第020讲 I/O体系结构与访问设备

一、 I/O体系结构

1. 与外设的通信通常称之为输入输出，一般都缩写为I/O。在实现外设I/O时，内核必须处理3个能出现的问题：

   1. 必须根据具体的设备类型和模型，使用各种方法对硬件寻址。
   2. 内核必须向用户应用程序和系统工具提供访问各种设备的方法。但凡有可能，都应当采用统一的方案，确保程序设计的工作量不会过多，同时保证应用程序能够在不考虑特定硬件的情况下进行交互操作。
   3. 用户空间需要知道内核中有哪些设备可用。

2. 硬件设备可能以多种方式连接到系统，主板的扩展槽或外部连接器最常见的方法，当然，扩展硬件也可以直接集成到主板上。

   1. 系统总线
      尽管外设的范围可能看上去是无限的，但它们并不直接连接CPU，而是通过总线连接起来。总线负责设备与CPU之间各个设备的通信。如下是代表性的总线：
      a. PCI（Peripheral Component Interconnect）
      b. ISA（Industrial Standard Architecture）
      c. SBus
      d. IEEE1394
      e. SCSI（Small Computer System Interface）
      f. USB（Universal Serial Bus）
      g. 并口与串口（Parallel and Serial Interface）

   2. 与外设交互
      与外设通信的方法，有几种方法可用连接到系统的硬件通信

      1、I/O端口
      使用IA-32和很多其他体系结构上都用I/O端口，在这种情况下，内核发送数据给I/O控制器。数据的目标设备通过唯一的端口号标识，数据被传输到设备进行处理。处理器管理一个独立的虚拟地址空间，可以用于管理所以I/O地址。I/O地址空间不关联到普通系统内核。因为端口也可以映射到内存中，这样会引起混淆。在IA-32体系结构上，端口地址空间由2的16次方个不同的8位地址组成，通过0到0xFFFF之间的数字唯一标识。
      2、I/O内存映射
      程序员必须寻址很多设备，与内存的处理方式类似。因此现在处理器提供对I/O进行内存映射，将特殊外设的端口地址映射到普通内存中。
      3、轮询和中断
      轮询(polling)策略比较简单，只需要重复询问设备数据是否可用，如果可用，则处理器取回数据。
      中断策略比较好，每个CPU都提供中断线，可有各个系统设备共享，每个中断通过一个唯一号码标识，内核对使用的每个中断提供一个服务例程。

   3. 通过总线控制设备
      并非所有设备都是直接通过I/O语句寻址，也有通过总线系统访问的。具体的方式与所 使用的总线和设备相关。并非所有设备类别都可以连接到所有总线系统（比如：将硬盘和CD记 录机连接到SCSI接口，但图形卡就行）。

二、访问设备

设备特殊文件（设备文件）用于访问扩展设备。这些文件并不关联到硬盘或任何其他 的存储介质上的数据段，而是建立了与某个设备驱动程序的连接，以支持与扩展设备的通信。 就应用程序而言，普通文件和设备文件的处理有一定差别。二者都是可以通过同样的 库函数处理。

1. 字符设备、块设备和其他设备
   根据外设与系统之间交换数据的方法，可以将设备分为几种类别。有些设备非常适合 于面向字符的数据交换，因为数据传输量很低。其他的设备则更适合于处理包含固定数目字节 的数据块。内核会区分字符设备和块设备。
   字符设备：提供连续的数据流，应用程序可以顺序读取，通常不支持随机读取，相反，此类设备支持按字节/字符读取。
   块设备：应用程序访问设备数据，程序可自行确定读取数据的位置。比如：硬盘是块设备，应用程序可以寻址磁盘上的任何位置，并读取数据。

2. /dev目录下一些成员，特别在访问权限上面，访问之前的字母是b或c，分别代表块设备和字符设备；设备文件没有文件长度，而增加另外两个值，分别是主设备号和从设备号。

