第一章(linux设备驱动程序)

第1章Linux内核简介世界各地都有人在钻研Linux内核，大多是在写设备驱动程序。尽管每个驱动程序都不一样，而且你还要知道自己设备的特殊性，但是这些设备驱动程序的许多原则和基本技术技巧都是一样的。通过本书，可以学会写自己的设备驱动程序，并且可以钻研内核的相关部分。本书涉及到的是设备无关编程技巧，不会将例子跟特殊设备绑定在一起。本章没有实际编写代码。但我要介绍一些关于Linux内核的背景概念，这样到我们稍后开始介绍实际编程时，就很顺利了。当你学习编写驱动程序的时候，你也会发现很多关于Linux内核的知识，这对理解你机器怎么工作很有帮助，并且还可以知道为什么你的机器没有希望的那么快，或者为什么不按照你象要它做的那样做。我们会逐渐介绍一些新概念，先从简单的驱动程序开始，每介绍一些新概念都会看到相关例子代码，这些代码都不需要特殊硬件。驱动程序作者的作用作为一个程序员，你可以选择自己的驱动程序，在编程所需时间和结果的灵活性之间做个可以接受的权衡。尽管说驱动程序的灵活性看起来有那么点怪，我喜欢这个词是因为它强调了设备驱动程序提供的是机制，而不是策略。机制和策略之间的差别是Unix设计背后最好的点子之一。实际编程中遇到的大多数问题都可以被划分成两个部分：“需要作什么”（机制）和“这个程序怎么用”（策略）。如果这两个主题是由程序不同部分来承担的，或者是由不同的程序组合一起承担的，那么这个软件包就很容易开发，也很适合特殊需求。举个例子，Unix的图形显示管理在X服务器和窗口管理器之间划了一道线，X服务器了解硬件并给用户程序提供唯一的接口，而窗口管理器实现特殊的策略并不需要知道硬件的任何信息。人们可以在不同硬件上使用同样的窗口管理器，并且不同用户在同一台工作站上可以使用不同的设置。另一个例子是TCP/IP的网络分层结构：操作系统提供抽象的套接字操作，是设备无关的，不同服务器主管这个服务。另外，ftpd服务器提供文件传输机制，而用户可以使用任何客户端程序；命令行的客户端和图形化界面的客户端都存在，并且谁都可以为传输文件写一个新的用户界面。只要涉及到驱动程序，就会运用这样的功能划分。软盘驱动程序是设备无关的——这不仅表现在磁盘是一个连续读写的字节数组上。如何使用设备是应用程序要做的事：tar要连续地写数据，而mkfs则为要安装的设备做准备工作，mcopy依赖于设备上存在的特殊数据结构。在写驱动程序时，程序员应该特别留心这样的基本问题：我们要写内核代码访问硬件，但由于不同用户有不同需要，我们不能强迫用户采用什么样的特定策略。设备驱动程序应该仅仅处理硬件，将如何使用硬件的问题留给应用程序。如果在提供获得硬件能力的同时没有增加限制，我们就说驱动程序是灵活的。不过，有时必须要作一些策略决策。可以从不同侧面来看你的驱动程序：它是位于应用层和实际设备之间的软件。驱动程序的程序员可以选择这个设备应该怎样实现：不同的驱动程序可以提供不同的能力，甚至相同的设备也可以提供不同能力。实际驱动程序设计应该是在众多需求之间的一个平衡。例如，不同程序可以同时使用同一个设备，而驱动程序的开发者可以完全自由地决定如何处理同步机制。你可以实现到设备上的内存映射，而完成独立于硬件的具体能力，或者你可以提供给用户函数库，帮助应用程序的程序员在可用原语的基础上实现新策略，或者诸如此类的方法。一个很重要需要考虑的问题就是，如何在提供给用户尽可能多的选项，平衡你需要编写所花费的时间，以及为使错误尽可能少而保持代码简单之间的平衡。如果即为同步又为异步操作设计驱动程序，如果允许同时打开多次，并且如果能够发掘所有硬件功能，而不用增加软件层“去简化事情”——例如将二进制数据转换成文本或者策略相关的操作——那就很容易编写而且很好维护了。达成“策略无关”实际上是软件设计的共同目标。实际上，大多数设备驱动程序是和用户程序一起发布的，这些程序可以帮助完成对目标设备的配置和访问。这些程序可以是从简单的配置程序到完整的图形应用。