Linux设备驱动程序(一)

本文介绍了内核的主要组成部分,如进程管理、内存管理等,并详细解释了驱动程序的角色及其实现机制,而非策略。此外,文章还探讨了可加载模块的概念,以及如何建立和运行这些模块。

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1、驱动程序的角色:
一个驱动程序的角色是提供机制,而不是策略。
机制:提供什么能力;策略:如何使用这些能力。
编写内核代码来存取硬件, 但是不能强加特别的策略给用户, 因为不同的用户有不同的需求. 驱动应当做到使硬件可用, 将所有关于如何使用硬件的事情留给应用程序. 一个驱动, 这样, 就是灵活的, 如果它提供对硬件能力的存取, 没有增加约束. 然而, 有时必须作出一些策略的决定. 例如, 一个数字 I/O 驱动也许只提供对硬件的字符存取, 以便避免额外的代码处理单个位。
2、划分内核:
进程管理:
内核负责创建和销毁进程, 并处理它们与外部世界的联系(输入和输出). 不同进程间通讯(通过信号, 管道, 或者进程间通讯原语)对整个系统功能来说是基本的, 也由内核处理. 另外, 调度器, 控制进程如何共享 CPU, 是进程管理的一部分. 更通常地, 内核的进程管理活动实现了多个进程在一个单个或者几个 CPU 之上的抽象.
内存管理:
计算机的内存是主要的资源, 处理它所用的策略对系统性能是至关重要的. 内核为所有进程的每一个都在有限的可用资源上建立了一个虚拟地址空间. 内核的不同部分与内存管理子系统通过一套函数调用交互, 从简单的 malloc/free 对到更多更复杂的功能.
文件系统:
Unix 在很大程度上基于文件系统的概念; 几乎 Unix 中的任何东西都可看作一个文件. 内核在非结构化的硬件之上建立了一个结构化的文件系统, 结果是文件的抽象非常多地在整个系统中应用. 另外, Linux 支持多个文件系统类型, 就是说, 物理介质上不同的数据组织方式. 例如, 磁盘可被格式化成标准 Linux 的 ext3 文件系统, 普遍使用的 FAT 文件系统, 或者其他几个文件系统.
设备控制:
几乎每个系统操作最终都映射到一个物理设备上. 除了处理器, 内存和非常少的别的实体之外, 全部中的任何设备控制操作都由特定于要寻址的设备相关的代码来进行. 这些代码称为设备驱动. 内核中必须嵌入系统中出现的每个外设的驱动, 从硬盘驱动到键盘和磁带驱动器. 内核功能的这个方面是本书中的我们主要感兴趣的地方.
网络:
网络必须由操作系统来管理, 因为大部分网络操作不是特定于某一个进程: 进入系统的报文是异步事件. 报文在某一个进程接手之前必须被收集, 识别, 分发. 系统负责在程序和网络接口之间递送数据报文, 它必须根据程序的网络活动来控制程序的执行. 另外, 所有的路由和地址解析问题都在内核中实现.
3、可加载模块:
Linux 的众多优良特性之一就是可以在运行时扩展由内核提供的特性的能力. 这意味着你可以在系统正在运行着的时候增加内核的功能( 也可以去除 ).
每块可以在运行时添加到内核的代码, 被称为一个模块。可分类成字符模块, 块模块, 或者一个网络模块。
3 类驱动如下:
字符设备、块设备、网络接口。
4、建立和运行模块:
"hello world"模块:

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

这个模块定义了两个函数, 一个在模块加载到内核时被调用( hello_init )以及一个在模块被去除时被调用( hello_exit ). moudle_init 和 module_exit 这两行使用了特别的内核宏来指出这两个函数的角色. 另一个特别的宏 (MODULE_LICENSE) 是用来告知内核, 该模块带有一个自由的许可证;
内核模块相比于应用程序:
不同于大部分的小的和中型的应用程序从头至尾处理一个单个任务, 每个内核模块只注册自己以便来服务将来的请求, 并且它的初始化函数立刻终止. 换句话说, 模块初始化函数的任务是为以后调用模块的函数做准备; 好像是模块说, " 我在这里, 这是我能做的."模块的退出函数( 例子里是 hello_exit )就在模块被卸载时调用. 它好像告诉内核, “我不再在那里了, 不要要求我做任何事了.“这种编程的方法类似于事件驱动的编程。
用户空间和内核空间:
一个模块在内核空间运行, 而应用程序在用户空间运行. 这个概念是操作系统理论的基础.
我们常常提到运行模式作为内核空间和用户空间. 这些术语不仅包含存在于这两个模式中不同特权级别, 还包含有这样的事实, 即每个模式有它自己的内存映射 – 它自己的地址空间.
Unix 从用户空间转换执行到内核空间, 无论何时一个应用程序发出一个系统调用或者被硬件中断挂起时. 执行系统调用的内核代码在进程的上下文中工作 – 它代表调用进程并且可以存取该进程的地址空间. 换句话说, 处理中断的代码对进程来说是异步的, 不和任何特别的进程有关.
模块的角色是扩展内核的功能; 模块化的代码在内核空间运行. 经常地一个驱动进行之前提到的两种任务: 模块中一些的函数作为系统调用的一部分执行, 一些负责中断处理.
内核的并发:
内核编程中有几个并发的来源: Linux 系统运行多个进程, 在同一时间, 不止一个进程能够试图使用你的驱动。大部分设备能够中断处理器; 中断处理异步运行, 并且可能在你的驱动试图做其他事情的同一时间被调用。几个软件抽象( 例如内核定时器)也异步运行。而且, Linux 可以在对称多处理器系统( SMP )上运行, 结果是你的驱动可能在多个 CPU 上并发执行。最后, 在 2.6, 内核代码已经是可抢占的了; 这个变化使得即便是单处理器会有许多与多处理器系统同样的并发问题。
结果, Linux 内核代码, 包括驱动代码, 必须是可重入的 – 它必须能够同时在多个上下文中运行。数据结构必须小心设计以保持多个执行线程分开, 并且代码必须小心存取共享数据, 避免数据的破坏。
当前进程:
尽管内核模块不象应用程序一样顺序执行, 内核做的大部分动作是代表一个特定进程的.内核代码可以引用当前进程, 通过存取全局项 current, 它在 <asm/current.h> 中定义,它产生一个指针指向结构 task_struct, 在 <linux/sched.h> 定义.
基础性的问题:
应用程序存在于虚拟内存中, 有一个非常大的堆栈区. 堆栈, 当然, 是用来保存函数调用历史以及所有的由当前活跃的函数创建的自动变量. 内核, 相反, 有一个非常小的堆栈;它可能小到一个, 4096 字节的页. 你的函数必须与这个内核空间调用链共享这个堆栈. 因此, 声明一个巨大的自动变量从来就不是一个好主意; 如果你需要大的结构, 你应当在调用时间内动态分配.
常常, 当你查看内核 API 时, 你会遇到以双下划线(__)开始的函数名. 这样标志的函数名通常是一个低层的接口组件, 应当小心使用. 本质上讲, 双下划线告诉程序员:” 如果你调用这个函数, 确信你知道你在做什么.”
内核代码不能做浮点算术. 使能浮点将要求内核在每次进出内核空间的时候保存和恢复浮点处理器的状态 – 至少, 在某些体系上. 在这种情况下, 内核代码真的没有必要包含浮点, 额外的负担不值得.

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