Linux网络技术学习（五）—— 网络设备初始化（I）

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什么时候进行的设备初始化？

内核初始化图

1、当内核引导时，会执行start_kernel对一些子系统做初始化
2、start_kernel终止前会调用init内核线程，由其负责初始化的后续工作。

初始化任务中有三个部分：
1、引导期间选项
  调用两次parse_args（一次是直接调用，而另一次是通过parse_early_param间接调用）以处理引导加载程序（bootloaser）在引导期间传给内核的配置参数。
2、中断和定时器
  硬中断和软中断分别由init_IRQ和softirq_init做初始化。
3、初始化函数
  内核子系统及内建的设备驱动程序由do_initcalls初始化。free_init_mem会释放一块被无用程序所持有的内容。

run_init_process确定在系统上运行的第一进程，也就是其他进程的父进程（PID为1）一直运行直到系统做完工作。
通常运行程序是Init，管理员可以通过init=引导期间选项指定另一个不同程序。
不提供选项，内核会从一组众所周知的位置去执行init命令，如果找不到init，就会发生内核panic

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设备注册和初始化

一个网络设备可以用，就必须被内核认可，并且关联正确的驱动程序。
驱动程序把驱动设备所需的所有信息存储在私有数据结构中，然后与其他需要此设备的内核组件交互。

1、注册和初始化任务的一部分由内核负责
2、其他部分由设备驱动程序负责

初始化分为：硬件初始化、软件初始化、功能初始化
1、硬件初始化
  由设备驱动程序和通用总线层（例，PCI或USB）合作完成。驱动有时会通过用户提供的参数协调，把每个设别的这类功能配置成IRQ和I/O地址，使其能与内核交互。
2、软件初始化
  在设备能使用之前，需要依赖开启和配置的网络协议（用户需要提供IP地址等配置信息）等。
3、功能初始化
  针对每个网络设备的配置。例：流量控制，可以决定封包加入及退出设备出口队列的方式。

NIC（网卡 Network Interface Card）初始化的基本目标

Linux内核中，每个设备都有一个net_device数据结构表示。net_device的分配以及内部字段的初始化，部分的是由设备驱动程序完成，部分是由内核函数完成。

设备驱动程序如何分配建立设备/内核通信所需的资源？
1、IRQ线
  NIC必须被分配一个IRQ，用于设备与内核之间的交互。虚拟设备不需要分配一个IRQ：例如内环设备，因其活动都在内部进行。
  /proc/interrupts文件可用于观察当前分派状态
2、I/O端口和内存注册
  驱动程序将其设备的一个内存区域（配置寄存器）映射到系统内存，使得驱动程序的读/写操作可以通过系统内存地址直接进行，简化代码。I/O端口和内存分别使用request_region和release_region注册和释放

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设备与内核之间的交互

几乎所有设备（包括NIC）都采用两种与内核的交互方式：
1、轮询
  由内核端的驱动定期检查设备状态，查看是否发生了什么事情
2、中断
  由设备端驱动。当设备需要内核注意时，会向内核发送出一个硬件信号（产生中断事件）

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硬件中断

每个中断事件都会运行一个函数，被称为中断处理函数，而中断处理函数必须按照设备的所需进行裁剪，因此由设备驱动程序安装。当设备驱动程序注册一个NIC时，会请求并分派一个IRQ。

static inline int __must_check
request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, unsigned long flags,const char *name, void *dev)
void free_irq(unsigned int irq, void *dev_id)

request_irq函数会注册一个处理函数。首先确保所请求的中断是一个有效的中断，而且还没分配给另一个设备，除非这两个设备能够共享IRQ
free_irq函数会删除处理函数，给定的设备由dev_id标识。如果没有其他设备注册在该IRQ线，就关闭IRQ

在内核接收到中断通知时，会使用IRQ编号找出该驱动程序的中断处理函数并执行。为了找到处理函数，内核会把IRQ编号和函数处理函数之间的相连接关系存储在一张全局表中。相连关系可以是一对一或一对多。

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中断类型

通过中断，NIC能够告知其驱动程序几种不同的事件：
1、接收一帧
  这是常见标准的情况
2、传输失败
  这种事件只有当被为二进制指数后退功能失败时，才由Ethernet设备产生（由NIC在硬件层实现）。驱动程序不会把这种通知信息转送到那些较高层的网络层，这些网络层会通过其他方式获取到传输失败。
3、DMA传输已成功完成
  使用同步传输时（无DMA），当该帧已上传至NIC，驱动程序会立刻知道
  使用DMA时，使用异步传输，设备驱动程序必须等待NIC发出明确的中断事件。
4、设备有足够内存处理新传输
  当出口队列没有足够空间保存一个最大尺寸的帧时，NIC设备驱动程序会停止出口队列而关闭传输。
  当内存可用时，该队列又会再次开启