通常还要提供一个客户端库文件。本书讨论范围是内核，所以我们不考虑策略问题，也不考虑应用程序或支持库。有时，我们会讨论不同策略，以及如何支持这些策略，但我们不会深入到使用一定策略或设备编程需要的细节问题。不过你应该可以理解，用户程序是一个软件包的内核，就算策略无关的软件包也会和配置文件一起发布，这些文件提供了基本机制上的缺省行为。划分内核在Unix系统中，若干并发进程会参加不同的任务。每个进程都要求获得系统资源，可以是计算、内存、网络连接或别的资源。内核是一整块可执行代码，用它来负责处理所有这样的请求。尽管在不同的内核任务之间的区别不是总能清楚地标识出来，内核的作用还是可以被划分的。如图1-1所示，划分为如下这些部分：进程管理内核负责创建和终止进程，并且处理它们和外部世界的联系（输入和输出）。对整个系统功能来讲，不同进程之间的通信（通过信号，管道，进程间通信原语）是基本的，这也是由内核来处理的。另外，调度器，可能是整个操作系统中最关键的例程，是进程管理中的一部分。更广广义的说，内核的进程管理活动实现了在一个CPU上多个进程的抽象概念。内存管理计算机内存是主要资源，而使用内存的策略是影响整个系统性能的关键。内核为每个进程在有限可利用的资源上建立了虚拟地址空间。内核不同部分通过一组函数与内存管理子系统交互，这些包括从简单的malloc/free到更稀奇古怪的功能。（图1-1）文件系统Unix系统是建立在文件系统这个概念上的；Unix里几乎所有东西都可以看作文件。内核在非结构的硬件上建立了结构化的文件系统，这个抽象的文件被系统广泛应用。另外，Linux支持多文件系统类型，即，物理介质上对数据的不同组织方法。设备控制几乎每种系统操作最后都要映射到物理设备上。除了处理器，内存和少数其他实体外，几乎所有设备的控制操作都由设备相关的代码来实现。这些代码就是设备驱动程序。内核必须为每个外部设备嵌入设备驱动程序，从硬盘驱动器到键盘和磁带。内核的这方面功能就是本书的着眼点。网络网络必须由操作系统来管理，由于大多数网络操作不是针对于进程的：接收数据包是异步事件。数据包必须在进程处理它们以前就被收集，确认和分发。系统通过程序和网络接口发送数据包，并且应该可以正确地让程序睡眠，并唤醒等待网络数据的进程。另外，所有路由和地址解析问题是在内核里实现的。在本书结尾部分的第16章“内核源码的物理布局”里，您可以看到Linux内核的路标，但现在这里的话应该足够了。Linux的一个很好的特征就是，它可以在运行的时候扩展内核代码，也就是说在系统运行的时候你可以增加系统的功能。每个可以增加到内核中的代码称为一个模块。Linux内核支持相当多的模块的类型（或“类”），但不仅仅只局限于设备驱动程序。每个模块由目标代码组成（没有连接成完整的可执行文件），通过insmod程序它们可以动态连接到运行着的内核中，而通过rmmod程序就可以去除这些模块。在图1-1中，你可以标别出处理不同任务的不同模块类别——根据模块提供的功能，每个模块属于一个特定的类。设备类和模块在3类设备中，Unix看待设备的方式有所区别，每种方式是为了不同的任务。Linux可以以模块的形式加载每种设备类型，因此允许用户在最新版本的内核上实验新硬件，跟随内核的开发过程。一考虑到模块，每个模块通常只实现一个驱动程序，因此是可以分类的。例如，字符设备模块，或块设备模块。将模块分成不同的类型或类并不是固定不变的；程序员可以选择在单独一整块代码中创建一个模块实现不同的驱动程序。不过好的程序员会为他们实现的每一个新功能创建不同模块。现在回到驱动程序，有如下三种类型：字符设备可以象文件一样访问字符设备，字符设备驱动程序负责实现这些行为。这样的驱动程序通常会实现open，close，read和write系统调用。系统控制台和并口就是字符设备的例子，它们可以很好地用流概念描述。通过文件系统节点可以访问字符设备，例如/dev/tty1和/dev/lp1。