DPDK设备驱动的匹配和初始化

前言：DPDK使用了UIO（用户空间I/O）的机制，跳过内核态的网卡驱动，转而使用用户态的收发包驱动，从驱动到内存和数据包，继而到数据包的处理，这是一个完整的收发包流程。这篇主要介绍设备驱动的初始化，和收发包的处理。所选代码以DPDK-17.02版本为依据。

数据包的驱动初始化是在rte_eal_init()进行的，总体上分为2个阶段进行。

1.第一阶段是rte_eal_pci_init()，主要是获取系统中的设备PCI。
2.第二阶段是rte_eal_pci_probe(),这个阶段做的事比较多，匹配对应的设备驱动，分配设备，并对设备进行初始化。

我们就按照这个顺序进行介绍。

<1>.先看rte_eal_init()这个函数，了解这一阶段的处理过程。

在函数中，调用了rte_eal_pci_scan()，来扫描系统目录里的PCI设备。默认的扫描目录是#define SYSFS_PCI_DEVICES "/sys/bus/pci/devices",就是依次读取目录下的每一个文件名，解析PCI的地址信息，填充地址信息。

然后调用了pci_scan_one()来进行设备信息的填充，挂接设备。先分配了一个PCI设备结构，注意：此处分配的是PCI设备结构，并不是rte_eth_dev设备。前者标识一个PCI设备，后者标识一个网卡设备。然后依次读取每个PCI设备目录下的vendor,device等文件，填充刚分配出来的PCI设备结构。接下来使用pci_get_kernel_driver_by_path()获取设备驱动的类型。比如使用82599的网卡，就会看到类型为igb_uio，设置对应的驱动类型。
```
if (!ret) {
    if (!strcmp(driver, "vfio-pci"))
        dev->kdrv = RTE_KDRV_VFIO;
    else if (!strcmp(driver, "igb_uio"))
        dev->kdrv = RTE_KDRV_IGB_UIO;
    else if (!strcmp(driver, "uio_pci_generic"))
        dev->kdrv = RTE_KDRV_UIO_GENERIC;
    else
        dev->kdrv = RTE_KDRV_UNKNOWN;
} else
    dev->kdrv = RTE_KDRV_NONE;
```
最后，把PCI设备挂在pci_device_list中：如果设备队列是空的，则直接挂上，如果不是空的，则按照PCI地址排序后挂接在队列中。
这样，第一阶段的工作就做完了，主要是扫描PCI的所有设备，填充设备信息，挂接在队列中。
<2>.rte_eal_pci_probe()函数进入了第二阶段的初始化。
先进行了一个设备参数类型的检查，rte_eal_devargs_type_count()，在这里又涉及到另一个变量---devargs_list，这个全局变量记录着哪些设备的PCI是在白或者黑名单里面，如果是在黑名单里，后面就不进行初始化。这个devargs_list的添加注册是在参数解析部分，-w,-b参数指定的名单。

然后依次遍历队列中的每个PCI设备，和devargs_list比较，查看是否有设备在列表中，如果在黑名单中，就不进行初始化。

之后调用pci_probe_all_drivers()对每个允许的设备进行初始化。
c TAILQ_FOREACH(dr, &pci_driver_list, next) { rc = rte_eal_pci_probe_one_driver(dr, dev); if (rc < 0) /* negative value is an error */ return -1; if (rc > 0) /* positive value means driver doesn't support it */ continue; return 0; }
和每个注册的驱动进行比较，注册的驱动都挂接在pci_driver_list中，驱动的注册是通过下面的一段代码实现的
c #define RTE_PMD_REGISTER_PCI(nm, pci_drv) \ RTE_INIT(pciinitfn_ ##nm); \ static void pciinitfn_ ##nm(void) \ {\ (pci_drv).driver.name = RTE_STR(nm);\ rte_eal_pci_register(&pci_drv); \ } \ RTE_PMD_EXPORT_NAME(nm, __COUNTER__)
这里注意注册函数的类型为析构函数，gcc的补充。它是在main函数之前就执行的，所以，在main之前，驱动就已经注册好了。
c #define RTE_INIT(func) \ static void __attribute__((constructor, used)) func(void)
进一步查看的话，发现系统注册了这么几种类型的驱动：
(1).rte_igb_pmd
(2).rte_igbvf_pmd
(3).rte_ixgbe_pmd
.....

