📚 课程目录第2章 Linux网络设备驱动基础

2. Linux 网络设备驱动基础：核心结构与生命周期管理

网络设备驱动是 Linux 内核网络子系统的基石。本章聚焦于驱动开发者必须掌握的三个核心环节：net_device 结构体的组成与配置、网络设备的注册与注销流程、以及设备的打开与关闭操作。理解这些基础是后续实现中断处理与 DMA 传输协同的前提。

2.1 net_device 结构体深度解析

struct net_device 是 Linux 内核中描述网络设备的巨型结构体，定义在 include/linux/netdevice.h 中。它聚合了设备的所有属性、操作函数指针、统计信息和数据队列。驱动开发者无需理解每个字段，但必须掌握以下几类核心成员。

2.1.1 标识与配置字段

字段名	类型	说明
`name`	char[IFNAMSIZ]	设备名称，如 eth0、enp0s3
`dev_id`	int	用于区分同一名称下的多个设备
`ifindex`	int	内核全局唯一的接口索引
`mtu`	unsigned int	最大传输单元，默认 1500
`type`	unsigned short	硬件类型，如 ARPHRD_ETHER
`addr_len`	unsigned char	硬件地址长度，以太网为 6
`features`	netdev_features_t	设备能力位图，如 NETIF_F_SG、NETIF_F_TSO

2.1.2 操作函数集：netdev_ops

netdev_ops 是驱动与内核网络协议栈交互的核心接口表。每个网络设备驱动必须实现以下关键回调：

ndo_open：打开设备，申请硬件资源、注册中断、启动 DMA 引擎。
ndo_stop：关闭设备，释放资源、注销中断、停止 DMA。
ndo_start_xmit：发送数据包，将 sk_buff 传递给硬件发送队列。
ndo_set_rx_mode：设置接收模式（单播/多播/混杂）。
ndo_change_mtu：动态修改 MTU 值。
ndo_tx_timeout：发送超时处理，通常用于复位硬件。

关键提示：在注册 net_device 之前，驱动必须将 netdev_ops 指针赋值给 dev->netdev_ops。内核在打开设备、发送数据包时直接调用这些回调，不会检查是否为 NULL，因此遗漏赋值将导致内核崩溃。

2.1.3 数据路径与中断相关字段

irq：设备使用的中断号，由驱动在探测时设置。
base_addr：设备 I/O 内存或端口基地址。
rx_queue / tx_queue：接收和发送队列，用于流量控制。
napi_struct：NAPI 轮询结构体，用于高效中断处理（后续章节详述）。
stats：struct net_device_stats，存放收发包计数、错误计数等统计信息。

2.2 网络设备注册与注销流程

设备注册是驱动向内核网络子系统宣告“我在这里”的过程。注销则是设备移除时的清理操作。这两个流程必须成对出现，且遵循严格的顺序。

2.2.1 设备注册步骤

分配 net_device：调用 alloc_netdev() 或 alloc_etherdev() 分配结构体内存。驱动可指定私有数据区大小。
初始化字段：设置设备名称、MAC 地址、MTU、netdev_ops、ethtool_ops 等。此时不能操作硬件。
注册设备：调用 register_netdev(dev)，内核将设备加入全局网络设备链表，创建 sysfs 条目，并可能调用 ndo_open。
后续操作：注册成功后，设备对用户空间可见（如 ifconfig -a）。驱动可继续设置硬件参数。

2.2.2 设备注销步骤

停止设备：确保设备已关闭（调用 ndo_stop），释放中断和 DMA 资源。
注销设备：调用 unregister_netdev(dev)，内核从链表中移除设备，删除 sysfs 条目。
释放结构体：调用 free_netdev(dev) 释放内存。此函数必须在注销之后调用。

常见错误：在设备仍处于打开状态时直接调用 unregister_netdev()，会导致内核访问已释放的中断处理函数。正确的顺序是：先关闭设备 → 注销 → 释放。另外，不要在中断上下文中调用 register_netdev() 或 unregister_netdev()，这些函数可能睡眠。

