Linux實(shí)用教程 Linux設(shè)備管理與模塊機(jī)制

1、1設(shè)備管理與模塊機(jī)制設(shè)備管理與模塊機(jī)制n基本概念n傳統(tǒng)方式的設(shè)備注冊(cè)與管理ndevfs注冊(cè)與管理n塊設(shè)備的請(qǐng)求隊(duì)列n網(wǎng)絡(luò)設(shè)備n模塊機(jī)制2基本概念基本概念n字符設(shè)備、塊設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 字符設(shè)備以字節(jié)為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通常只允許按順序訪問 塊設(shè)備將數(shù)據(jù)按可尋址的塊為單位進(jìn)行處理，可以隨機(jī)訪問，利用緩沖技術(shù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是一類特殊的設(shè)備，每塊網(wǎng)卡有名字但沒有設(shè)備文件與之對(duì)應(yīng) 查看系統(tǒng)中的設(shè)備：/proc/devicesn主設(shè)備號(hào)和次設(shè)備號(hào) major number：相同的設(shè)備使用相同的驅(qū)動(dòng)程序 minor number：用來區(qū)分具體設(shè)備的實(shí)例 查看設(shè)備及其類型“l(fā)s -l /dev”n設(shè)備文件系統(tǒng)dev

2、fs /dev目錄過于龐大，很多設(shè)備文件沒有對(duì)應(yīng)系統(tǒng)中的設(shè)備 devfs根據(jù)系統(tǒng)中的實(shí)際設(shè)備構(gòu)建設(shè)備文件，并按目錄存放，如/dev/disk，/dev/pts3基本概念基本概念用戶空間內(nèi)核空間I/O請(qǐng)求設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè) 備ISR系統(tǒng)調(diào)用ret_from_sys_call返回,進(jìn)程繼續(xù)4基本概念基本概念用 戶 程 序 調(diào) 用Fd=fopen(“/dev/hda”,O_RDWR,0);read(buff,fd,size)write(fd,buff,size)close(fd)Virtual file systemGeneric_file_read()Generic_file_write()塊 設(shè) 備

3、 文 件建立設(shè)備：#mknod /dev/dev_name type major_number minor_number 5VFSVFS中的文件中的文件ninclude/linux/fs.hstruct file struct *f_op;struct loff_t (*llseek)(struct file *,loff_t,int); ssize_t (*read)(struct file *,char *,size_t,loff_t *); ssize_t (*write)(struct file *,const char *,size_t,loff_t *); int(*ioctl)

4、(struct inode *,struct file *,unsigned int,unsigned long); int(*mmap) (struct file *,struct vm_area_struct *); int(*open) (struct inode *,struct file *); int(*release) (struct inode *,struct file *); int(*fsync) (struct file *,struct dentry *,int datasync); int(*fasync) (int,struct file *,int); ;6(1

5、) llseek(file, offset, whence)：修改文件的讀寫指針。(2) read(file, buf, count, offset)：從設(shè)備文件的offset 處開始讀出count個(gè)字節(jié)，然后增加*offset的值。(3) write(file, buf, count, offset)：從設(shè)備文件的offset處寫入count個(gè)字節(jié)，然后增加*offset的值。(4) ioctl(inode, file, cmd, arg)：向一個(gè)硬件設(shè)備發(fā)命令，對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。(5) mmap(file, vma)：將設(shè)備空間映射到進(jìn)程地址空間。(6) open(inode, file)：

6、打開并初始化設(shè)備。(7) release(inode, file)：關(guān)閉設(shè)備并釋放資源。(8) fsync(file, dentry)：實(shí)現(xiàn)內(nèi)存與設(shè)備之間的同步通信。(9) fasync(file, on)：實(shí)現(xiàn)內(nèi)存與設(shè)備之間的異步通信。7nfs/devices.cstruct device_struct const char * name; struct * fops;static struct device_struct chrdevsMAX_CHRDEV; 注冊(cè)與注銷函數(shù)：int register_chrdev(unsigned int major, const char * name,

