intel万兆网卡驱动简要分析

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这里分析的驱动代码是给予linux kernel 3.4.4

对应的文件在drivers/net/ethernet/intel 目录下，这个分析不涉及到很细节的地方，主要目的是理解下数据在协议栈和驱动之间是如何交互的。

首先我们知道网卡都是pci设备，因此这里每个网卡驱动其实就是一个pci驱动。并且intel这里是把好几个万兆网卡(82599/82598/x540)的驱动做在一起的。

首先我们来看对应的pci_driver的结构体，这里每个pci驱动都是一个pci_driver的结构体，而这里是多个万兆网卡共用这个结构体ixgbe_driver.

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staticstruct pci_driver ixgbe_driver = {

    .name     = ixgbe_driver_name,

    .id_table = ixgbe_pci_tbl,

    .probe    = ixgbe_probe,

    .remove  = __devexit_p(ixgbe_remove),

#ifdef CONFIG_PM

    .suspend  = ixgbe_suspend,

    .resume   = ixgbe_resume,

#endif

    .shutdown = ixgbe_shutdown,

    .err_handler = &ixgbe_err_handler

};

然后是模块初始化方法,这里其实很简单，就是调用pci的驱动注册方法，把ixgbe挂载到pci设备链中。 这里不对pci设备的初始化做太多介绍，我以前的blog有这方面的介绍，想了解的可以去看看。这里我们只需要知道最终内核会调用probe回调来初始化ixgbe。

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charixgbe_driver_name[] = "ixgbe";

staticconst char ixgbe_driver_string[] =

                  "Intel(R) 10 Gigabit PCI Express Network Driver";

 

staticint __init ixgbe_init_module(void)

{

    intret;

    pr_info("%s - version %s\n", ixgbe_driver_string, ixgbe_driver_version);

    pr_info("%s\n", ixgbe_copyright);

 

#ifdef CONFIG_IXGBE_DCA

    dca_register_notify(&dca_notifier);

#endif

 

    ret = pci_register_driver(&ixgbe_driver);

    returnret;

}

这里不去追究具体如何调用probe的细节，我们直接来看probe函数，这个函数中通过硬件的信息来确定需要初始化那个驱动(82598/82599/x540),然后核心的驱动结构就放在下面的这个数组中。

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staticconst struct ixgbe_info *ixgbe_info_tbl[] = {

    [board_82598] = &ixgbe_82598_info,

    [board_82599] = &ixgbe_82599_info,

    [board_X540] = &ixgbe_X540_info,

};

ixgbe_probe函数很长，我们这里就不详细分析了，因为这部分就是对网卡进行初始化。不过我们关注下面几个代码片段。

首先是根据硬件的参数来取得对应的驱动值:

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conststruct ixgbe_info *ii = ixgbe_info_tbl[ent->driver_data];

然后就是如何将不同的网卡驱动挂载到对应的回调中，这里做的很简单，就是通过对应的netdev的结构取得adapter，然后所有的核心操作都是保存在adapter中的，最后将ii的所有回调拷贝给adapter就可以了。我们来看代码：

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    structnet_device *netdev;

    structixgbe_adapter *adapter = NULL;

    structixgbe_hw *hw;

.....................................

 

    adapter = netdev_priv(netdev);

    pci_set_drvdata(pdev, adapter);

 

    adapter->netdev = netdev;

    adapter->pdev = pdev;

    hw = &adapter->hw;

    hw->back = adapter;

.......................................

    memcpy(&hw->mac.ops, ii->mac_ops,sizeof(hw->mac.ops));

    hw->mac.type  = ii->mac;

 

    /* EEPROM */

    memcpy(&hw->eeprom.ops, ii->eeprom_ops,sizeof(hw->eeprom.ops));

.....................................

最后需要关注的就是设置网卡属性，这些属性一般来说都是通过ethtool 可以设置的属性(比如tso/checksum等),这里我们就截取一部分:

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    netdev->features = NETIF_F_SG |

               NETIF_F_IP_CSUM |

               NETIF_F_IPV6_CSUM |

               NETIF_F_HW_VLAN_TX |

               NETIF_F_HW_VLAN_RX |

               NETIF_F_HW_VLAN_FILTER |

               NETIF_F_TSO |

               NETIF_F_TSO6 |

               NETIF_F_RXHASH |

               NETIF_F_RXCSUM;

 

    netdev->hw_features = netdev->features;

 

    switch(adapter->hw.mac.type) {

    caseixgbe_mac_82599EB:

    caseixgbe_mac_X540:

        netdev->features |= NETIF_F_SCTP_CSUM;

        netdev->hw_features |= NETIF_F_SCTP_CSUM |

                       NETIF_F_NTUPLE;

        break;

    default:

        break;

    }

 

    netdev->hw_features |= NETIF_F_RXALL;

..................................................

