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Linux系统e1000e网络驱动源码(最深入)分析过程

  • 2026-10-11 05:56:35
Linux系统e1000e网络驱动源码(最深入)分析过程

简介

本文讲解得e1000e网卡驱动主要用于intel网卡,以驱动的设计流程,分析整个驱动的接收和发送包过程。

首先介绍4个e1000e基础知识: 1)PCIE的配置空间初始化:PCIE卡都遵循一个标准,  x86通过往2个内存地址读写就可以控制IO桥访问一个内部寄存器+一个地址偏移, 就可以读写PCI的配置空间, 操作系统实际上就是用这个机制, 判断卡位是否插上了卡, 卡是否合法, 以及写对应的配置区域(相当于初始化); 2)msix机制及初始化:OS在初始化配置区的时候, 会根据卡将pci卡的msix起始地址写到pci配置的扩展能力区域,  驱动只需要去读取对应的区域, 像os申请msix向量, 即可使用msix中断是一种特殊的中断, 不需要中断线, 但需要PCIE具备msix能力, 主机也必须支持apic才可.  当系统初始化时, 同时初始化主机上2个特殊硬件, IOAPIC和LocalAPIC,  在内存虚拟地址中开辟一段内存,  给每个cpu分配中断向量. 后面只要往这个内存上写触发设备信息, 那么就会被内存控制器劫持,  内存控制立即明白这是有外设触发了中断, 通知ioapic发送广播,  当对应的cpu判断对应的向量, 知道这个是要被自己处理, 就会处理这个中断。 3)napi机制:napi也是网络设备的一个机制,  把设备的napi的list挂到系统上, 随即发送一个软中断,  调用一个回调函数 4) dma机制:e1000采用的是自动收发, 就是说数据包从网卡的fifo到skb里面,  或者从skb到网卡的fifo是由dma自动完成的,  在完成后会触发msix中断

下面进行源码的分析:1、注册网卡驱动:

static int __inite1000_init_module(void){        return pci_register_driver(&e1000_driver);}module_init(e1000_init_module);

e1000_init_module() 只干了一个事情, 注册了一个pci驱动结构体到pci驱动链表, 当pci注册后, 根据pci驱动框架, 匹配成功后自然会执行probe函数。

static struct pci_driver e1000_driver = {        .name     = e1000e_driver_name,        .id_table = e1000_pci_tbl,        .probe    = e1000_probe,        .remove   = e1000_remove,        .driver   = {                .pm = &e1000_pm_ops,        },};

probe函数主要做以下工作: 1、协调bus总线宽度 2、分配虚拟地址映射地址 3、分配并初始化网络设备,主要描述硬件, 及设备内存, 控制调度等信息 4、初始化网卡的收发队列net_queue、网卡的mac地址链表、 name space挂载到内核链表、 报文最大长度、napi、设备名称、硬件frame长度、 映射bar0空间、分配中断信息、分配adapter的ring结构、读取eeprom的信息等等…