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传送节流方式为了改善效率

在系统中，设备驱动程序会在队列空间缺乏时关闭传输，同时要求NIC当可用内存大于给定量时（设备的MTU）发出一个中断，然后当中断到来时重启传输。
例：

// 平台： RK3568
// drivers/net/ethernet/3com/3c509.c
static netdev_tx_t
el3_start_xmit(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev)
{netif_stop_queue (dev);......if (inw(ioaddr + TX_FREE) > 1536)netif_start_queue(dev);else/* Interrupt us when the FIFO has room for max-sized packet. */outw(SetTxThreshold + 1536, ioaddr + EL3_CMD);......
}

驱动程序可以用netif_stop_queue停止设备队列，以此能禁止内核提交后续的传输请求。

驱动程序会检查该设备的内存是否足够的内存容纳一个1536个字节的包。

如果有，驱动程序会启动队列，允许内核再次提交传输请求。
否则，就会指示设备（配置寄存器），当条件满足时产生一个中断。中断处理函数将使用netif_start_queue重启设备队列。

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中断共享

IRQ线是有限的资源。添加系统能容纳设备数目的简单方式，就是允许几台设备共享同一个IRQ。
每个设备会针对该IRQ将其自己的处理函数注册给内核，再由内核启用这些同一个共享IRQ的设备的所有函数。而不是由中断通知，寻找正确的设备，再启用其处理函数。

一组设备共享一条IRQ线时，所有这些设备的设备驱动程序都必须能力处理共享的IRQ（换言之，每当一个设备注册要使用一条IRQ线时，就必须明确说明其是否支持中断共享。）
当另一设备试图注册同一个IRQ编号时，如果此设备或者该IRQ当前所分派的设备无法共享IRQ，就会被拒绝。

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IRQ处理函数映射的组织

IRQ处理函数的映射存储在一个向量表中，每一个IRQ都对应一个处理函数列表。
只有当多台设备共享同一个IRQ时，一个列表才会有一个以上的元素。向量的尺寸取决于具体的体系结构，可以从15变化到200以上。

// 定义在include/linux/interrupt.h
struct irqaction// 定义在include/linux/irqdesc.h
struct irq_desc// kernel/irq/manage.c
static int
__setup_irq(unsigned int irq, struct irq_desc *desc, struct irqaction *new)

在之前介绍的硬件中断函数request_irq函数就是包含__setup_irq的包裹函数，用一个irqaction结构体输入，然后将其插入至一个全局变量irq_desc。
handle_IRQ_event 处理中断并将其传给驱动程序的内核函数是依赖irq_desc结构体的。

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irqaction结构体存储方式

对一个可能的IRQ都有一个irq_desc实例，每个成功注册的IRQ处理函数都有一个irqaction实例。irq_desc尺寸是由结构体中NR_IRQS指定
当给定IRQ编号（也就是irq_desc向量的给定元素）有一个以上的irqaction实例时，就需要中断共享。

irqaction数据结构的字段中存储哪些与IRQ处理例程相关的信息：

// 平台RK3288
typedef irqreturn_t (*irq_handler_t)(int, void *);
irq_handler_t      handler;                     
// handler成员为中断处理函数，由设备驱动程序所提供的函数，用于处理中断的通知信息
// 传入的参数： int irq（产生此通知信息的IRQ编号）；void *dev_id（设备标识符。同一个驱动程序可能同时要负责不同的设备，需要设备ID来正确处理通知信息）unsigned int       irq;
// 一组标识，取值为IRQF_*      定义在include/linux/interrupt.h
// IRQF_SHARED          当置位时，设备驱动程序可以处理共享的IRQ
// IRQF_IRQPOLL         中断用于轮询(出于性能考虑，只有首先在共享中断中注册的中断才被考虑)void *dev_id
// 与此设备相关联的net_device数据结构的指针。声明为void *的原因是，不仅仅只有NIC设备使用IRQ，各种设备类型使用的不同的数据结构struct irqaction    *next;
// 所有共享同一个IRQ编号的设备会用此指针链接成一个列表const char *name;
// 设备名称。可以通过/proc/interrupts内容读取设备名称