在字符设备和普通文件系统间的唯一区别是：普通文件允许在其上来回读写，而大多数字符设备仅仅是数据通道，只能顺序读写。当然，也存在这样的字符设备，看起来象个数据区，可以来回读取其中的数据。块设备块设备是文件系统的宿主，如磁盘。在大多数Unix系统中，只能将块设备看作多个块进行访问为，一个块设备通常是1K字节数据。Linux允许你象字符设备那样读取块设备——允许一次传输任意数目的字节。结果是，块设备和字符设备只在内核内部的管理上有所区别，因此也就是在内核/驱动程序间的软件接口上有所区别。就象字符设备一样，每个块设备也通过文件系统节点来读写数据，它们之间的不同对用户来说是透明的。块设备驱动程序和内核的接口和字符设备驱动程序的接口是一样的，它也通过一个传统的面向块的接口与内核通信，但这个接口对用户来说时不可见的。网络接口任何网络事务处理都是通过接口实现的，即，可以和其他宿主交换数据的设备。通常，接口是一个硬件设备，但也可以象loopback（回路）接口一样是软件工具。网络接口是由内核网络子系统驱动的，它负责发送和接收数据包，而且无需了解每次事务是如何映射到实际被发送的数据包。尽管“telnet”和“ftp”连接都是面向流的，它们使用同样的设备进行传输；但设备并没有看到任何流，仅看到数据报。由于不是面向流的设备，所以网络接口不能象/dev/tty1那样简单地映射到文件系统的节点上。Unix调用这些接口的方式是给它们分配一个独立的名字（如eth0）。这样的名字在文件系统中并没有对应项。内核和网络设备驱动程序之间的通信与字符设备驱动程序和块设备驱动程序与内核间的通信是完全不一样的。内核不再调用read，write，它调用与数据包传送相关的函数。事实上，Linux中还有一类“设备驱动程序模块”：SCSI*设备驱动程序。尽管每个连接到SCSI总线上的外设在/dev目录中不是字符设备就是块设备，但软件的内部组织并不完全同。正如网络接口给网络子系统提供硬件相关的功能一样，SCSI控制器提供给SCSI子系统如何访问实际接口电缆。SCSI是计算机和外设之间的通信协议，每种SCSI设备都响应相同的协议，与计算机插的是哪种控制板没有关系。因此，Linux内核嵌入一个所谓SCSI“实现”（即，文件操作到SCSI通信协议的映射）。驱动程序编写人员必须在SCSI抽象层和物理电缆之间实现这种映射。这种映射依赖于SCSI控制器，却与SCSI电缆上连接的设备无关。除了设备驱动程序，还有一些别的模块化加载到核心中的驱动程序，可以是软件，也可以时硬件。并非实现驱动程序的模块中最重要的一类是文件系统。文件系统类型是与为了表示目录和文件等实体的信息的组织方式相关的。因此这种实体不是“设备驱动程序”，其中并没有确定某种设备与信息组织的方式有关；由于文件系统将原始数据组织为高层信息，它实际上是软件驱动程序。如果你考虑到Unix系统对底层文件系统的依赖程度，你就可以意识到软件概念对系统操作的重要性。文件系统信息解码的能力位于内核分层的最底层，而且是最重要的；甚至如果给自己的CD-ROM写一个新的块设备驱动程序时，要是不能对其上数据上运行ls或cp，那个驱动程序就根本没有什么用处。Linux支持文件系统模块，它的软件接口声明了可以操作在文件系统节点，目录，文件和超级块上的操作。因此，接口与实际数据传出传入磁盘是完全独立的，这是由块设备驱动程序完成的。对程序员来讲，由于正式内核中已经包含大部分重要文件系统类型的代码，编写一个文件系统模块是很不寻常的要求。安全问题最近讨论安全问题很是时髦，而大多数程序员都考虑过系统的安全问题，所以，为防止产生误解，一开始我就要谈论这个问题。安全性有两方面。一个问题是由于用户对程序的误操作或发掘出错误造成的；另一个问题是由程序员实现的（错误）功能造成的。显然，程序员比普通用户拥有更多的权利。换句话说*SCSI时SmallComputerSystemInterface（小型计算机系统接口）的缩写；它时工作站市场上形成的标准，也广泛应用在PC领域。就是，以ro