网卡与网卡适配器

我们知道计算机的输入输出系统由外部硬件设备（e.g. 网卡）及其与主机之间的控制部件（e.g. 网卡驱动）所构成，其中控制部件常被称为设备控制器、设备适配器、设备驱动或 I/O 接口，主要负责控制并实现主机与外设之间的数据传输。

在本文中，网卡指物理网络设备卡、网卡适配器指网卡设备控制器，即安装在操作系统上的网络设备驱动。

网络设备驱动在 Linux 内核中是以内核模块的形式存在的。所以对于网卡驱动的初始化，同样需要提供一个内核模块初始化函数来完成的，初始化网络设备的硬件寄存器、配置 DMA 以及初始化相关内核变量等。

设备初始化函数在内核模块被加载时调用，包括：

初始化 PHY 模块，包括设置双工/半双工运行模式、设备运行速率和自协商模式等。
初始化 MAC 模块，包括设置设备接口模式等。
初始化 DMA 模块，包括建立 BD（Buffer descriptor）表、设置 BD 属性以及给 BD 分配缓存等。

网卡的组成

网卡工作在物理层和数据链路层，主要由 PHY/MAC 芯片、Tx/Rx FIFO、DMA 等组成，其中网线通过变压器接 PHY 芯片、PHY 芯片通过 MII 接 MAC 芯片、MAC 芯片接 PCI 总线。

PHY 芯片主要负责：CSMA/CD、模数转换、编解码、串并转换。
MAC 芯片主要负责：
- 比特流和数据帧的转换（7 字节的前导码 Preamble 和 1 字节的帧首定界符 SFD）
- CRC 校验
- Packet Filtering（L2 Filtering、VLAN Filtering、Manageability/Host Filtering）
Tx/Rx FIFO：Tx 表示发送（Transport），Rx 是接收（Receive）。
DMA（Direct Memory Access）：直接存储器存取 I/O 模块。

网卡的工作原理

Linux 操作系统的功能可以概括为进程管理、内存管理、文件系统管理、设备管理和计算机网络等几部分。所有的操作系统执行最终都可以映射到对物理设备的操作。

除去对 CPU、内存等处理机设备的操作之外，操作系统对其他外部设备的操作都通过专门的驱动程序完成。操作系统的每种外设在内核中都必须有对应的设备驱动程序对其进行处理。所以分析网卡的工作原理即是分析网卡的驱动程序。

网络是独立的一个模块。为了屏蔽物理网络设备的多样性，Linux 内核协议栈实现中，对底层物理设备进行了抽象并定义了一个统一的概念，称之为 Socket 接口。所有对网络硬件的访问都是通过接口完成的，接口提供了一个抽象而统一的操作集合来处理基本数据报文的发送和接收。一个网络接口就被看作是一个发送和接收数据包的实体。

对于每个网络接口，都用一个 net_device 的数据结构来表示。net_device 中有很多提供系统访问和协议层调用的设备方法，包括提供设备初始化和往系统注册用的 init 函数，打开和关闭网络设备的 open 和 stop 函数，处理数据包发送的函数 hard_start_xmit，以及中断处理函数。

所有被发送和接收的数据报文都用 sk_buff 结构表示。

要发送数据时，内核网络协议栈将根据系统路由表选择相应的网络接口进行数据传输；
当接收数据包时，通过驱动程序注册的中断服务程序进行数据的接口处理。

基于 DMA 的 NIC I/O 模型

以往，从网卡的 I/O 区域，包括 I/O 寄存器或 I/O 内存中读取数据，这都要 CPU 亲自去读，然后把数据放到 RAM 中，也就占用了 CPU 的运算资源。直到出现了 DMA 技术，其基本思想是外设和 RAM 之间开辟直接的数据传输通路。

一般情况下，总线所有的工作周期（总线周期）都用于 CPU 执行程序。DMA 控制就是当外设完成数据 I/O 的准备工作之后，会占用总线的一个工作周期，和 RAM 直接交换数据。这个周期之后，CPU 又继续控制总线执行原程序。如此反复的，直到整个数据块的数据全部传输完毕，从而解放了 CPU。

首先，内核在 RAM 中为收发数据建立一个环形的缓冲队列，通常叫 DMA 环形缓冲区，又叫 BD（Buffer descriptor）表。
内核将这个缓冲区通过 DMA 映射，把这个队列交给网卡；
网卡收到数据，就直接放进这个环形缓冲区，也就是直接放进 RAM 了；
然后，网卡驱动向系统产生一个中断，内核收到这个中断，就取消 DMA 映射，这样，内核就直接从主内存中读取数据；

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网卡的组成

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