Linux 网卡驱动学习（缓存描述符 Buffer Description）

【摘要】上文我们罗列出驱动中重要的数据结构，Linux 内核中对网络设备进行描述的核心结构类型叫做 net_device，net_device 结构定义在 include/linux/netdevice.h 文件中。该结构的字段可以分为以下几类。

1、net_device 结构分类

（1）全局信息
该类中包含了设备名（name 字段）、设备状态（state 字段）、设备初始化函数（init 字段）等。
（2）硬件信息
该类中包含了设备内存使用情况（mem_end 和 mem_start 字段）、中断号（irq 字段）、IO 基地址（base_addr 字段）等。
（3）接口信息
该类中包含了 MAC 地址（dev_addr 字段）、设备属性（flag 字段）、最大传输单元（mtu 字段）等。
（4）设备接口函数
该类中包含了当前设备所提供的所有接口函数，比如设备打开函数（open 字段），该函数负责打开设备接口，当用户使用 ifconfig 命令配置网络时，该函数默认被调用；设备停止函数（stop 字段），该函数负责关闭设备接口；数据发送函数（hard_start_xmit 字段），当用户调用 socket 开始写数据时，该函数被调用，并负责往网络设备中发送数据。

2、DMA 介绍（BD 引入）

网络设备的核心处理模块是一个被称作 DMA（Direct Memory Access）的控制器，DMA 模块能够协助处理器处理数据收发。对于数据发送来说，它能够将组织好的数据自动发出，无需处理器干预；对于数据接收来说，它能够将收到的数据以一定的格式组织起来，通知处理器，并等待处理器来取。

DMA 模块收发数据的单元被称为 BD（Buffer Description，缓存描述符），每个包都会被分成若干个帧，而每个帧则被保存在一个 BD 中。BD 结构通常包含有以下字段（正常应用肯定比下面这个数据结构要复杂得多）：

 typedef struct { 
    void *bufptr;    /* 保存当前 BD 对应缓存的起始地址  */ 
    int length;      /* 保存缓存中存储的数据包长度      */ 
    int sc;           /* 保存当前 BD 的状态信息          */ 
 } BD_STRUCT;

所有的 BD 就组成了一张 BD 表，如图 1 所示，一般来说发送方向和接收方向的 BD 表是各自独立的。

3、数据发送流程（发送 BD）

网络设备通过 DMA 进行数据发送的流程如 图 2所示。

图中各步骤的具体含义描述如下：
（1）协议层通知处理器开始发送数据；
（2）处理器从 BD 表中取出一个 BD，将需要发送的数据拷贝至当前 BD 对应的缓存内，并设置好 BD 的状态；
（3）处理器通知网络设备开始发送数据；
（4）MAC 模块通知 DMA 单元开始发送数据；
（5）DMA 模块操作 BD 表，取出当前有效 BD；
（6）DMA 模块将当前 BD 对应缓存内的数据发送至 MAC 模块；
（7）MAC 模块将这些数据发送到网络中；
（8）网络设备通知处理器数据发送完毕；
（9）处理器通知协议层发送下面一帧数据。
其中步骤（4）~（8）是硬件自动完成的，不需要软件的干预，如此可以节省处理器的工作量。

4、数据接收流程（接收 BD）

网络设备通过 DMA 进行数据接收的流程如图 3 所示。

图中各步骤的具体含义描述如下：
（1）处理器初始化 BD 表；
（2）处理器初始化网络设备；
（3）MAC 模块从网络中接收数据；
（4）MAC 模块通知 DMA 模块来取数据；
（5）DMA 模块从 BD 表中取出合适的 BD；
（6）MAC 模块将数据发送至当前 BD 对应的缓存内；
（7）网络设备通知处理器开始接收数据（以中断方式或轮询方式）；
（8）协议层从当前的 BD 缓存内取走数据。
其中步骤（3）~（6）是硬件自动完成的，不需要软件的干预，如此可以节省处理器的工作量。