第8章設(shè)備驅(qū)動(dòng)(初稿)

第8章設(shè)備驅(qū)動(dòng)提綱1、Linux驅(qū)動(dòng)程序簡(jiǎn)介2、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)3、Linux內(nèi)核設(shè)備模型4、同步機(jī)制5、內(nèi)存映射和管理6、工作隊(duì)列7、異步I/O8、DMA1、Linux驅(qū)動(dòng)程序簡(jiǎn)介設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機(jī)器硬件之間的接口設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?yàn)閼?yīng)用程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)，在應(yīng)用程序看來(lái)，硬件設(shè)備只是一個(gè)設(shè)備文件,應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行操作Linux驅(qū)動(dòng)程序簡(jiǎn)介設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是內(nèi)核的一部分，它完成以下的功能：（1）對(duì)設(shè)備的初始化和釋放。（2）把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù)到內(nèi)核。（3）讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)和回送應(yīng)用程序請(qǐng)求的數(shù)據(jù)。這需要在用戶空間，內(nèi)核空間，總線以及外設(shè)之間傳輸數(shù)據(jù)。（4）檢測(cè)和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯(cuò)誤。Linux驅(qū)動(dòng)程序簡(jiǎn)介設(shè)備的分類(lèi)字符設(shè)備無(wú)需緩沖直接讀寫(xiě)的設(shè)備，如系統(tǒng)的串口設(shè)備/dev/cua0和/dev/cua1塊設(shè)備以塊為單位進(jìn)行讀寫(xiě)，典型的塊大小為512或1024字節(jié)；塊設(shè)備的存取是通過(guò)buffer、cache來(lái)進(jìn)行并且可以隨機(jī)訪問(wèn)，即不管塊位于設(shè)備中何處都可以對(duì)其進(jìn)行讀寫(xiě)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過(guò)BSD套接口訪問(wèn)Linux驅(qū)動(dòng)程序簡(jiǎn)介設(shè)備文件Linux抽象了對(duì)硬件的處理，所有的硬件設(shè)備都可以作為普通文件一樣來(lái)看待：它們可以使用和操作文件相同的、標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)調(diào)用接口來(lái)完成打開(kāi)、關(guān)閉、讀寫(xiě)和I/O控制操作，而驅(qū)動(dòng)程序的主要任務(wù)也就是要實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)Linux為文件和設(shè)備提供了一致的用戶接口。對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，設(shè)備文件與普通文件并無(wú)區(qū)別Linux驅(qū)動(dòng)程序簡(jiǎn)介主設(shè)備號(hào)和次設(shè)備號(hào)主設(shè)備號(hào)標(biāo)識(shí)該設(shè)備的種類(lèi)，也標(biāo)識(shí)了該設(shè)備所使用的驅(qū)動(dòng)程序次設(shè)備號(hào)標(biāo)識(shí)使用同一設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的不同硬件設(shè)備Linux驅(qū)動(dòng)程序簡(jiǎn)介

Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)代碼的分布所有Linux的設(shè)備驅(qū)動(dòng)源碼都放在drivers目錄中，分成以下幾類(lèi)：block：塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)包括IDE（在ide.c中）驅(qū)動(dòng)。塊設(shè)備包括IDE與SCSI設(shè)備。char：包含字符設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，如ttys、串行口以及鼠標(biāo)等等Linux驅(qū)動(dòng)程序簡(jiǎn)介

Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的特點(diǎn)（1）內(nèi)核代碼（2）內(nèi)核接口（3）內(nèi)核機(jī)制與服務(wù)（4）可加載（5）可配置（6）動(dòng)態(tài)性2、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)Linux的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與外界的接口可以分成三部分：（1）驅(qū)動(dòng)程序與操作系統(tǒng)內(nèi)核的接口（2）驅(qū)動(dòng)程序與系統(tǒng)引導(dǎo)的接口（3）驅(qū)動(dòng)程序與設(shè)備的接口設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)程序的注冊(cè)與注銷(xiāo)向系統(tǒng)增加一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序意味著要賦予它一個(gè)主設(shè)備號(hào)，這可以通過(guò)在驅(qū)動(dòng)程序的初始化過(guò)程中調(diào)用定義在fs/devices.c中的register_chrdev()函數(shù)或者fs/block_dev.c中的register_blkdev()函數(shù)來(lái)完成。而在關(guān)閉字符設(shè)備或者塊設(shè)備時(shí)，則需要通過(guò)調(diào)用unregister_chrdev()或unregister_blkdev()函數(shù)從內(nèi)核中注銷(xiāo)設(shè)備，同時(shí)釋放占用的主設(shè)備號(hào)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)設(shè)備的打開(kāi)與釋放打開(kāi)設(shè)備是通過(guò)調(diào)用定義在include/linux/fs.h中的file_operations結(jié)構(gòu)中的函數(shù)open()來(lái)完成釋放設(shè)備是通過(guò)調(diào)用file_operations結(jié)構(gòu)中的函數(shù)release()來(lái)完成設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)設(shè)備的讀寫(xiě)操作字符設(shè)備的讀寫(xiě)操作相對(duì)比較簡(jiǎn)單，直接使用函數(shù)read()和write()就可以了塊設(shè)備的話，則需要調(diào)用函數(shù)block_read()和block_write()來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)設(shè)備的控制操作通過(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中的函數(shù)ioctl()來(lái)完成設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)設(shè)備的輪詢和中斷處理設(shè)備執(zhí)行某個(gè)命令時(shí)，如“將讀取磁頭移動(dòng)到軟盤(pán)的第42扇區(qū)上”，設(shè)備驅(qū)動(dòng)可以從輪詢方式和中斷方式中選擇一種以判斷設(shè)備是否已經(jīng)完成此命令。不支持中斷的硬件設(shè)備，讀寫(xiě)時(shí)需要輪流查詢?cè)O(shè)備狀態(tài)3、Linux內(nèi)核設(shè)備模型內(nèi)核設(shè)備模型是Linux2.6之后引進(jìn)的，是為了適應(yīng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)電源管理、熱插拔支持要求越來(lái)越高等形勢(shì)下開(kāi)發(fā)的全新的設(shè)備模型。