如rte_ixgbe_pmd驱动
c static struct eth_driver rte_ixgbe_pmd = { .pci_drv = { .id_table = pci_id_ixgbe_map, .drv_flags = RTE_PCI_DRV_NEED_MAPPING | RTE_PCI_DRV_INTR_LSC, .probe = rte_eth_dev_pci_probe, .remove = rte_eth_dev_pci_remove, }, .eth_dev_init = eth_ixgbe_dev_init, .eth_dev_uninit = eth_ixgbe_dev_uninit, .dev_private_size = sizeof(struct ixgbe_adapter), };
其中的id_table表中就存放了各种支持的ixgbe设备的vendor号等详细信息。

接下来，自然的，如果匹配上了，就调用对应的驱动probe函数。进入rte_eal_pci_probe_one_driver()函数进行匹配。
当匹配成功后，对PCI资源进行映射--rte_eal_pci_map_device()，这个函数就不进行细细分析了。
最重要的地方到了，匹配成功后，就调用了dr->probe函数，对于ixgbe驱动，就是rte_eth_dev_pci_probe()函数，我们跳进去看看这个probe函数。
首先检查进程如果为RTE_PROC_PRIMARY类型的，那么就分配一个rte_eth_dev设备，调用rte_eth_dev_allocate()，分配可用的port_id,然后如果rte_eth_dev_data没有分配，则一下子分配RTE_MAX_ETHPORTS个这个结构，这个结构描述了每个网卡的数据信息，并把对应port_id的rte_eth_dev_data[port_id]关联到新分配的设备上。

设备创建好了以后，就给设备的私有数据分配空间，
c eth_dev->data->dev_private = rte_zmalloc("ethdev private structure", eth_drv->dev_private_size, RTE_CACHE_LINE_SIZE);
然后填充设备的device,driver信息等。最后调用设备的初始化函数--eth_drv->eth_dev_init，这在ixgbe驱动中，是eth_ixgbe_dev_init()。