 

    netdev->priv_flags |= IFF_UNICAST_FLT;

    netdev->priv_flags |= IFF_SUPP_NOFCS;

 

    if(adapter->flags & IXGBE_FLAG_SRIOV_ENABLED)

        adapter->flags &= ~(IXGBE_FLAG_RSS_ENABLED |

                    IXGBE_FLAG_DCB_ENABLED);

...................................................................

    if(pci_using_dac) {

        netdev->features |= NETIF_F_HIGHDMA;

        netdev->vlan_features |= NETIF_F_HIGHDMA;

    }

 

    if(adapter->flags2 & IXGBE_FLAG2_RSC_CAPABLE)

        netdev->hw_features |= NETIF_F_LRO;

    if(adapter->flags2 & IXGBE_FLAG2_RSC_ENABLED)

        netdev->features |= NETIF_F_LRO;

然后我们来看下中断的注册，因为万兆网卡大部分都是多对列网卡(配合msix)，因此对于上层软件来说，就好像有多个网卡一样，它们之间的数据是相互独立的，这里读的话主要是napi驱动的poll方法，后面我们会分析这个.

到了这里或许要问那么网卡是如何挂载回调给上层，从而上层来发送数据呢，这里是这样子的，每个网络设备都有一个回调函数表(比如ndo_start_xmit)来供上层调用，而在ixgbe中的话，就是ixgbe_netdev_ops，下面就是这个结构，不过只是截取了我们很感兴趣的几个地方.

不过这里注意，读回调并不在里面，这是因为写是软件主动的，而读则是硬件主动的。现在ixgbe是NAPI的，因此它的poll回调是ixgbe_poll，是中断注册时候通过netif_napi_add添加进去的。

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staticconst struct net_device_ops ixgbe_netdev_ops = {

    .ndo_open       = ixgbe_open,

    .ndo_stop       = ixgbe_close,

    .ndo_start_xmit     = ixgbe_xmit_frame,

    .ndo_select_queue   = ixgbe_select_queue,

    .ndo_set_rx_mode    = ixgbe_set_rx_mode,

    .ndo_validate_addr  = eth_validate_addr,

    .ndo_set_mac_address    = ixgbe_set_mac,

    .ndo_change_mtu     = ixgbe_change_mtu,

    .ndo_tx_timeout     = ixgbe_tx_timeout,

.................................................

    .ndo_set_features = ixgbe_set_features,

    .ndo_fix_features = ixgbe_fix_features,

};

这里我们最关注的其实就是ndo_start_xmit回调，这个回调就是驱动提供给协议栈的发送回调接口。我们来看这个函数.

它的实现很简单，就是选取对应的队列，然后调用ixgbe_xmit_frame_ring来发送数据。

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staticnetdev_tx_t ixgbe_xmit_frame(structsk_buff *skb,

                    structnet_device *netdev)

{

    structixgbe_adapter *adapter = netdev_priv(netdev);

    structixgbe_ring *tx_ring;

 

    if(skb->len <= 0) {

        dev_kfree_skb_any(skb);

        returnNETDEV_TX_OK;

    }

 

    /*

     * The minimum packet size for olinfo paylen is 17 so pad the skb

     * in order to meet this minimum size requirement.

     */

    if(skb->len < 17) {

        if(skb_padto(skb, 17))

            returnNETDEV_TX_OK;

        skb->len = 17;

    }

//取得对应的队列

    tx_ring = adapter->tx_ring[skb->queue_mapping];

//发送数据

    returnixgbe_xmit_frame_ring(skb, adapter, tx_ring);

}

而在ixgbe_xmit_frame_ring中，我们就关注两个地方，一个是tso(什么是TSO，请自行google)，一个是如何发送.

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    tso = ixgbe_tso(tx_ring, first, &hdr_len);

    if(tso < 0)

        gotoout_drop;

    elseif (!tso)

        ixgbe_tx_csum(tx_ring, first);

 

    /* add the ATR filter if ATR is on */

    if(test_bit(__IXGBE_TX_FDIR_INIT_DONE, &tx_ring->state))

        ixgbe_atr(tx_ring, first);

 

#ifdef IXGBE_FCOE

xmit_fcoe:

#endif /* IXGBE_FCOE */

    ixgbe_tx_map(tx_ring, first, hdr_len);

调用ixgbe_tso处理完tso之后，就会调用ixgbe_tx_map来发送数据。而ixgbe_tx_map所做的最主要是两步，第一步请求DMA，第二步写寄存器，通知网卡发送数据.