staticinte1000_probe(struct pci_dev *pdev, conststruct pci_device_id *ent){        struct net_device *netdev;        struct e1000_adapter *adapter;        struct e1000_hw *hw;        const struct e1000_info *ei = e1000_info_tbl[ent->driver_data];        resource_size_t mmio_start, mmio_len;        resource_size_t flash_start, flash_len;        err = dma_set_mask_and_coherent(&pdev->dev, DMA_BIT_MASK(64));//协调总线宽度        if (!err) {                pci_using_dac = 1;        } else {                err = dma_set_mask_and_coherent(&pdev->dev, DMA_BIT_MASK(32));                if (err) {                        dev_err(&pdev->dev,                                "No usable DMA configuration, aborting\n");                        goto err_dma;                }        }        bars = pci_select_bars(pdev, IORESOURCE_MEM);//映射bar        err = pci_request_selected_regions_exclusive(pdev, bars,                                                     e1000e_driver_name); // 霸占虚拟地址映地址        pci_set_master(pdev);         /* PCI config space info */        err = pci_save_state(pdev);        netdev = alloc_etherdev(sizeof(struct e1000_adapter));  //分配并初始化网络设备        if (!netdev)                goto err_alloc_etherdev;        SET_NETDEV_DEV(netdev, &pdev->dev);        netdev->irq = pdev->irq;        pci_set_drvdata(pdev, netdev);        adapter = netdev_priv(netdev);        mmio_start = pci_resource_start(pdev, 0);        mmio_len = pci_resource_len(pdev, 0);        adapter->hw.hw_addr = ioremap(mmio_start, mmio_len);        if (!adapter->hw.hw_addr)                goto err_ioremap;        if ((adapter->flags & FLAG_HAS_FLASH) &&            (pci_resource_flags(pdev, 1) & IORESOURCE_MEM) &&            (hw->mac.type < e1000_pch_spt)) {                flash_start = pci_resource_start(pdev, 1);                flash_len = pci_resource_len(pdev, 1);                adapter->hw.flash_address = ioremap(flash_start, flash_len);                if (!adapter->hw.flash_address)                        goto err_flashmap;        }        /* Set default EEE advertisement */        if (adapter->flags2 & FLAG2_HAS_EEE)                adapter->eee_advert = MDIO_EEE_100TX | MDIO_EEE_1000T;        /* construct the net_device struct */        netdev->netdev_ops = &e1000e_netdev_ops;         e1000e_set_ethtool_ops(netdev);        netdev->watchdog_timeo = 5 * HZ;        netif_napi_add(netdev, &adapter->napi, e1000e_poll, 64);        strlcpy(netdev->name, pci_name(pdev), sizeof(netdev->name));        netdev->mem_start = mmio_start;        netdev->mem_end = mmio_start + mmio_len;        adapter->bd_number = cards_found++;        e1000e_check_options(adapter);        /* setup adapter struct */        e1000_sw_init(adapter);        if (hw->phy.ops.check_reset_block && hw->phy.ops.check_reset_block(hw))                dev_info(&pdev->dev,                         "PHY reset is blocked due to SOL/IDER session.\n");               e1000_eeprom_checks(adapter);//读取eeprom的信息        /* copy the MAC address */        e1000e_read_mac_addr(&adapter->hw);        memcpy(netdev->dev_addr, adapter->hw.mac.addr, netdev->addr_len);//初始化e1000_adapter成员参数        init_timer(&adapter->watchdog_timer);        adapter->watchdog_timer.function = e1000_watchdog;        adapter->watchdog_timer.data = (unsigned long)adapter;        /* reset the hardware with the new settings */        e1000e_reset(adapter);//重置e1000e网卡        /* If the controller has AMT, do not set DRV_LOAD until the interface         * is up.  For all other cases, let the f/w know that the h/w is now         * under the control of the driver.         */        if (!(adapter->flags & FLAG_HAS_AMT))                e1000e_get_hw_control(adapter);        strlcpy(netdev->name, "eth%d", sizeof(netdev->name));        err = register_netdev(netdev);//注册网卡驱动        /* carrier off reporting is important to ethtool even BEFORE open */        netif_carrier_off(netdev);        e1000_print_device_info(adapter);        return 0;}

这个阶段有2个部分需要注意:

  1. 网络设备基础信息被分配, 但是真正数据传输相关结构和内存没有分配, 中断线没有分配,  也就是说, 这个过程仅仅实例化了一个网卡设备的空壳, 并没有占用实际的硬件资源。
  2. struct net_device的操作函数被初始化, 也就是说, 后面后面网卡执行up和down的时候, 就可直接调用网卡的ops方法 . 这种设计是非常好的, 用的时候分配, 不用的时候不占用资源。

