Linux 网卡驱动学习（四）（缓存描述符 Buffer Description）

本文详细介绍了Linux内核中网络设备的核心数据结构net_device及其关键字段，并深入探讨了DMA（直接内存访问）机制在网络数据收发过程中的作用，包括发送和接收流程。

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转自：http://blog.youkuaiyun.com/xy010902100449/article/details/47157731

【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;
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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。
这里写图片描述

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。
这里写图片描述
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。
这里写图片描述
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。