7、 struct *fops)int unregister_chrdev(unsigned int major, const char * name);注：major即設(shè)備的主設(shè)備號(hào)，注冊(cè)后就是訪問數(shù)組chrdevs的索引（下標(biāo)）。字符設(shè)備的注冊(cè)與管理字符設(shè)備的注冊(cè)與管理8PCIPCI設(shè)備（驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)見設(shè)備（驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)見wordword文檔）文檔）Linux內(nèi)核啟動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)所有內(nèi)核啟動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)所有PCI設(shè)備進(jìn)行掃描、登錄和分配資源等初始化設(shè)備進(jìn)行掃描、登錄和分配資源等初始化操作，建立起系統(tǒng)中所有操作，建立起系統(tǒng)中所有PCI設(shè)備的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)備的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)此后當(dāng)內(nèi)核欲初始化某設(shè)備時(shí)，調(diào)用此后當(dāng)內(nèi)核欲初始化某設(shè)

8、備時(shí)，調(diào)用module_initmodule_init加載該設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程加載該設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序序9塊設(shè)備塊設(shè)備nfs/block_dev.cstatic struct const char *name; struct block_device_operations *bdops; blkdevsMAX_BLKDEV; 10塊設(shè)備注冊(cè)塊設(shè)備注冊(cè)nfs/block_register_blkdev(unsigned int major,const char *name, struct block_device_operations *bdops)nint unregister_blkdev(unsig

9、ned int major, const char * name)11塊設(shè)備的操作塊設(shè)備的操作block_device_operationsstruct block_device_operations int (*open) (struct inode *, struct file *);int (*release) (struct inode *, struct file *);int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned, unsigned long);int (*check_media_change) (kdev_t);int

10、 (*revalidate) (kdev_t);struct module *owner;12nblock_device_operations并不能完全提供結(jié)構(gòu)中的所必需的主要函數(shù)（例如read、write），所以內(nèi)核實(shí)際上是采用def_blk_fops變量對(duì)相關(guān)的變量進(jìn)行了賦值： struct def_blk_fops ; n除了open、release等函數(shù)利用了設(shè)備注冊(cè)時(shí)提供的block_device_operations結(jié)構(gòu)中的成員變量之外，其他函數(shù)都是采用所有塊設(shè)備通用的操作函數(shù)(def_blk_fops)塊設(shè)備的缺省操作塊設(shè)備的缺省操作def_blk_fops13nfs/block

11、_dev.cstruct def_blk_fops = open:blkdev_open,release:blkdev_close,llseek:block_llseek,read:generic_,write:generic_,mmap:generic_,fsync:block_fsync,ioctl:blkdev_ioctl,;塊設(shè)備的缺省操作塊設(shè)備的缺省操作def_blk_fops14nblock_read與block_write等函數(shù)是設(shè)備相關(guān)的n塊設(shè)備注冊(cè)時(shí)一個(gè)重要的任務(wù)就是提供這個(gè)設(shè)備相關(guān)的操作函數(shù)給內(nèi)核15devfs注冊(cè)與管理注冊(cè)與管理nfs/devfs/base.c nregi

12、ster_chrdev()停止使用，改為devfs_register_chrdev()nregister_blkdev()停止使用，改為devfs_register_blkdev()nint devfs_register_chrdev (unsigned int major, const char *name, struct *fops)nint devfs_register_blkdev (unsigned int major, const char *name, struct block_device_operations *bdops)nint devfs_unregister_chrd

13、ev (unsigned int major, const char *name)nint devfs_unregister_blkdev (unsigned int major, const char *name)16塊設(shè)備的請(qǐng)求隊(duì)列塊設(shè)備的請(qǐng)求隊(duì)列n當(dāng)系統(tǒng)對(duì)塊設(shè)備進(jìn)行讀操作時(shí)，僅僅是通過塊設(shè)備通用的讀操作函數(shù)block_read( )，將這一個(gè)請(qǐng)求發(fā)送給對(duì)應(yīng)的設(shè)備，并保存在該設(shè)備的操作請(qǐng)求隊(duì)列（request queue）中。然后調(diào)用這個(gè)塊設(shè)備的底層處理函數(shù)，對(duì)請(qǐng)求隊(duì)列中的操作請(qǐng)求進(jìn)行逐一的執(zhí)行struct blk_dev_struct /*include/linux/blkdev.h*/

