Linux设备驱动程序 二 构造和运行模块

第一章 设备驱动程序简介

 

driver在于提供机制，而不是策略。要提供什么功能，如何使用这些功能。

 

内核功能：

进程管理，内存管理，文件系统，设备控制，网络

 

设备类型：字符模块、块模块、网络模块

 

字符设备：

是能像字节流一样被访问的dev，如中断/dev/console和串口/dev/tty0

通常至少要实现open,close,read,write,，

大多是一个只能顺序访问的通道

 

块设备

也可以通过/dev/下的文件系统节点访问。

块设备可以容纳文件系统，

他与字符设备的区别仅仅在于内核内部管理数据的方式

 

还有另一种划分driver类型的方法：

 

 

第二章，构造和运行模块

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
MODULE_LICENSE("Dual BSDBSD/GPL");

static int hello_init(void)
{
    printk(KERN_ALERT "hello world\n");
    return 0;
}
static void hello_exit(void)
{
    printk(KERN_ALERT "Goodbye,cruel world\n");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_init);

 

模块被装载到内核时调用hello_init，被移除时调用hello_init

内核在运行时不能依赖c库，所以需要单独的打印函数printk

 

内核模块与AP的对比：

1，AP是执行单个任务，模块是预先注册自己以便于服务于将来的某个请求，

2，AP退出时可以不管资源的释放和清理，模块不行，否则会残留在系统

3，模块仅仅被链接到内核，所以只能调用内核导出的函数，没有可链接的函数库

4，模块不能包含通常的头文件，内核相关都在include/linux和include/asm

 

UMD和KMD

当UMD切到KMD，执行系统调用的内核代码运行在进程的context里，可以访问进程地址空间的所有数据。

而硬件中断的内核代码与进程是异步的，与任何特定进程都无关

 

driver完成两类任务：

1，作为系统调用的一部分；

2，中断；

 

内核中的并发：

可能时刻有多个进程在同时使用driver。

Linux内核代码必须是可重入的，可以同时运行在多个context中。

 

当前进程：

内核模块不像AP那样顺序执行，但是还是与某个特定进程有关。

内核可以通过全局项current获得当前进程，在<asm.curren.h>。是指向struct task_struct的指针，它定义在<lunx/sched.h>。

2.6以后driver只需包含<ljinux/sched.h>，下面语句通过访问struct task_struct来打印：

printk(KERN_INFO "the process is %s ,pid:%i",current->comm, current->pid)

 

其他细节：

1，AP在虚拟内存中，有很大的栈空间。而内核只有非常小的栈空闲，可能是4096字节的页那么大。

所以大的结构，需要调用时动态分配结构。

2，__前缀的函数，说明它是接口的底层组件，要谨慎使用

3，内核不能实现浮点数运算。如果打开浮点支持，会有额外开销

 

编译：

 

装载和卸载模块：

insmod与ld有些类似，它将模块的代码和数据装入内核，然后使用内核的符号表解析模块中的未解析符号。

如链接器不同的是，内核不会修改模块的磁盘文件，而仅仅修改内存副本。

 

insmod如何工作：

它依赖于/kernel/module.c的一个系统调用。

函数sys_init_module给模块分配内核内存（vmalloc负责内存分配）以便于装载模块

这个系统调用将模块正文复制到内存区域，通过内核符号表解析模块中的内核引用，最后调用模块的init函数。

 

只有系统调用的名字前面有sys__，

modprobe：

如果有当前内核不在存在的符号。modprobe会在模块搜索路径查找定义了这些符号的其他模块。找到了就同时装载。

 

rmmod移除模块，如果正在使用就无法移除

 

lsmod，

列出装载到内核的模块，它读取/proc/modules虚拟文件获得信息。

模块信息也可以在sysfs虚拟文件系统的/sys/module找到

 

内核符号表：

insmod使用公共内核符号表解析模块中未定义的符号。

模块装入内核后，它导出的符号都会变成内核符号表的一部分。

通常模块只需要实现自己的功能，不用导出符号。但如果想其他模块调用它的函数，就要导出符号。

 

模块层叠技术，如：USB输入设备模块层叠在usbcore和input模块上

modprobe是处理层叠模块的实用工具

 

linux内核头文件提供了管理符号对模块外部可见性的方法，减少名字空间污染，要导出符号：

EXPORT_SYMBOL(name);

 

符号必须在模块文件的全局部分导出，不能在函数中导出，

因为该变量将在模块可执行文件的特殊部分（一个ELF段），

装载时，内核通过这个段寻找模块导出的变量。

 