它采用sysfs文件系統(tǒng)，一個(gè)類(lèi)似于/proc文件系統(tǒng)的特殊文件系統(tǒng)，作用是將系統(tǒng)中的設(shè)備組織成層次結(jié)構(gòu)，然后向用戶程序提供內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)信息。Linux內(nèi)核設(shè)備模型設(shè)備模型建立的目的代碼重復(fù)最?。惶峁┤缫糜?jì)數(shù)這樣的統(tǒng)一機(jī)制；例舉系統(tǒng)中所有設(shè)備，觀察其狀態(tài)，查看其連接總線；用樹(shù)的形式將全部設(shè)備結(jié)構(gòu)完整、有效地展現(xiàn)，包括所有總線和內(nèi)部連接；將設(shè)備和對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)聯(lián)系起來(lái)；將設(shè)備按照類(lèi)型分類(lèi)；從樹(shù)的葉子向根的方向依次遍歷，確保以正確順序關(guān)閉各個(gè)設(shè)備的電源Linux內(nèi)核設(shè)備模型sysfs—設(shè)備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的文件系統(tǒng)表現(xiàn)/sys|--block|--bus|--class|--dev|--devices|--firmware|--fs|--kernel|--module`--powerLinux內(nèi)核設(shè)備模型sysfs根目錄下有10個(gè)目錄，分別是：block，bus，class，dev，devices，firmware，fs，kernel，module和powerBlock目錄：其下的每個(gè)子目錄分別對(duì)應(yīng)系統(tǒng)中的一個(gè)塊設(shè)備，每個(gè)目錄又都包含該塊設(shè)備的所有分區(qū)；class目錄：包含以高層功能邏輯組織起來(lái)的系統(tǒng)設(shè)備視圖；等等Linux內(nèi)核設(shè)備模型驅(qū)動(dòng)模型和sysfsLinux2.6設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型的基本元素是設(shè)備類(lèi)結(jié)構(gòu)classes、總線結(jié)構(gòu)bus、設(shè)備結(jié)構(gòu)devices、驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)driversLinux統(tǒng)一設(shè)備模型的基本結(jié)構(gòu)類(lèi)型說(shuō)明對(duì)應(yīng)內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)/sys項(xiàng)總線類(lèi)型（BusTypes）系統(tǒng)中用于連接設(shè)備的總線structbus_type/sys/bus/*/設(shè)備（Devices）內(nèi)核識(shí)別的所有設(shè)備，依照連接它們的總線進(jìn)行組織structdevice/sys/devices/*/*/../設(shè)備類(lèi)別（DeviceClasses）系統(tǒng)中設(shè)備的類(lèi)型（聲卡，網(wǎng)卡，顯卡，輸入設(shè)備等），同一類(lèi)中包含的設(shè)備可能連接不同的總線structclass/sys/class/*/設(shè)備驅(qū)動(dòng)（DeviceDrivers）在一個(gè)系統(tǒng)中安裝多個(gè)相同設(shè)備，只需要一份驅(qū)動(dòng)程序的支持structdevice_driver/sys/bus/pic/drivers/*/Linux內(nèi)核設(shè)備模型Kobject：kobject的主要功能之一是提供一個(gè)統(tǒng)一的計(jì)數(shù)系統(tǒng)。由于kobject是“基”對(duì)象，其他對(duì)象，如device，bus，class，device_driver等容器都會(huì)將其包含，其他對(duì)象的引用計(jì)數(shù)繼承或封裝kobject的引用計(jì)數(shù)就可以了。