2、网卡up过程 调用e1000_open函数: 分配adapter->tx_ring的desc一致性内存, 共256个desc, 并初始化tx_ring,desc是真正要分配给dma控制器的:

inte1000e_setup_tx_resources(struct e1000_ring *tx_ring){        struct e1000_adapter *adapter = tx_ring->adapter;        int err = -ENOMEM, size;        size = sizeof(struct e1000_buffer) * tx_ring->count;        tx_ring->buffer_info = vzalloc(size);        if (!tx_ring->buffer_info)                goto err;        /* round up to nearest 4K */        tx_ring->size = tx_ring->count * sizeof(struct e1000_tx_desc);        tx_ring->size = ALIGN(tx_ring->size, 4096);        e1000_alloc_ring_dma(adapter, tx_ring);}

分配adapter的buffer_info结构, 共256个,buffer_info只是一个描述结构体

inte1000e_setup_rx_resources(struct e1000_ring *rx_ring){        struct e1000_adapter *adapter = rx_ring->adapter;        struct e1000_buffer *buffer_info;        int i, size, desc_len, err = -ENOMEM;        size = sizeof(struct e1000_buffer) * rx_ring->count;        rx_ring->buffer_info = vzalloc(size);        for (i = 0; i < rx_ring->count; i++) {                buffer_info = &rx_ring->buffer_info[i];                buffer_info->ps_pages = kcalloc(PS_PAGE_BUFFERS,                                                sizeof(struct e1000_ps_page),                                                GFP_KERNEL);                if (!buffer_info->ps_pages)                        goto err_pages;        }        desc_len = sizeof(union e1000_rx_desc_packet_split);        /* Round up to nearest 4K */        rx_ring->size = rx_ring->count * desc_len;        rx_ring->size = ALIGN(rx_ring->size, 4096);        e1000_alloc_ring_dma(adapter, rx_ring);}

e1000_configure主要做下面的工作: 1、设置收包模式, 设置管理信息等; 2、设置发包函数dma控制的传输地址; 3、设置收包函数内存分配回调函数和清理回调函数以及设置dma控制的传输地址。

staticvoide1000_configure(struct e1000_adapter *adapter){        struct e1000_ring *rx_ring = adapter->rx_ring;        e1000e_set_rx_mode(adapter->netdev);        e1000_restore_vlan(adapter);        e1000_init_manageability_pt(adapter);        e1000_configure_tx(adapter);//设置dma控制的传输地址        if (adapter->netdev->features & NETIF_F_RXHASH)                e1000e_setup_rss_hash(adapter);        e1000_setup_rctl(adapter);        e1000_configure_rx(adapter);//设置收包函数内存分配回调函数, 和清理回调函数. 及设置dma控制的传输地址        adapter->alloc_rx_buf(rx_ring, e1000_desc_unused(rx_ring), GFP_KERNEL);}

然后调用发包函数e1000_configure_tx:

staticvoide1000_configure_tx(struct e1000_adapter *adapter){        struct e1000_hw *hw = &adapter->hw;        struct e1000_ring *tx_ring = adapter->tx_ring;        u64 tdba;        u32 tdlen, tctl, tarc;        /* Setup the HW Tx Head and Tail descriptor pointers */        tdba = tx_ring->dma;}

最后调用收包函数e1000_configure_rx:

staticvoide1000_configure_rx(struct e1000_adapter *adapter){        struct e1000_hw *hw = &adapter->hw;        struct e1000_ring *rx_ring = adapter->rx_ring;        u64 rdba;        u32 rdlen, rctl, rxcsum, ctrl_ext;                rdlen = rx_ring->count * sizeof(union e1000_rx_desc_extended);                adapter->clean_rx = e1000_clean_rx_irq;                adapter->alloc_rx_buf = e1000_alloc_rx_buffers;		rdba = rx_ring->dma;}

e1000_clean_rx_irq: 收包函数 (umap已收取的报文skb, 并申请新的skb, 做dma map到desc上, 并把报文传递给e1000_receive_skb(内核中上层报文处理函数:

staticboole1000_clean_rx_irq(struct e1000_ring *rx_ring, int *work_done,                               int work_to_do){dma_rmb();      /* read descriptor and rx_buffer_info after status DD */                skb = buffer_info->skb;                buffer_info->skb = NULL;                cleaned_count++;                dma_unmap_single(&pdev->dev, buffer_info->dma,                                 adapter->rx_buffer_len, DMA_FROM_DEVICE);                buffer_info->dma = 0;                length = le16_to_cpu(rx_desc->wb.upper.length);                if (length < copybreak) {                        struct sk_buff *new_skb =                                napi_alloc_skb(&adapter->napi, length);                e1000_receive_skb(adapter, netdev, skb, staterr,                                  rx_desc->wb.upper.vlan);}                          

e1000_alloc_rx_buffers函数主要进行skb分配256个, 同时将skb的物理地址传给dma控制器, 并提示dma可以0处开始收包, 可以一直收256个:

staticvoide1000_alloc_rx_buffers(struct e1000_ring *rx_ring,                                   int cleaned_count, gfp_t gfp){        struct e1000_adapter *adapter = rx_ring->adapter;        struct net_device *netdev = adapter->netdev;        struct pci_dev *pdev = adapter->pdev;        union e1000_rx_desc_extended *rx_desc;        struct e1000_buffer *buffer_info;        struct sk_buff *skb;        unsigned int i;        unsigned int bufsz = adapter->rx_buffer_len;        i = rx_ring->next_to_use;        buffer_info = &rx_ring->buffer_info[i];        while (cleaned_count--) {                skb = buffer_info->skb;                if (skb) {                        skb_trim(skb, 0);                        goto map_skb;                }                skb = __netdev_alloc_skb_ip_align(netdev, bufsz, gfp);                if (!skb) {                        /* Better luck next round */                        adapter->alloc_rx_buff_failed++;                        break;                }        }       buffer_info->skb = skb;map_skb:                buffer_info->dma = dma_map_single(&pdev->dev, skb->data,                                                  adapter->rx_buffer_len,                                                  DMA_FROM_DEVICE);}

2、申请msix中断和常规中断

static int e1000_request_irq(struct e1000_adapter *adapter){        struct net_device *netdev = adapter->netdev;        int err;        if (adapter->msix_entries) {                err = e1000_request_msix(adapter);                if (!err)                        return err;                /* fall back to MSI */                e1000e_reset_interrupt_capability(adapter);                adapter->int_mode = E1000E_INT_MODE_MSI;                e1000e_set_interrupt_capability(adapter);        }        if (adapter->flags & FLAG_MSI_ENABLED) {                err = request_irq(adapter->pdev->irq, e1000_intr_msi, 0,                                  netdev->name, netdev);                if (!err)                        return err;                /* fall back to legacy interrupt */                e1000e_reset_interrupt_capability(adapter);                adapter->int_mode = E1000E_INT_MODE_LEGACY;        }        err = request_irq(adapter->pdev->irq, e1000_intr, IRQF_SHARED,                          netdev->name, netdev);        return err;}

e1000_request_msix函数分别注册了3个中断函数: e1000_intr_msix_rx,    e1000_intr_msix_tx  , e1000_msix_other

static int e1000_request_msix(struct e1000_adapter *adapter){        struct net_device *netdev = adapter->netdev;        int err = 0, vector = 0;        err = request_irq(adapter->msix_entries[vector].vector,                          e1000_intr_msix_rx, 0, adapter->rx_ring->name,                          netdev);        err = request_irq(adapter->msix_entries[vector].vector,                          e1000_intr_msix_tx, 0, adapter->tx_ring->name,                          netdev);        adapter->tx_ring->itr_register = adapter->hw.hw_addr +            E1000_EITR_82574(vector);        adapter->tx_ring->itr_val = adapter->itr;        vector++;        err = request_irq(adapter->msix_entries[vector].vector,                          e1000_msix_other, 0, netdev->name, netdev);        e1000_configure_msix(adapter);//设置dma发送中断的频率以及内容        return 0;}

e1000_intr_msix_rx: 调用系统收包函数. 通过调用发送软中断, 通知内核调度网卡napi的poll函数. 调用e1000_clean, 这个函数清理收队列skb的映射信息. 申请同等数量的skb, 同时根据流量, 设置是否卡其常规中断