预备知识：头文件

一定包含：

<linux/module.h>，包含可装载模块需要的大量符号和函数定义。

<linux/init.h>，指定初始化和清理函数

 

<modulepatam.h>，向模块传递参数

 

初始化和关闭：

初始化函数如何注册模块提供的设施，可以使完整driver，可以仅仅是一个软件抽象

init函数：

staitc int __init initialization_function(void)
{
    //init code
}
module_init(initialization_function);

声明为static，因为在之外没有意义。

__init表示这个函数只是在init时用，之后就可以扔掉释放内存。

 

module_init的调用是强制性的，这个宏会在模块的目标代码中增加一个特殊的段，用于说明内核init函数所在的位置。

没有他，init函数永远不会被调用。

 

传递到内核注册函数的参数通常是指向描述新设施的数据结构指针，

而数据结构通常包含指向模块函数的指针，这样模块体重的函数会在恰当的时间被内核调用

 

可以注册的设施类型：串口，杂项设备，sysfs入口，/proc文件，

 

注册函数一般带有前缀register_，可以grep用

 

清除函数module_exit();

 

init过程的错误处理：

init出现错误，模块必须自行撤销已注册的设施

错误恢复的处理，用gote语句比较有效。

int __init my_init_function(void)
{
    int err;
    err = register_this(ptr1, "skull");
    if(err) goto fail_this;
    err = register_that(prt2, "skull");
    if(err) goto fail_that;
    
    fail_that:unregister_this(ptr2, "skull");
    fail_this:return err;
}

 

如果不用goto，会消耗更多CPU时间。

 

err是错误编码，定义在<linux/errno.h>的负整数。

AP可以通过perror函数把他们转成有意义的字符串。

 

发生错误时从init函数调用清除函数，可以减少重复代码,

因为清理函数在非退出代码使用，所以不能标记为__exit

void my_cleanup(void)
{
    if(item1)
        release_thing(item1);
    if(item2)
        release_thing(item2);
    if(stuff_ok)
        unregister_stuff();
       returnl    
}

int __init my_init(void)
{
    int err = -ENOMEM;
    item1 = allocate_thind(arg1);
    item2 = allocate_thing2(arg2);
    if(!item1 || !item2)
        goto fail;
    err = register_stuff(item1, item2);
    if(!err)
        stuff_ok = 1;
    else 
        goto fail;
    return 0;
    
   fail:
       my_cleanup();    
       return err;
}

 

 

模块装载竞争：

在init函数还在运行时，内核可能就会调用我们的模块。

所以，某个设施完成内部init前，不要注册

 

模块参数：

参数可以在运行insmod和modprobe命令装在模块时赋值，

modprobe还可以从/etc/modprob.conf中读，

 

模块必须让参数对insmod可见，参数要使用module_param宏声明，定义在moduleparam.h。

module_param()

它需要三个参数：变量名，类型，用于sysfs入口项的访问许可掩码。

它必须放在函数之外

module_param(howmany, int, S_IRUGO);

 

支持类型：

bool

charp，字符指针，给字符串分配内存并设置指针，

如果需要其他类型，可以通过模块代码的hook定义这些类型。

 

设置访问许可，

如果给0，不会有对应的sysfs的入口项

否则，模块参数就会出现在/sys/module，如果给S_IRUGO，任何人都可以访问

 

如果参数通过sysfs修改了，就真的修改而且不会通知模块，所以不该让模块参数是可写的。除非我们会检测修改并作出相应的动作。

 

用户空间编写driver：

优势：

1 ，可以和C库链接

2，可以使用通常的调试器

3，如果用户空间driver被挂起，kill掉就行了，不会影响系统，

4，用户内存可以换出，所以driver很大也不会占太多内存

5，仍然要支持对设备的并发访问

7，用户空间driver可以容易避免印修改内核接口而导致的不明确的许可问题。

 

X Server是UMD driver程序的一个例子，

 

缺点：

1，中断在UMD不可用

2，只有通过mmap映射/dev/mem才能直接访问内存，只有特权用户才可以执行这个额操作

3，只有调用ioperm或者iopl后才可以访问I/O端口

4，响应时间很慢。因为client和硬件传递数据和动作要切context

5，如果driver被换出到磁盘，响应会非常慢，使用mlock系统调用可以缓解这个问题，但UMD程序要链接多个库，所以占用更多内存页，