0、说明

内核网络驱动总结，从设备树到内核驱动加载初始化及网卡通信整个流程。

1、环境

1.1 硬件环境

NXP imx6ul 平台

1.2 参考资料

IMX6ULLRM.pdf 22 章 10/100-Mbps Ethernet MAC (ENET)

2、网卡驱动

2.1 内核网卡驱动启动信息

fec 2188000.ethernet (unnamed net_device) (uninitialized): Invalid MAC address: 00:00:00:00:00:00
fec 2188000.ethernet (unnamed net_device) (uninitialized): Using random MAC address: a2:a4:3a:f9:1d:81
libphy: fec_enet_mii_bus: probed
fec 2188000.ethernet eth0: registered PHC device 0

fec_enet_mii_bus: probed可以定位到驱动位置:

drivers/net/ethernet/freescale/fec_main.c

2.2 设备树文件

arch/arm/boot/dts/imx6ull.dtsi
arch/arm/boot/dts/myb-y6ull-14x14.dts

fec1: ethernet@02188000 {compatible = "fsl,imx6ul-fec", "fsl,imx6q-fec";reg = <0x02188000 0x4000>;interrupts = <GIC_SPI 118 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,<GIC_SPI 119 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;clocks = <&clks IMX6UL_CLK_ENET>,<&clks IMX6UL_CLK_ENET_AHB>,<&clks IMX6UL_CLK_ENET_PTP>,<&clks IMX6UL_CLK_ENET_REF>,<&clks IMX6UL_CLK_ENET_REF>;clock-names = "ipg", "ahb", "ptp","enet_clk_ref", "enet_out";stop-mode = <&gpr 0x10 3>;fsl,num-tx-queues=<1>;fsl,num-rx-queues=<1>;fsl,magic-packet;fsl,wakeup_irq = <0>;status = "disabled";};&fec1 {pinctrl-names = "default";pinctrl-0 = <&pinctrl_enet1>;phy-mode = "rmii";phy-handle = <&ethphy0>;phy-reset-gpios = <&gpio5 9 GPIO_ACTIVE_LOW>;phy-reset-duration = <26>;status = "okay";mdio {#address-cells = <1>;#size-cells = <0>;ethphy0: ethernet-phy@0 {compatible = "ethernet-phy-ieee802.3-c22";smsc,disable-energy-detect;reg = <0>;};ethphy1: ethernet-phy@1 {compatible = "ethernet-phy-ieee802.3-c22";smsc,disable-energy-detect;reg = <1>;};};
};

设备树compatible = "fsl,imx6ul-fec", "fsl,imx6q-fec";与驱动的匹配

static const struct of_device_id fec_dt_ids[] = {{ .compatible = "fsl,imx25-fec", .data = &fec_devtype[IMX25_FEC], },{ .compatible = "fsl,imx27-fec", .data = &fec_devtype[IMX27_FEC], },{ .compatible = "fsl,imx28-fec", .data = &fec_devtype[IMX28_FEC], },{ .compatible = "fsl,imx6q-fec", .data = &fec_devtype[IMX6Q_FEC], },{ .compatible = "fsl,mvf600-fec", .data = &fec_devtype[MVF600_FEC], },{ .compatible = "fsl,imx6sx-fec", .data = &fec_devtype[IMX6SX_FEC], },{ .compatible = "fsl,imx6ul-fec", .data = &fec_devtype[IMX6UL_FEC], },{ /* sentinel */ }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, fec_dt_ids);

驱动fec_probe调用，开始网卡硬件的初始化及准备。

2.3 网卡驱动probe

最主要任务就是根据设备树中的信息及硬件信息，初始化网卡硬件，并向内核注册网卡设备，从而产生网络设备提供应用层使用。

其中涉及重要的结构体。主要分为内核结构体(platform_device、net_device)和厂家自定义板级结构体（如NXP的fec_enet_private,一般以私有数据排列在net_device后:fep = netdev_priv(ndev)）芯片原厂定义自己的网卡结构体结合内核net_device，完成网卡驱动维护。

网卡probe主要任务

获取设备树队列数量
分配net_device结构体 alloc_etherdev_mqs
SET_NETDEV_DEV（net_device和platform_device关联）
板级结构体安排到net_device后排列，netdev_priv
of_match_device 绑定网卡信息
初步初始化板级结构体。fep->netdev = ndev;fep->num_rx_queues = num_rx_qs;....
获取网卡寄存器地址并映射虚拟空间platform_get_resource、devm_ioremap_resource
网卡配置解析（FEC_WOL_HAS_MAGIC_PACKET）
获取phy信息（of_parse_phandle(np, "phy-handle", 0)、of_get_phy_mode）
网卡时钟填充至板级结构体(devm_clk_get)
复位phy（fec_reset_phy、reset_phy）
申请描述符BD空间（fec_enet_init）
获取中断信息并注册中断(platform_get_irq、devm_request_irq)
MII总结-mdio初始化（fec_enet_mii_init、mdiobus_register）
关闭网卡netif_carrier_off(ndev) 等待phy启动它
register_netdev注册内核空间，产生网卡

综上，网卡probe函数最主要是完成net_device的创建，其中主要需要关联net_device、platform_device、fec_enet_private进行后续网卡维护使用、获取设备树信息来初始化网卡配置、初始化phy并注册mii_bus及phy_device、申请中断、完成描述符创建及初始化、注册网卡进内核空间。

2.4 网卡收发队列

板级结构体中，定义有收发队列的变量。同时在注册网卡alloc_etherdev_mqs的时候也传递了队列数量。

 unsigned int num_tx_queues;                                                                                          ~                   unsigned int num_rx_queues;                                                                                          ~                   ~                   /* The saved address of a sent-in-place packet/buffer, for skfree(). */                                              ~                   struct fec_enet_priv_tx_q *tx_queue[FEC_ENET_MAX_TX_QS];                                                             ~                   struct fec_enet_priv_rx_q *rx_queue[FEC_ENET_MAX_RX_QS];