staticirqreturn_te1000_intr_msix_rx(int __always_unused irq, void *data){        struct net_device *netdev = data;        struct e1000_adapter *adapter = netdev_priv(netdev);        struct e1000_ring *rx_ring = adapter->rx_ring;        /* Write the ITR value calculated at the end of the         * previous interrupt.         */        if (rx_ring->set_itr) {                u32 itr = rx_ring->itr_val ?                          1000000000 / (rx_ring->itr_val * 256) : 0;                writel(itr, rx_ring->itr_register);                rx_ring->set_itr = 0;        }        if (napi_schedule_prep(&adapter->napi)) {                adapter->total_rx_bytes = 0;                adapter->total_rx_packets = 0;                __napi_schedule(&adapter->napi);        }        return IRQ_HANDLED;}

e1000_intr_msix_tx: 清理中间信息. 调用e1000_clean_tx_irq释放已经发送完成的skb内存, 解除skb的dma映射:

staticirqreturn_te1000_intr_msix_tx(int __always_unused irq, void *data){        struct net_device *netdev = data;        struct e1000_adapter *adapter = netdev_priv(netdev);        struct e1000_hw *hw = &adapter->hw;        struct e1000_ring *tx_ring = adapter->tx_ring;        adapter->total_tx_bytes = 0;        adapter->total_tx_packets = 0;        if (!e1000_clean_tx_irq(tx_ring))                /* Ring was not completely cleaned, so fire another interrupt */                ew32(ICS, tx_ring->ims_val);        if (!test_bit(__E1000_DOWN, &adapter->state))                ew32(IMS, adapter->tx_ring->ims_val);        return IRQ_HANDLED;}

最后要说明一下的是发包函数, 系统发包调用底层的的e1000_xmit_frame,  这个函数重要的功能就是把要发送的报文地址映射到dma发射区. 通知dma发送

staticnetdev_tx_te1000_xmit_frame(struct sk_buff *skb,                                    struct net_device *netdev){        struct e1000_adapter *adapter = netdev_priv(netdev);        struct e1000_ring *tx_ring = adapter->tx_ring;        unsigned int first;        unsigned int tx_flags = 0;        unsigned int len = skb_headlen(skb);        unsigned int nr_frags;        unsigned int mss;        int count = 0;        int tso;        unsigned int f;        count = e1000_tx_map(tx_ring, skb, first, adapter->tx_fifo_limit,                             nr_frags);                netdev_sent_queue(netdev, skb->len);                e1000_tx_queue(tx_ring, tx_flags, count);                /* Make sure there is space in the ring for the next send. */                e1000_maybe_stop_tx(tx_ring,                                    (MAX_SKB_FRAGS *                                     DIV_ROUND_UP(PAGE_SIZE,                                                  adapter->tx_fifo_limit) + 2));                dev_kfree_skb_any(skb);}

总结

1、收包的大致流程:

  1. 申请skb, 把skb映射到dma, 开启dma收包;
  2. dma收包后发起中断, 调用, 清理dma映射区, 申请同等数量的skb, 把这些skb重新映射到dma, 相当于把空闲的dma补上;
  3. 把收到的报文, 丢给系统内核协议栈解析;
  4. 并根据流量大小,  看是否开启传统中断(传统中断的处理上面有描述);
  5. 循环; e1000_intr_msix_rx ->   e1000_clean ->    e1000_clean_rx_irq -> e1000_receive_skb

2、发包的大致流程:

  1. send发送到skb;
  2. 调用底层驱动e1000_xmit_frame发送skb;
  3. 申请dma映射到dma发送队列, 准备发送;
  4. 发送完成,发送中断, 调用e1000_intr_msix_tx, 解除skb的dma映射;
  5. 循环; e1000_xmit_frame-> e1000_tx_map -> e1000_tx_queue ->    e1000_intr_msix_tx -> e1000_clean_tx_irq -> (skb_dma_unmap, dev_kfree_skb_any)

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