2.3 网络设备打开与关闭流程

设备的打开（open）和关闭（stop）是驱动生命周期中最频繁的操作。用户执行 ifconfig eth0 up/down 或 ip link set eth0 up/down 时，内核会调用对应的回调函数。

2.3.1 ndo_open 回调实现要点

当用户启用网络接口时，内核调用驱动的 ndo_open 函数。驱动在此函数中必须完成以下操作：

申请硬件资源：如 I/O 内存、DMA 缓冲区、描述符环。
注册中断处理函数：调用 request_irq()，注册设备的中断服务程序。
启动硬件：使能 DMA 引擎、设置接收/发送描述符、开启硬件中断。
启动 NAPI：如果使用 NAPI，调用 napi_enable()。
更新链路状态：调用 netif_carrier_on() 或 netif_start_queue() 通知内核可以开始收发数据。

static int my_ndo_open(struct net_device *dev) {
    struct my_priv *priv = netdev_priv(dev);
    int ret;

    /* 1. 申请 DMA 描述符环 */
    ret = my_alloc_dma_rings(priv);
    if (ret) return ret;

    /* 2. 注册中断 */
    ret = request_irq(dev->irq, my_interrupt_handler, 0, dev->name, dev);
    if (ret) {
        my_free_dma_rings(priv);
        return ret;
    }

    /* 3. 启动硬件 */
    my_hw_start(priv);

    /* 4. 启用 NAPI */
    napi_enable(&priv->napi);

    /* 5. 通知内核可以发送 */
    netif_start_queue(dev);

    return 0;
}

2.3.2 ndo_stop 回调实现要点

关闭设备时，驱动必须执行与打开相反的操作，且顺序要严格对称：

停止发送队列：调用 netif_stop_queue() 阻止内核继续提交数据包。
禁用 NAPI：调用 napi_disable()，确保轮询函数不再运行。
停止硬件：关闭 DMA 引擎、屏蔽硬件中断。
释放中断：调用 free_irq(dev->irq, dev)。
释放 DMA 资源：回收描述符环和缓冲区。
更新链路状态：调用 netif_carrier_off()。

static int my_ndo_stop(struct net_device *dev) {
    struct my_priv *priv = netdev_priv(dev);

    /* 1. 停止发送队列 */
    netif_stop_queue(dev);

    /* 2. 禁用 NAPI */
    napi_disable(&priv->napi);

    /* 3. 停止硬件 */
    my_hw_stop(priv);

    /* 4. 释放中断 */
    free_irq(dev->irq, dev);

    /* 5. 释放 DMA 资源 */
    my_free_dma_rings(priv);

    /* 6. 关闭链路 */
    netif_carrier_off(dev);

    return 0;
}

最佳实践：在 ndo_open 中，如果某个步骤失败，必须回滚所有已成功的操作（释放已申请的资源）。建议使用 goto 错误处理模式，确保资源不会泄漏。ndo_stop 必须能够处理设备未完全初始化的情况（例如中断尚未注册），避免重复释放。

2.4 关键数据结构与函数速查表

函数/宏	头文件	作用
`alloc_etherdev(sizeof_priv)`	linux/etherdevice.h	分配以太网 net_device 及私有数据区
`register_netdev(dev)`	linux/netdevice.h	注册网络设备到内核
`unregister_netdev(dev)`	linux/netdevice.h	从内核注销网络设备
`free_netdev(dev)`	linux/netdevice.h	释放 net_device 结构体
`netdev_priv(dev)`	linux/netdevice.h	获取设备私有数据区指针
`netif_start_queue(dev)`	linux/netdevice.h	启用发送队列
`netif_stop_queue(dev)`	linux/netdevice.h	停用发送队列
`netif_carrier_on/off(dev)`	linux/netdevice.h	设置链路载波状态

2.5 本章小结

本章详细介绍了 Linux 网络设备驱动的三大基础模块：

net_device 结构体：作为设备驱动的核心数据结构，聚合了标识、操作函数集、数据路径和中断相关字段。
注册与注销流程：必须遵循“分配 → 初始化 → 注册”和“停止 → 注销 → 释放”的严格顺序。
打开与关闭流程：ndo_open 负责申请资源并启动硬件，ndo_stop 负责停止硬件并释放资源，两者必须对称实现。