structkobject{ constchar*name;/*短名字*/ structkobject*parent;/*表示對(duì)象的層次關(guān)系*/ structsysfs_dirent*sd;/*表示sysfs中的一個(gè)目錄項(xiàng)*/}；Linux內(nèi)核設(shè)備模型結(jié)構(gòu)體kref：深入到引用計(jì)數(shù)系統(tǒng)的內(nèi)部，可以發(fā)現(xiàn)kobject的引用計(jì)數(shù)是通過(guò)kref結(jié)構(gòu)體實(shí)現(xiàn)，其定義在頭文件<linux/kref.h>中：structkref{ atomic_trefcount;};Linux內(nèi)核設(shè)備模型結(jié)構(gòu)體ktype：kobject是一個(gè)抽象且基本的對(duì)象，對(duì)于一族具有共同特性的kobject，就要用ktype描述。structkobj_type{ void(*release)(structkobject*kobj); structsysfs_ops*sysfs_ops; structattribute**default_attrs;}指針指向?qū)ο笳f(shuō)明release析構(gòu)函數(shù)當(dāng)kobject引用計(jì)數(shù)減至0時(shí)，調(diào)用這個(gè)析構(gòu)函數(shù)。作用是釋放所有kobject使用的內(nèi)存和做相關(guān)清理工作。sysfs_opssysfs_ops結(jié)構(gòu)體sysfs_ops結(jié)構(gòu)體包含兩個(gè)函數(shù)：對(duì)屬性進(jìn)行操作的讀寫(xiě)函數(shù)show()和store()。default_attrsattribute結(jié)構(gòu)體數(shù)組這些結(jié)構(gòu)定義了kobject相關(guān)的默認(rèn)屬性。屬性描述了給定對(duì)象的特征；屬性對(duì)應(yīng)/sys樹(shù)形結(jié)構(gòu)中的葉子節(jié)點(diǎn)，就是文件。Linux內(nèi)核設(shè)備模型結(jié)構(gòu)體kset：kset，是kobject對(duì)象的集合體，可以看作一個(gè)容器，把所有相關(guān)的kobject聚集起來(lái)structkset{ structlist_headlist; spinlock_tlist_lock; structkobjectkobj; structkset_uevent_ops*uevent_ops;}Linux內(nèi)核設(shè)備模型platform總線：platform總線是Linux內(nèi)核中的一個(gè)虛擬總線，使設(shè)備的管理更加簡(jiǎn)單化。目前，大部分的驅(qū)動(dòng)都是用platform總線來(lái)寫(xiě)的4、同步機(jī)制在操作系統(tǒng)中，多個(gè)內(nèi)核執(zhí)行流會(huì)在同一時(shí)間執(zhí)行，所以和多進(jìn)程多線程編程一樣，內(nèi)核也需要一些同步機(jī)制來(lái)同步各執(zhí)行單元對(duì)共享數(shù)據(jù)的訪問(wèn)。特別的，在多處理器系統(tǒng)上，更需要一些同步機(jī)制來(lái)同步不同處理器上的執(zhí)行單元對(duì)共享數(shù)據(jù)的訪問(wèn)。在Linux內(nèi)核中，包含了幾乎所有主流操作系統(tǒng)具有的同步機(jī)制，由于本文采用的是2.6內(nèi)核，它包括：同步鎖、信號(hào)量、原子操作和完成事件。同步機(jī)制同步鎖自旋鎖（Spinlock）讀寫(xiě)鎖（rmlock）

RCU鎖Seqlock同步機(jī)制信號(hào)量Linux內(nèi)核的信號(hào)量在概念和原理上與用戶態(tài)的IPC機(jī)制信號(hào)量是一樣的，但是不能用在內(nèi)核之外，它是一種睡眠鎖當(dāng)一個(gè)任務(wù)試圖獲得已被占用的信號(hào)量時(shí)，會(huì)進(jìn)入一個(gè)等待隊(duì)列，然后睡眠當(dāng)持有該信號(hào)量的進(jìn)程釋放信號(hào)量后，位于等待隊(duì)列的一個(gè)任務(wù)就會(huì)被喚醒，這個(gè)任務(wù)獲得信號(hào)量同步機(jī)制讀寫(xiě)信號(hào)量在應(yīng)用讀寫(xiě)信號(hào)量的場(chǎng)景中，訪問(wèn)者被細(xì)分為兩類(lèi)，一種是讀者，另一種是寫(xiě)者讀者在擁有讀寫(xiě)信號(hào)量期間，對(duì)該讀寫(xiě)信號(hào)量保護(hù)的共享資源只能進(jìn)行讀訪問(wèn)如果某個(gè)任務(wù)同時(shí)需要讀和寫(xiě)，則被歸類(lèi)為寫(xiě)者，它在對(duì)共享資源訪問(wèn)之前須先獲得寫(xiě)者身份，寫(xiě)者在不需要寫(