多缺點，更因為其開放的開發(fā)模式，Linux成為一個具有強大網(wǎng)絡服務功能的操作系統(tǒng)。它支持主流的TCP/IP以及IPX/SPX、 NETBEUI等眾多網(wǎng)絡協(xié)議，無論在嵌入式系統(tǒng)，服務器還是桌面操作系統(tǒng)領域，Linux都取得了廣泛的應用。網(wǎng)絡驅(qū)動程序和網(wǎng)絡硬件設備實現(xiàn)網(wǎng)絡協(xié)議棧中的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，對上層協(xié)議提供支持，是網(wǎng)絡協(xié)議棧的重要組成部分，對Linux的網(wǎng)絡性能起著決定作用。本文主要討論基于USB總線的 Linux網(wǎng)絡驅(qū)動程序的設計和實現(xiàn)方法。
2. Linux體系結(jié)構(gòu)
出于穩(wěn)定性和安全性的考慮，現(xiàn)代處理器往往具有至少兩個運行級別。權(quán)限較低的級別無法訪問所有的寄存器，不能對硬件直接操作。而權(quán)限較高的級別能夠進行所有的硬件操作和訪問任何系統(tǒng)資源。Linux設計充分利用了現(xiàn)代處理器的上述特性，其內(nèi)核部分運行于高權(quán)限級別，應用程序運行于低權(quán)限級別。作為宏內(nèi)核結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)，Linux將進程管理、內(nèi)存管理、網(wǎng)絡協(xié)議棧、設備驅(qū)動和文件系統(tǒng)等服務都集成在內(nèi)核中，而應用程序則通過系統(tǒng)調(diào)用與內(nèi)核通訊，內(nèi)核結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1
圖2
Linux網(wǎng)絡子系統(tǒng)基本可以分為系統(tǒng)調(diào)用接口、BSD套接字、INET套接字、TCP/IP以及數(shù)據(jù)鏈路層。其中，BSD套接字由INET套接字層提供支持，而INET套接字管理著基于IP的TCP或UDP協(xié)議端，實現(xiàn)IP分組排序以及控制網(wǎng)絡子系統(tǒng)效率等功能。各種網(wǎng)絡驅(qū)動程序位于IP層之下，它們具有訪問硬件設備的能力，實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層的功能。網(wǎng)絡子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。
3. Linux網(wǎng)絡驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)
一個完整的驅(qū)動程序是一組回調(diào)（Callback）函數(shù)的集合。內(nèi)核根據(jù)用戶或自身的需要來調(diào)用驅(qū)動程序提供的函數(shù)指針，將控制或數(shù)據(jù)請求交給相應的驅(qū)動程序。驅(qū)動程序負責了解相應硬件設備的訪問和控制方式，將內(nèi)核的請求翻譯成設備可以理解的操作。這樣的層次結(jié)構(gòu)使得內(nèi)核不必了解硬件設備的訪問機制和細節(jié)，驅(qū)動程序也無需明白內(nèi)核的控制策略，大大提高了驅(qū)動程序的兼容性，同時也方便了程序的調(diào)試。根據(jù)驅(qū)動程序類型的不同，內(nèi)核要求驅(qū)動程序提供的回調(diào)函數(shù)也不同。
Linux下的Ethernet驅(qū)動程序需要注冊的回調(diào)函數(shù)分為“必要”和“可選”兩類?！氨匾钡幕卣{(diào)函數(shù)是指一個Ethernet驅(qū)動程序正常工作所需要的回調(diào)函數(shù)最小集合，而“可選”的回調(diào)函數(shù)則是在“必要”的基礎上提供更豐富的特性和功能?！氨匾钡幕卣{(diào)函數(shù)如表1所示。
函數(shù)名稱 | 功能 |
open | 打開網(wǎng)絡接口；將硬件設備配置為正常工作狀態(tài)。 |
stop | 關閉網(wǎng)絡接口；停止硬件設備工作，釋放打開該接口時分配的系統(tǒng)資源。 |
tx_timeout | 當上層協(xié)議認為某個數(shù)據(jù)包發(fā)送超時的時候調(diào)用；該函數(shù)應該解決數(shù)據(jù)包發(fā)送超時問題，并保證函數(shù)返回以后，數(shù)據(jù)包能夠正常發(fā)送。 |
hard_start_xmit | 由上層協(xié)議在希望發(fā)送數(shù)據(jù)包時調(diào)用；將來自上層協(xié)議的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為硬件設備能夠處理的格式，發(fā)送至硬件設備。 |
get_stats | 當上層希望了解驅(qū)動程序控制的網(wǎng)絡設備的統(tǒng)計信息的時候被調(diào)用。 |
hard_header | 根據(jù)網(wǎng)絡子系統(tǒng)先前地址解析的結(jié)果，構(gòu)造數(shù)據(jù)包的硬件包頭。 |
rebuild_header | 在ARP解析完成之后，由上層協(xié)議在發(fā)送任何新數(shù)據(jù)包之間調(diào)用，重新構(gòu)造硬件包頭。 |
set_config | 改變網(wǎng)絡接口的配置，例如中斷號和I/O地址等。 |
表1
為了方便Ethernet驅(qū)動程序的設計，Linux內(nèi)核為hard_header、rebuild_header和set_config提供了通用的回調(diào)函數(shù)。如果對硬件包頭或設備配置沒有特殊的要求，通用的回調(diào)函數(shù)就能夠滿足網(wǎng)絡子系統(tǒng)的要求。
4. 基于USB總線的Linux網(wǎng)絡驅(qū)動程序設計
4．1 USB設備的訪問和控制
與PCI、ISA等設備不同，USB、1394等新一代總線沒有IO/MEM映射、中斷和DMA硬件資源。取而代之的，是抽象出來的硬件資源概念。對于USB設備來說，資源主要包括配置（configuration）、接口（interface）和端點（endpoint）。三者之間的關系如圖3所示。
linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）
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