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    dma = dma_map_single(tx_ring->dev, skb->data, size, DMA_TO_DEVICE);

    if(dma_mapping_error(tx_ring->dev, dma))

        gotodma_error;

 

    /* record length, and DMA address */

    dma_unmap_len_set(first, len, size);

    dma_unmap_addr_set(first, dma, dma);

 

    tx_desc->read.buffer_addr = cpu_to_le64(dma);

 

    for(;;) {

        while(unlikely(size > IXGBE_MAX_DATA_PER_TXD)) {

            tx_desc->read.cmd_type_len =

                cmd_type | cpu_to_le32(IXGBE_MAX_DATA_PER_TXD);

 

            i++;

            tx_desc++;

            if(i == tx_ring->count) {

                tx_desc = IXGBE_TX_DESC(tx_ring, 0);

                i = 0;

            }

 

            dma += IXGBE_MAX_DATA_PER_TXD;

            size -= IXGBE_MAX_DATA_PER_TXD;

 

            tx_desc->read.buffer_addr = cpu_to_le64(dma);

            tx_desc->read.olinfo_status = 0;

        }

 

...................................................

        data_len -= size;

 

        dma = skb_frag_dma_map(tx_ring->dev, frag, 0, size,

                       DMA_TO_DEVICE);

..........................................................

 

        frag++;

    }

.................................

    tx_ring->next_to_use = i;

 

    /* notify HW of packet */

    writel(i, tx_ring->tail);

.................

上面的操作是异步的，也就是说此时内核还不能释放SKB，而是网卡硬件发送完数据之后，会再次产生中断通知内核，然后内核才能释放内存.接下来我们来看这部分代码。

首先来看的是中断注册的代码，这里我们假设启用了MSIX,那么网卡的中断注册回调就是ixgbe_request_msix_irqs函数，这里我们可以看到调用request_irq函数来注册回调，并且每个队列都有自己的中断号。

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staticint ixgbe_request_msix_irqs(structixgbe_adapter *adapter)

{

    structnet_device *netdev = adapter->netdev;

    intq_vectors = adapter->num_msix_vectors - NON_Q_VECTORS;

    intvector, err;

    intri = 0, ti = 0;

 

    for(vector = 0; vector < q_vectors; vector++) {

        structixgbe_q_vector *q_vector = adapter->q_vector[vector];

        structmsix_entry *entry = &adapter->msix_entries[vector];

.......................................................................

        err = request_irq(entry->vector, &ixgbe_msix_clean_rings, 0,

                  q_vector->name, q_vector);

        if(err) {

            e_err(probe,"request_irq failed for MSIX interrupt "

                  "Error: %d\n", err);

            gotofree_queue_irqs;

        }

        /* If Flow Director is enabled, set interrupt affinity */

        if(adapter->flags & IXGBE_FLAG_FDIR_HASH_CAPABLE) {

            /* assign the mask for this irq */

            irq_set_affinity_hint(entry->vector,

                          &q_vector->affinity_mask);

        }

    }

 

..............................................

 

    return0;

 

free_queue_irqs:

    ...............................

    returnerr;

}

而对应的中断回调是ixgbe_msix_clean_rings,而这个函数呢，做的事情很简单(需要熟悉NAPI的原理，我以前的blog有介绍),就是调用napi_schedule来重新加入软中断处理.

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staticirqreturn_t ixgbe_msix_clean_rings(intirq, void*data)

{

    structixgbe_q_vector *q_vector = data;

 

    /* EIAM disabled interrupts (on this vector) for us */

 

    if(q_vector->rx.ring || q_vector->tx.ring)

        napi_schedule(&q_vector->napi);

 

    returnIRQ_HANDLED;

}

而NAPI驱动我们知道，最终是会调用网卡驱动挂载的poll回调，在ixgbe中，对应的回调就是ixgbe_poll，那么也就是说这个函数要做两个工作，一个是处理读，一个是处理写完之后的清理.

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intixgbe_poll(structnapi_struct *napi, intbudget)

{

    structixgbe_q_vector *q_vector =

                container_of(napi,struct ixgbe_q_vector, napi);

    structixgbe_adapter *adapter = q_vector->adapter;

    structixgbe_ring *ring;

    intper_ring_budget;

    boolclean_complete = true;

 

#ifdef CONFIG_IXGBE_DCA

    if(adapter->flags & IXGBE_FLAG_DCA_ENABLED)

        ixgbe_update_dca(q_vector);

#endif

//清理写

    ixgbe_for_each_ring(ring, q_vector->tx)

        clean_complete &= !!ixgbe_clean_tx_irq(q_vector, ring);

 

    /* attempt to distribute budget to each queue fairly, but don't allow

     * the budget to go below 1 because we'll exit polling */

    if(q_vector->rx.count > 1)

        per_ring_budget = max(budget/q_vector->rx.count, 1);

    else

        per_ring_budget = budget;

//读数据，并清理已完成的

    ixgbe_for_each_ring(ring, q_vector->rx)

        clean_complete &= ixgbe_clean_rx_irq(q_vector, ring,

                             per_ring_budget);

 

    /* If all work not completed, return budget and keep polling */

    if(!clean_complete)

        returnbudget;

 

    /* all work done, exit the polling mode */

    napi_complete(napi);

    if(adapter->rx_itr_setting & 1)

        ixgbe_set_itr(q_vector);

    if(!test_bit(__IXGBE_DOWN, &adapter->state))

        ixgbe_irq_enable_queues(adapter, ((u64)1 << q_vector->v_idx));

 

    return0;

}