从这个初始化函数，进入最后的初始化环节。
要知道的一点是：在这个函数中，很多的工作肯定还是填充分配的设备结构体。先填充了设备的操作函数，以及非常重要的收发包函数
c eth_dev->dev_ops = &ixgbe_eth_dev_ops; eth_dev->rx_pkt_burst = &ixgbe_recv_pkts; eth_dev->tx_pkt_burst = &ixgbe_xmit_pkts; eth_dev->tx_pkt_prepare = &ixgbe_prep_pkts;
再检查如果不是RTE_PROC_PRIMARY进程，则只要检查一下收发函数，并不进一步设置。
然后拷贝一下pci设备的相关信息
```c
rte_eth_copy_pci_info(eth_dev, pci_dev);
eth_dev->data->dev_flags |= RTE_ETH_DEV_DETACHABLE;

/* Vendor and Device ID need to be set before init of shared code /
hw->device_id = pci_dev->id.device_id;
hw->vendor_id = pci_dev->id.vendor_id;
hw->hw_addr = (void )pci_dev->mem_resource[0].addr;
hw->allow_unsupported_sfp = 1;
``接下来针对对应的设备，调用ixgbe_init_shared_code()根据hw->device_id`来初始化特定的设备的MAC层操作函数集，ixgbe_mac_operations，如82599设备。

上面的操作都完成后，就可以调用ixgbe_init_hw()对硬件进行初始化了，初始化的函数在上一步MAC层函数操作集已经初始化。

然后重置设备的硬件统计，分配MAC地址，最后初始化一下各种过滤条件。

Done!!整个PCI驱动的匹配和初始化过程就完成了。

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前言：DPDK提供了内存池机制，使得内存的管理的使用更加简单安全。在设计大的数据结构时，都可以使用mempool分配内存，同时，mempool也提供了内存的获取和释放等操作接口。对于数据包mempool甚至提供了更加详细的接口-rte_pktmbuf_pool_create()，接下来重点分析通用的内存池相关内容。使用DPDK-17.02版本。

一. mempool的创建

内存池的创建使用的接口是rte_mempool_create()。在仔细分析代码之前，先说明一下mempool的设计思路：在DPDK-17.02版本中（和2.1等先前版本在初始化略有差异），总体来说，mempool的组织是通过3个部分实现的

1.mempool头结构。mempool由名字区分，挂接在struct rte_tailq_elem rte_mempool_tailq全局队列中，可以根据mempool的名字进行查找，使用rte_mempool_lookup()接口即可。这只是个mempool的指示结构，mempool分配的内存区并不在这里面，只是通过物理和虚拟地址指向实际的内存地址。
2.mempool的实际空间。这就是通过内存分配出来的地址连续的空间，用来存储mempool的obj对象。
3.ring队列。ring是个环形无锁队列，关于这个话题，可以参考官方文档来了解。其作用就是存放mempool中的对象指针，提供了方便存取使用mempool的空间的办法。

接下来，就来具体看看mempool的创建和初始化过程。
先注意一下rte_mempool_create的参数中的两个-mp_init 和obj_init，前者负责初始化mempool中配置的私有参数，如在数据包中加入的我们自己的私有结构；后者负责初始化每个mempool对象。我们然后按照mempool的3个关键部分展开说明。

1.mempool头结构的创建
在DPDK-17.02中，mempool头结构包含3个部分：struct rte_mempool，cache和mempool private。创建是在rte_mempool_create_empty()中完成的，看这个函数，先进行了对齐的检查

RTE_BUILD_BUG_ON((sizeof(struct rte_mempool) & RTE_CACHE_LINE_MASK) != 0);

然后从mempool队列中取出头节点，我们创建的mempool结构填充好，就挂接在这个节点上。接下来做一些检查工作和创建flag的设置。

rte_mempool_calc_obj_size()计算了每个obj的大小，这个obj又是由三个部分组成的，objhdr,elt_size,objtlr，即头，数据区，尾。在没有开启RTE_LIBRTE_MEMPOOL_DEBUG调试时，没有尾部分；头部分的结构为：struct rte_mempool_objhdr，通过这个头部，mempool中的obj都是链接到队列中的，所以，提供了遍历obj的方式（尽管很少这么用）。函数返回最后计算对齐后的obj的大小，为后面分配空间提供依据。

然后分配了一个mempool队列条目，为后面挂接在队列做准备。

te = rte_zmalloc("MEMPOOL_TAILQ_ENTRY", sizeof(*te), 0);
    if (te == NULL) {
        RTE_LOG(ERR, MEMPOOL, "Cannot allocate tailq entry!\n");
        goto exit_unlock;
    }

接下来，就是计算整个mempool头结构多大，吐槽这里的命名！

    mempool_size = MEMPOOL_HEADER_SIZE(mp, cache_size);
    mempool_size += private_data_size;
    mempool_size = RTE_ALIGN_CEIL(mempool_size, RTE_MEMPOOL_ALIGN);

mempool_size这个名字太有误导性，这里指的是计算mempool的头结构的大小。而不是内存池实际的大小。在这里可以清晰的看出这个mempool头结构是由三部分组成的。cache计算的是所有核上的cache之和。

然后，分配这个mempool头结构大小的空间，填充mempool结构体，并把mempool头结构中的cache地址分配给mempool。初始化这部分cache.

最后就是挂接mempool结构。TAILQ_INSERT_TAIL(mempool_list, te, next);

2.mempool实际空间的创建和ring的创建

这部分的创建是在函数rte_mempool_populate_default() 中完成的。

首先计算了每个elt的总共的大小

total_elt_sz = mp->header_size + mp->elt_size + mp->trailer_size;

然后计算为这些元素需要分配多大的空间，rte_mempool_xmem_size(n, total_elt_sz, pg_shift);

接着rte_memzone_reserve_aligned()分配空间。
终于到关键的一步了，rte_mempool_populate_phys()把元素添加到mempool,实际上就是把申请的空间分给每个元素。

先看到的是这么一段代码：

 
if ((mp->flags & MEMPOOL_F_POOL_CREATED) == 0) {
        ret = rte_mempool_ops_alloc(mp);
        if (ret != 0)
            return ret;
        mp->flags |= MEMPOOL_F_POOL_CREATED;
}

这就是创建ring的过程咯，其中的函数rte_mempool_ops_alloc()就是实现。那么，对应的ops->alloc()在哪注册的呢？

if ((flags & MEMPOOL_F_SP_PUT) && (flags & MEMPOOL_F_SC_GET))
        rte_mempool_set_ops_byname(mp, "ring_sp_sc", NULL);
    else if (flags & MEMPOOL_F_SP_PUT)
        rte_mempool_set_ops_byname(mp, "ring_sp_mc", NULL);
    else if (flags & MEMPOOL_F_SC_GET)
        rte_mempool_set_ops_byname(mp, "ring_mp_sc", NULL);
    else
        rte_mempool_set_ops_byname(mp, "ring_mp_mc", NULL);

就是根据ring的类型，来注册对应的操作函数，如默认的就是ring_mp_mc，多生产者多消费者模型，其操作函数不难找到：

static const struct rte_mempool_ops ops_mp_mc = {
    .name = "ring_mp_mc",
    .alloc = common_ring_alloc,
    .free = common_ring_free,
    .enqueue = common_ring_mp_enqueue,
    .dequeue = common_ring_mc_dequeue,
    .get_count = common_ring_get_count,
};

接下来，又分配了一个struct rte_mempool_memhdr *memhdr;结构的变量，就是这个变量管理着mempool的实际内存区，它记录着mempool实际地址区的物理地址，虚拟地址，长度等信息。

再然后，就是把每个元素对应到mempool池中了：mempool_add_elem()。在其中，把每个元素都挂在了elt_list中，可以遍历每个元素。最后rte_mempool_ops_enqueue_bulk(mp, &obj, 1);，最终，把元素对应的地址入队，这样，mempool中的每个元素都放入了ring中。

创建完成！！！

二 . mempool的使用

mempool的常见使用是获取元素空间和释放空间。

rte_mempool_get可以获得池中的元素，其实就是从ring取出可用元素的地址。
rte_mempool_put可以释放元素到池中。
rte_mempool_in_use_count查看池中已经使用的元素个数
rte_mempool_avail_count 查看池中可以使用的元素个数

三. 后记

mempool是DPDK内存管理的重要组件，这篇重点介绍了 mempool创建使用的过程，对于系统如何做大页映射，统一地址并没有涉及，希望在后面的篇幅中，关注一下大页的映射和共享内存等。再往后，会介绍驱动与收发包等联系较大的内容