发送队列

struct fec_enet_priv_tx_q {                                                                                              ~                   int index;                                                                                                           ~              //open的时候未tx_bounce分配控件，用于与skb复制   unsigned char *tx_bounce[TX_RING_SIZE];                                                                              ~                   //在发送后与skb一致，用于发送完成后skb释放使用struct  sk_buff *tx_skbuff[TX_RING_SIZE];                                                                            ~                   ~                   //在申请描述符的时候得到的发送描述符对应的物理地址--物理地址dma_addr_t  bd_dma;                                                                                                  ~                   //发送描述符BD的基址，在分配描述符后计算得出--虚拟地址struct bufdesc  *tx_bd_base;            //环形缓冲的大小,也是申请发送描述符的大小                                                                             ~                   uint tx_ring_size;                                                                                                   ~                   ~                   unsigned short tx_stop_threshold;                                                                                    ~                   unsigned short tx_wake_threshold;                                                                                    ~                   ~                   //指示下一次发送使用的描述符struct bufdesc  *cur_tx;                                                                                             ~                   //指示已经使用但为在中断中处理的描述符struct bufdesc  *dirty_tx;                                                                                           ~                   char *tso_hdrs;                                                                                                      ~                   dma_addr_t tso_hdrs_dma;                                                                                             ~
};

接收队列

struct fec_enet_priv_rx_q {                                                                                              ~                   int index;                                                                                                           ~                   struct  sk_buff *rx_skbuff[RX_RING_SIZE];                                                                            ~                   ~                   dma_addr_t  bd_dma;                                                                                                  ~                   struct bufdesc  *rx_bd_base;                                                                                         ~                   uint rx_ring_size;                                                                                                   ~                   ~                   struct bufdesc  *cur_rx;                                                                                             ~
};

2.5 网卡open

执行ifconfig将网卡up，在PHY协商后同步到mac后网卡更新至running状态。

open中主要任务

开启时钟
复位phy
初始化描述符
复位mac
连接至phy上: phy_connect/of_phy_connect
使能napi_enable、phy_start、netif_tx_start_all_queues

2.6 网卡close

2.7 网卡中断

2.8 网卡发包ndo_start_xmit

发包流程:

ndo_start_xmit函数被调用
skb提取队列index，准备队列调用二级发送函数fec_enet_txq_submit_skb(txq, skb, ndev);
剩余描述符大小判断,需要大于最小分片包数
得到一个描述符头
提取skb地址和数据长度信息
进行sdk数据映射到dma地址
设置描述符一些标志
将dma物理地址和数据长度写入描述符
更新描述符头指针
置位描述符发送准备就绪标志,等待硬件完成传输
发送完成触发中断，中断读取事件类型
中断处理,判断发送标志置位，则释放资源
完成一次发送

如图，imx6ul共计512个发送环形描述符。由于描述符地址空间连续，可以很方便的使用和维护队列。网卡初始化完成后cur_rx为0，dirty_tx为511。当发送一包后，cur_rx向前移动，发几包移动几个。注意此时发送数量可能大于中断数量，因为dma发送需要时间。当发送完成中断被触发，在中断中判断完成标志，将发送完成标志置位的数据一起处理后移动dirty_tx指针。

dirty_tx下一个与cur_rx直接的描述符为未释放空间，表示发送已经执行，单未在中断中处理。

2.9 网卡收包

收包流程

触发中断，开启软中断处理
查寄存器判断中断触发类型
遍历接收描述符
判断状态位是否发生错误包
丢去FCS
处理可能的VLAN
上报协议栈napi_gro_receive(&fep->napi, skb);
循环NAPI_POLL_WEIGHT

2.10 MDIO PHY MII驱动

根据如上设备树以及在mac probe中，有队mii的初始化，同时在open时候也有队mii的probe。如fec_enet_mii_init、fec_enet_mii_probe。

网卡驱动中对于MDIO的操作主要有注册mii，注册phy_devcie。启动phy状态机。

网卡驱动中的probe（fec_enet_mii_init）

注册mii总线of_mdiobus_register(fep->mii_bus, node);
注册phy设备of_mdiobus_register_phy，同时匹配phy驱动，在phy_device时候初始化了一个delay_work:INIT_DELAYED_WORK(&dev->state_queue, phy_state_machine);

网卡驱动open（fec_enet_mii_probe）

连接至phy_device，of_phy_connect
初始化phy硬件phy_init_hw，完成复位及config
填充adjust_link函数phy_prepare_link
启动状态机phy_start_machine(循环调用DELAYED_WORK)
进入phy状态机运行状态，反复读取phy寄存器
同步phy状态到网卡。

总结

基于NAPI的网卡驱动，一次中断不再面对一个包，而是多个包，通过中断+轮询的方式给CPU降低持续网络通信带来的中断消耗。

probe中网卡的注册，包含注册网卡设备，申请中断，初始化时钟及相关网卡寄存器，申请描述符、注册mdio相关等。

发送函数中，将sdk映射到dma物理地址上，同时给描述符标记包准备就绪。发送完成后触发中断，中断中根据描述符中发送完成标志对已经发送的一系列包做释放。同时对连续地址的环形队列做移动。

接收函数中，判断描述符中头指针开始的一系列接收完成的数据包，进行包错误检查，skb预处理后上交协议栈，并移动头描述符。

PHY的信息在probe中获取，并注册内核mii_bus，同时将phy以phy_device的形式注册进内核与phy_driver进行匹配，在open中，连接至phy，启动状态机，检测phy寄存器变化将网络情况同步至mac。

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