3. /dev/hda, /dev/hdb, /dev/sda, /dev/sdb （hda一般指IDE接口的硬盘，sda一般指sata接口硬盘）

4. 热插拔消息：新设备
   每当内核检测到一个新设备时，都会创建一个内核对象kobject。该对象借助于sysfs文件系统导出到用户层，内核还向用户空间发送一个热插拔消息。

5. 网卡和其他设备

   字符设备和块设备不是内核管理的全部设备类别。网卡在内核中具有特殊地位，它无法融入到分类方案当中，事实很明显：网卡没有设备文件。相反，用户程序必须使用套接字与网卡通信。套接字就是一个抽象层，对所有网卡提供一个抽象视图。标准库的网络相关函数调用sockercall系统调用与内核通信交互进而访问网卡。

设备驱动程序
用于与系统连接的输入/输出装置通信，如硬盘、软驱、各种接口、声卡等。设备驱动程序的任务在于支持应用程序经由设备文件设备通信，使得能够按照适当的方式在设备上读取/写入数据。
设备号：就是系统分配的一个编号，设备号是一个无符号的32位整型，包括主设备号+次设备号，主设备号为高12位，次设备号为低20位。
设备文件需要设备号才能够创建，设备驱动也需要设备号才能装载，设备文件正是通过主设备号找到它的驱动；设备驱动正式利用次设备号才知道要操作的是哪一个设备。

#define MAJOR(dev)	((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS))	//获取主设备号ma
#define MINOR(dev)	((unsigned int) ((dev) & MINORMASK))	//获取次设备号mi
#define MKDEV(ma,mi)	(((ma) << MINORBITS) | (mi))		//通过主次设备号获取设备号dev

struct cdev {
	struct kobject kobj;	//内嵌内核对象
	struct module *owner;	//该字符设备所在内核模块的对象指针
	const struct file_operations *ops;	//描述字符设备所能够操作集（打开、关闭、读/写...）
	struct list_head list;	// 用来将已向内核注册的所以设备设备形成链表
	dev_t dev;	//字符设备的设备号，由主设备号和次设备号构成
	unsigned int count;	//隶属于同一主设备号的次设备号的个数
};

struct file_operations {
	struct module *owner;
	loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
	// 从设备中读取数据，成功时返回读取的字节数，出错返回负值（绝对值的错误码）
	ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
	// 向设备发送数据，成功时该函数返回写入字节数
	ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
	ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
	ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
	int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);
	int (*iterate_shared) (struct file *, struct dir_context *);
	unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
	long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
	long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);

	// 将设备内存映射内核空间进程内存中
	int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
	int (*open) (struct inode *, struct file *);	//打开设备
	int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);	//刷新设备
	int (*release) (struct inode *, struct file *);	//关闭设备
	int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);
	int (*fasync) (int, struct file *, int);
	int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
	ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
	unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
	int (*check_flags)(int);
	int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);
	ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);
	ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);
	int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **, void **);
	long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset,
			  loff_t len);
	void (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct file *f);
#ifndef CONFIG_MMU
	unsigned (*mmap_capabilities)(struct file *);
#endif
	ssize_t (*copy_file_range)(struct file *, loff_t, struct file *,
			loff_t, size_t, unsigned int);
	int (*clone_file_range)(struct file *, loff_t, struct file *, loff_t,
			u64);
	ssize_t (*dedupe_file_range)(struct file *, u64, u64, struct file *,
			u64);
};

// 所有字符设备都通过此类型进行记录
struct kobj_map {
	struct probe {
		struct probe *next;	//形成链表结构
		dev_t dev;	//设备号
		unsigned long range;	//设备号的范围
		struct module *owner;
		kobj_probe_t *get;
		int (*lock)(dev_t, void *);
		void *data;		//指向struct cdev 对象
	} *probes[255];
	struct mutex *lock;
};