14、 request_queue_t request_queue; queue_proc *queue; void *data;struct blk_dev_struct blk_devMAX_BLKDEV; 17block_read()流程流程block_read( )ll_rw_block( )submit_bh ( )generic_make_request ( )_make_request ( )add_request ( )，給請(qǐng)求隊(duì)列添加新的請(qǐng)求18Linux網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)核硬件設(shè)備應(yīng)用層BSD Socket層INET Socket層IP層硬件層TCPUDP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口

15、19重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)n以socket文件描述符作為參數(shù)，系統(tǒng)調(diào)用從用戶空間切換到內(nèi)核空間，從而進(jìn)入到BSD Socket層的操作。操作的對(duì)象是socket結(jié)構(gòu)，每一個(gè)這樣的結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接 n通過網(wǎng)絡(luò)地址族的不同來判斷是否應(yīng)該進(jìn)入到INET Socket層；這一層的數(shù)據(jù)存放在msghdr結(jié)構(gòu)的變量中n在INET Socket層中，分成面向連接和面向無連接兩種類型，區(qū)分TCP和UDP協(xié)議。在這一層中的操作對(duì)象是sock類型的數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)存放在sk_buff結(jié)構(gòu)中20模塊機(jī)制（模塊機(jī)制（Module）nLinux的單塊結(jié)構(gòu)（monolithic）使得其可擴(kuò)展性較差n模塊機(jī)制（L

16、inux Kernel Module,LKM）提高了linux內(nèi)核的可擴(kuò)展性n利用linux源碼編譯生成內(nèi)核時(shí)，如某功能允許“m”選項(xiàng)（其他為“y”， “ n”），說明可以以模塊形式存在n多數(shù)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序以模塊的方式掛接到內(nèi)核n系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)已將若干模塊掛入了內(nèi)核n用戶只要有權(quán)限，就可以編寫模塊掛入內(nèi)核n模塊的缺點(diǎn)：增加了內(nèi)核管理代價(jià) 21模塊的設(shè)計(jì)模塊的設(shè)計(jì)nEvery LKM consists of two basic functions (minimum) :int init_module(void) /*used for all initialization stuff*/ . void

17、cleanup_module(void) /*used for a clean shutdown*/ . n安裝模塊命令 # insmod module.o #modprobe module.on卸載模塊命令 # rmmod module.on查詢系統(tǒng)中已裝入的模塊 #lsmod22模塊的設(shè)計(jì)模塊的設(shè)計(jì)n例子 hello.c#define MODULE#include int init_module(void) printk(Hello, worldn); return 0; void cleanup_module(void) printk(Goodbye cruel worldn); n編譯

18、模塊 # gcc c hello.c DMODULE D_KERNEL_ -DLINUX -Wall O2 -I/usr/src/linux-2.4/include n安裝、卸載模塊 # insmod hello.o Hello world # rmmod hello Goodbye cruel world23模塊設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)模塊設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)n模塊設(shè)計(jì)與應(yīng)用程序設(shè)計(jì)模塊是裝入內(nèi)核的，運(yùn)行時(shí)CPU處于核心態(tài) 應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)CPU處于用戶態(tài)n編譯模塊 設(shè)計(jì)應(yīng)用程序使用的include文件：/usr/include 設(shè)計(jì)內(nèi)核模塊使用的include文件：/usr/src/linux-2.4/include 兩者如果不一致，在編譯內(nèi)核模塊時(shí)要用-I指明include路徑n 設(shè)計(jì)的模塊可以調(diào)用Linux內(nèi)核及其他模塊已經(jīng)輸出（exported）的函數(shù)，不能利用標(biāo)準(zhǔn)C提供的庫(kù)函數(shù)如printfn#more /proc/ksyms或 24模塊調(diào)試模塊調(diào)試printk利用/proc文件系統(tǒng)或ioctl；ksyms使用調(diào)試器gdbkdebug遠(yuǎn)程調(diào)試25/proc/下文件、目錄的意義