xiě)訪問(wèn)的情況下將被降級(jí)為讀者同步機(jī)制原子操作原子操作是指該操作在執(zhí)行完畢前絕不會(huì)被任何其他任務(wù)或時(shí)間打斷，換句話說(shuō)，它是最小的執(zhí)行單位，不會(huì)有比它更小的執(zhí)行單位原子的概念使用的是物理學(xué)里的物質(zhì)微粒的概念同步機(jī)制完成事件（completion）完成事件是一種簡(jiǎn)單的同步機(jī)制，表示“thingsmayproceed”，它適用于需要睡眠和喚醒的情景如果要在任務(wù)中實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單睡眠直到其它進(jìn)程完成某些處理過(guò)程為止，可以采用完成事件，它不會(huì)引起資源競(jìng)爭(zhēng)如果要使用completion，需要包含<linux/completion.h>，同時(shí)創(chuàng)建類(lèi)型為structcompletion的變量同步機(jī)制時(shí)間測(cè)量時(shí)間流失（jiffies）獲知當(dāng)前時(shí)間延后執(zhí)行內(nèi)核定時(shí)器5、內(nèi)存映射和管理物理地址映射到虛擬地址每一種外設(shè)的訪問(wèn)都是通過(guò)讀寫(xiě)設(shè)備上的寄存器來(lái)進(jìn)行，包括控制寄存器、狀態(tài)寄存器和數(shù)據(jù)寄存器三大類(lèi)CPU對(duì)I/O端口的編址方式有兩種I/O映射方式內(nèi)存映射方式內(nèi)存映射和管理內(nèi)核空間映射到用戶空間內(nèi)存映射是現(xiàn)代Unix最有趣的特性之一。對(duì)于驅(qū)動(dòng)來(lái)說(shuō)，內(nèi)存映射可用來(lái)提供用戶程序?qū)υO(shè)備內(nèi)存的直接存取。如果想在用戶空間訪問(wèn)內(nèi)核地址，可以采用mmap方法。用戶空間的應(yīng)用程序通過(guò)映射可以直接訪問(wèn)設(shè)備的I/O存儲(chǔ)區(qū)或DMA緩沖。映射一個(gè)設(shè)備是指關(guān)聯(lián)一些用戶空間地址到設(shè)備內(nèi)存。這樣，無(wú)論何時(shí)程序在給定范圍內(nèi)讀寫(xiě)，實(shí)際上是在存取設(shè)備。6、工作隊(duì)列工作隊(duì)列（workqueue）是linux內(nèi)核將工作退后執(zhí)行的機(jī)制tasklets不同的是工作隊(duì)列把推后的工作交給內(nèi)核線程去執(zhí)行工作隊(duì)列的優(yōu)勢(shì)就是允許重新調(diào)度甚至睡眠2.6內(nèi)核開(kāi)始引入工作隊(duì)列7、異步I/OLinux的異步I/O（AIO）在版本linux2.5版本內(nèi)核中首次出現(xiàn)。首先來(lái)看一下Linux的I/O機(jī)制經(jīng)歷的幾個(gè)階段：(1)同步阻塞I/O：用戶進(jìn)程進(jìn)行I/O操作，一直阻塞到I/O操作完成為止；(2)同步非阻塞I/O:用戶程序可以通過(guò)設(shè)置文件描述符的屬性O(shè)_NONBLOCK，I/O操作可以立即返回，但是并不保證I/O操作成功。(3)異步事件阻塞I/O:用戶進(jìn)程可以對(duì)I/O事件進(jìn)行阻塞，但是I/O操作并不阻塞。通過(guò)select/poll/epoll等函數(shù)調(diào)用來(lái)達(dá)到此目的。(4)異步事件非阻塞I/O:也叫做異步I/O(AIO)，用戶程序可以通過(guò)向內(nèi)核發(fā)出I/O請(qǐng)求命令，不用等帶I/O事件真正發(fā)生，可以繼續(xù)做另外的事情，等I/O操作完成，內(nèi)核會(huì)通過(guò)函數(shù)回調(diào)或者信號(hào)機(jī)制通知用戶進(jìn)程。這樣很大程度提高了系統(tǒng)吞吐量。8、DMADMA（DirectMemoryAccess），直接內(nèi)存存取，是解決快速數(shù)據(jù)訪問(wèn)的有效方法。DMA控制器可以不需要處理器的干預(yù)，在設(shè)備和系統(tǒng)內(nèi)存高速傳輸數(shù)據(jù)DMADMA數(shù)據(jù)傳輸DMA的傳送數(shù)據(jù)有三個(gè)階段組成：傳送前的預(yù)處理：向DMA控制器發(fā)送設(shè)備識(shí)別信號(hào)，啟動(dòng)設(shè)備，測(cè)試設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)