基于USB設(shè)備的Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)

做為開(kāi)放源代碼 (Open Source) 運(yùn)動(dòng)重要組成部分，Linux操作系統(tǒng)吸引了數(shù)以萬(wàn)計(jì)的程序員共同開(kāi)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(jìn)了傳統(tǒng)UNIX中的很多缺點(diǎn)，更因?yàn)槠溟_(kāi)放的開(kāi)發(fā)模式，Linux成為一個(gè)具有強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)服務(wù)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(luò)協(xié)議，無(wú)論在嵌入式系統(tǒng)，服務(wù)器還是桌面操作系統(tǒng)領(lǐng)域，Linux都取得了廣泛的應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序和網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，對(duì)上層協(xié)議提供支持，是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的重要組成部分，對(duì)Linux的網(wǎng)絡(luò)性能起著決定作用。本文主要討論基于USB總線的 Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)和實(shí)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(gè)運(yùn)行級(jí)別。權(quán)限較低的級(jí)別無(wú)法訪問(wèn)所有的寄存器，不能對(duì)硬件直接操作。而權(quán)限較高的級(jí)別能夠進(jìn)行所有的硬件操作和訪問(wèn)任何系統(tǒng)資源。Linux設(shè)計(jì)充分利用了現(xiàn)代處理器的上述特性，其內(nèi)核部分運(yùn)行于高權(quán)限級(jí)別，應(yīng)用程序運(yùn)行于低權(quán)限級(jí)別。作為宏內(nèi)核結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)，Linux將進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、設(shè)備驅(qū)動(dòng)和文件系統(tǒng)等服務(wù)都集成在內(nèi)核中，而應(yīng)用程序則通過(guò)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(luò)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(shí)現(xiàn)IP分組排序以及控制網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)效率等功能。各種網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序位于IP層之下，它們具有訪問(wèn)硬件設(shè)備的能力，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層的功能。網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3. Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)

一個(gè)完整的驅(qū)動(dòng)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(lái)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序提供的函數(shù)指針，將控制或數(shù)據(jù)請(qǐng)求交給相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)了解相應(yīng)硬件設(shè)備的訪問(wèn)和控制方式，將內(nèi)核的請(qǐng)求翻譯成設(shè)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(shè)備的訪問(wèn)機(jī)制和細(xì)節(jié)，驅(qū)動(dòng)程序也無(wú)需明白內(nèi)核的控制策略，大大提高了驅(qū)動(dòng)程序的兼容性，同時(shí)也方便了程序的調(diào)試。根據(jù)驅(qū)動(dòng)程序類型的不同，內(nèi)核要求驅(qū)動(dòng)程序提供的回調(diào)函數(shù)也不同。

Linux下的Ethernet驅(qū)動(dòng)程序需要注冊(cè)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(gè)Ethernet驅(qū)動(dòng)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(chǔ)上提供更豐富的特性和功能。“必要”的回調(diào)函數(shù)如表1所示。

表1

為了方便Ethernet驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)，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(duì)硬件包頭或設(shè)備配置沒(méi)有特殊的要求，通用的回調(diào)函數(shù)就能夠滿足網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的要求。

4. 基于USB總線的Linux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

4．1 USB設(shè)備的訪問(wèn)和控制

與PCI、ISA等設(shè)備不同，USB、1394等新一代總線沒(méi)有IO/MEM映射、中斷和DMA硬件資源。取而代之的，是抽象出來(lái)的硬件資源概念。對(duì)于USB設(shè)備來(lái)說(shuō)，資源主要包括配置（configuration）、接口（interface）和端點(diǎn)（endpoint）。三者之間的關(guān)系如圖3所示。