第10章设备管理

第10章设备管理Linux和其他操作系统一样，支持众多的、各式各样的外接设备。但是，面对层出不穷的新硬件产品，必须有人不断编写新的驱动程序，以便让这些设备能够在Linux下正常工作，从这个意义上讲，讲述驱动程序的编写就是一件非常有意义的工作。本章也涉及到Linux下设备管理的原则和方法。举例来说，Linux下的驱动程序仅仅是为相应的设备编写几个基本函数，并向VFS注册就可以安装成功了。当应用程序需要设备时，可以访问该设备对应的文件节点，利用VFS调用该设备的相关处理函数。本章主要介绍了设备管理方面的有关知识：◆系统管理设备的方式。◆驱动程序运作过程。◆驱动程序的具体实例。10.1设备管理结构10.1.1概述设备管理即输入输出子系统，可分为上下两部分：一部分是上层的，与设备无关的，这部分根据输入输出请求，通过特定的设备驱动程序接口，来与设备进行通信。另一部分是下层的，与设备有关的，常称为设备驱动程序，它直接与相应设备打交道，并且向上层提供一组访问接口。设备管理的目标是对所有的外接设备进行良好的读、写、控制等操作。首先要解决的问题就是怎样将任意的一个设备的所有操作进行归纳，设计出统一的接口。内核常常使用设备类型、主设备号和次设备号来标识一个具体的设备。但用户希望能用同样的应用程序和命令来访问设备和普通文件。为此，Linux中的设备管理应用了设备文件这个概念来统一设备的访问接口。简单的说，系统试图使它对所有各类设备的输入、输出看起来就好像对普通文件的输入、输出一样。如图10-1所示，应用程序通过Linux的系统调用与内核通信。由于Linux中将设备当作文件来处理，所以对设备进行操作的系统调用和对文件操作的类似，主要包括open()、read()、write()、ioctl()、close()等。应用程序发出系统调用指令以后，会从用户态转换到内核态，通过内核将open()这样的系统调用转换成对物理设备的操作。10.1.2字符设备与块设备字符设备以字节为单位进行数据处理。字符设备通常只允许按顺序访问，一般不使用缓存技术。如鼠标，声卡等。块设备以块为单位进行处理，块的大小通常为0.5KB到32KB等。大多数块设备允许随机访问，而且常常采用缓存技术。块设备有硬盘、光盘驱动器等。可以查看文件/proc/devices获得。我们这里主要讨论字符设备，有兴趣的读者可参考其它书籍中有关块设备的内容。10.1.3主设备号和次设备号设备管理中，除了设备类型（字符设备或块设备）以外，内核还需要一对称做主、次设备号的参数，才能唯一表示设备。主设备号（majornumber）相同的设备使用相同的驱动程序，而次设备号(minornumber)用来区分具体设备的实例。例如，第一IDE接口上的所有磁盘及其分区共用同一主设备号3，而次设备号则为0，1，2，3…。10.1.4Linux设备命名习惯:Linux习惯上将设备文件放在目录/dev或其子目录之下。设备文件命名（通常由两部分组成）规则为：第一部分通常较短，可能只有2或3个字母组成，用来表示设备大类。例如，普通硬盘如IDE接口的为“hd”,软盘为“fd”。第二部分通常为数字或字母用来区别设备实例。例如，/dev/hda、/dev/hdb、/dev/hdc表示第一、二、三块硬盘；而dev/hda1、/dev/hda2、/dev/hda3则表示第一硬盘的第一、二、三分区。10.2驱动程序10.2.1驱动程序基本功能在Linux操作系统中驱动程序是操作系统内核与硬件设备之间的桥梁，它屏蔽了硬件的细节(如总线协议、DMA操作等)，在应用程序看来硬件设备只是一个特殊的文件。驱动程序的基本功能为：1.对设备初始化和释放。如对音频设备而言包括向内核注册设备，设置音频的输入输出参数(如采样频率、采样宽度等)、分配音频设备使用的内核内存等工作。2.对设备进行管理。包括实时参数设置以及提供对设备的操作接口。3.读取应用程序传送给设备文件的数据并回送应用程序请求的数据。这需要在用户空间、内核空间、总线及外设之间传输数据。4.检测和处理设备出现的错误。10.2.2驱动程序的运作过程为了便于读者理解，在此结合大家比较熟悉的键盘来了解其运作过程。如图10-2所示.当一个程序读/dev/tty文件(此为键盘)时，就会执行系统调用sys_read()（在fs/read_write.c中），该系统调用在判别出所读文件是一个字符设备文件时，即会调用rw_char()函数（在fs/char_dev.c中），该函数则会根据所读设备的设备类型，主、次设备号等参数，由字符设备读写函数表（设备开关表）调用rw_tty()，最终调用到这里的终端读操作函数tty_read()当用户在键盘上键入了一个字符时，会引起键盘中断响应，此时键盘中断处理程序就会从键盘控制器读入对应的键盘扫描码，然后根据使用的键盘扫描码映射表译成相应字符，放入tty读队列read_q中。然后调用中断处理程序的do_tty_interrupt()函数，它又直接调用行规则函数copy_to_cooked()对该字符进行过滤处理，并放入tty辅助队列secondary中，供上述tty_read()读取。同时把该字符放入tty写队列write_q中，并调用写控制台函数con_write()。此时如果该终端的回显(echo)属性是设置的，则该字符会显示到屏幕上（注：do_tty_interrupt()和copy_to_cooked()函数在tty_io.c中实现）。10.2.2常用接口介绍open():打开设备，并初始化设备准备进行操作。可以为NULL，这样每次打开设备总会成功，而且不通知设备驱动程序。read():从设备中读数据，需要提供字符串指针。write():向字符设备写数据，需要提供所写内容指针。ioctl():控制设备，例如控制光盘的弹出等。需要提供符合设备预先定义的命令字。llseek():重新定位读、写位置，需要提供偏移量参数。flush():清除内容。release():关闭设备，并释放资源等。mmap():将设备内存映射到进程地址空间。通常只有块设备驱动程序使用。10.2.3常用函数原型1.设备操作函数原形structfile_operations{structmodule*owner;loff_t(*llseek)(structfile*,loff_t,int);ssize_t(*read)(structfile*,char*,size_t,loff_t*);ssize_t(*write)(structfile*,constchar*,size_t,loff_t*);int(*readdir)(structfile*,void*,filldir_t);unsignedint(*poll)(structfile*,structpoll_table_struct*);int(*ioctl)(structinode*,structfile*,unsignedint,unsignedlong);int(mmap)(structfile*,structvm_area_struct*);int(*open)(structinode*,structfile*);int(*flush)(structfile*);int(*release)(structinode*,structfile*);int(*fsync)(structfile,structdentry*,intdatasync);int(*fasync)(int,structfile*,int);int(*lock)(structfile*,intstructfile_lock*);ssize_t(*readv)(structfile*,conststructiovec*,unsignedlong,loff_t*);ssize_t(*writev)(structfile*,conststructiovec*,unsignedlong,loff_t*);}2．向系统注册的函数原形intregister_chrdev(unsignedintmajor,constchar*name,structfile_operations*fops){if(major==0){write_lock(&chrdevs_lock);for(major=MAX_CHRDEV-1;major0;major--){if(chrdevs[major].fops==NULL){chrdevs[major].name=name;chrdevs[major].fops=fops;write_unlock(&chrdevs_lock);returnmajor;}}write_unlock(&chrdevs_lock);return-EBUSY;}if(majorMAX_CHRDEV)return-EINVAL;write_lock(&chrdevs_lock);if(chrdevs[major].fops&&chrdevs[major].fops!=fops){write_unlock(&chrdevs_lock);return-EBUSY;}chrdevs[major].name=name;chrdevs[major].fops=fops;write_unlock(&chrdevs_lock);return0;}10.3驱动程序编写实例为了更清楚地讲述Linux中设备驱动程序的编写，加深读者对启动程序的了解。下面介绍一个简单的设备驱动的实现过程。由于基于特殊的硬件设备实现的驱动程序难度较大，而且不方便验证，下面举一个虚拟设备驱动程序的例子。10.3.1设备功能介绍实现虚拟设备的写入、读出等操作。这个驱动程序并不是基于特定硬件设备的，实际上仅仅是对内存进行读、写操作。当执行写入操作时，将会对特定的存储空间进行写入；当执行读出操作时，将会对该存储空间进行数据的读取；同时还可以利用ioctl进行清除该存储空间的操作。这个mydrv设备的实现文件是mydrv.c，其中的文件接口flle_operations{}提供了mydrv_open、mydrv_release、mydrv_read、mydrv_write、mydrv_ioctl等函数。1.函数mydrv_read()的功能是从mybuf[100]中读取字符串，并传递给调用的进程。2.函数mydrv_write()的功能是将调用的进程传入的字符串赋值给mybuf，如果字符串的长度超过100，则只取前100个字符。3.函数mydrv_ioctl()中仅仅实现了一个控制功能：清除mybuf存储区。10.3.2具体实现首先，要根据设备功能的需要，编写file_operations结构中的操作函数。其次，要向系统注册该设备，包括字符设备的注册，devfs节点的注册与中断响应函数的注册。然后就可以利用对应的文件进行设备操控了。具体如下：1．源程序#includelinux/module.h#includelinux/kernel.h#includelinux/fs.h#includelinux/types.h#includelinux/malloc.h#includeasm/uaccess.h#includeasm/page.h#includelinux/ermo.h#includelinux/config.h#defineMYDRV_CLS_IO('c',0x01)//定义清存储区命令字charmybuf[100];//存储区域intmydrv_major=99;//主设备号devfs_handle_tdev_handle;//保存设备文件系统的注册句柄//第一步：编写file_operations函数ssize_tmydrv_read(structfile*filp,char*buf,size_tcount,loff_t*f_pos);//函数声明staticssize_tmy