Linux的设备管理

1第六章Linux的设备管理Linux的设备管理的主要任务是控制设备完成输入输出操作，所以又称输入输出（I/O）子系统。它的任务是把各种设备硬件的复杂物理特性的细节屏蔽起来，提供一个对各种不同设备使用统一方式进行操作的接口。Linux把设备看作是特殊的文件，系统通过处理文件的接口—虚拟文件系统VFS来管理和控制各种设备。§6.1设备管理概述一．Linux设备的分类设备被分为三类，块设备、字符设备和网络设备。字符设备是以字符为单位输入输出数据的设备，一般不需要使用缓冲区而直接对它进行读写。块设备是以一定大小的数据块为单位输入输出数据的，一般要使用缓冲区在设备与内存之间传送数据。网络设备是通过通信网络传输数据的设备，一般指与通信网络连接的网络适配器（网卡）等。Linux使用套接口(socket)以文件I/O方式提供了对网络数据的访问。二．设备驱动程序系统对设备的控制和操作是由设备驱动程序完成的。设备驱动程序是由设备服务子程序和中断处理程序组成。设备服务子程序包括了对设备进行各种操作的代码，中断处理子程序处理设备中断。设备驱动程序的主要功能是：对设备进行初始化启动或停止设备的运行把设备上的数据传送到内存把数据从内存传送到设备检测设备状态驱动程序是与设备相关的。驱动程序的代码由内核统一管理，驱动程序在具有特权级的内核态下运行。设备驱动程序是输入输出子系统的一部分。驱动程序是为某个进程服务的，其执行过程仍处在进程运行的过程中，即处于进程上下文中。若驱动程序需要等待设备的某种状态，它将阻塞当前进程，把进程加入到该种设备的等待队列中。。Linux的驱动程序分为两个基本类型：字符设备驱动程序和块设备驱动程序。三．设备的识别对设备的识别使用设备类型、主设备号、次设备号设备类型：字符设备还是块设备。2按照设备使用的驱动程序不同而赋予设备不同的主设备号。主设备号是与驱动程序一一对应的，同时还使用次设备号来区分一种设备中的各个具体设备。次设备号用来区分使用同一个驱动程序的个体设备。例如，系统中的块设备IDE硬盘的主设备号是3，而多个IDE硬盘及其各个分区分别赋予次设备号1、2、3…。四．设备文件Linux设备管理的基本特点是把物理设备看成文件，采用处理文件的接口和系统调用来管理控制设备。从抽象的观点出发，Linux的设备又称为设备文件。设备文件也有文件名，设备文件名一般由两部分组成第一部分2～3个字符，表示设备的种类，如串口设备是cu，并口设备是lp，IDE普通硬盘是hd，SCIS硬盘是sd，软盘是fp等。第二部分通常是字母或数字，用于区分同种设备中的单个设备，如hda、hdb、hdc…分别表示第一块、第二块、第三块IED硬盘。而hda1、hda2…表示第一块硬盘中的第一、第二个磁盘分区。设备文件一般置于/dev目录下，如/dev/hda2、/dev/lp0等。Linux使用虚拟文件系统VFS做为统一的操作接口来处理文件和设备。与普通的目录和文件一样，每个设备也使用一个VFSinode来描述，其中包含着该种设备的主、次设备号。对设备的操作也是通过对文件操作的file_operations结构体来调用驱动程序的设备服务子程序。例如，当进程要求从某个设备上输入数据时，由该设备的file_operations结构体得到服务子程序的操作函数入口，然后调用其中的read()函数完成数据输入操作。同样，使用file_operations中的open()、close()、write()3分别完成对设备的启动、停止设备运行，向设备输出数据的操作。§6.2Linux的I/O控制Linux的I/O控制方式有三种：查询等待方式、中断方式和DMA(内存直接存取)方式.一．查询等待方式查询等待方式又称轮询方式（pollingmode）。对于不支持中断方式的机器只能采用这种方式来控制I/O过程，所以Linux中也配备了查询等待方式。例如，并行接口的驱动程序中默认的控制方式就是查询等待方式。如函数lp_char_polled()就是以查询等待方式向与并口连接的设备输出一个字符。staticinlineintlp_char_polled(charlpchar,intminor){intstatus,wait=0;unsignedlongcount=0;structlp_stats*stats;do{/*查询等待循环*/status=LP_S(minor);count++;if(need_resched)schedule();}while(!LP_READY(minor,status)&&countLP_CHAR(minor));if(count==LP_CHAR(minor)){/*超时退出*/return0;}outb_p(lpchar,LP_B(minor));/*向设备输出字符*/．．二．中断方式在硬件支持中断的情况下，驱动程序可以使用中断方式控制I/O过程。对I/O过程控制使用的中断是硬件中断，当某个设备需要服务时就向CPU发出一个中断脉冲信号，CPU接收到信号后根据中断请求号IRQ启动中断服务例程。在中断方式中，Linux设备管理的一个重要任务就是在CPU接收到中断请求后，能够执行该设备驱动程序的中断服务例程。4为此，Linux设置了名字为irq_action的中断例程描述符表：staticstructirqaction*irq_action[NR_IRQS+1];NR_IRQS表示中断源的数目。irq_action［］是一个指向irqaction结构的指针数组，它指向的irqaction结构是各个设备中断服务例程的描述符。structirqaction{void(*handler)(int,void*,structpt_regs*);/*指向中断服务例程*/unsignedlongflags;/*中断标志*/unsignedlongmask;/*中断掩码*/void*dev_id;/*structirqaction*next;/*指向下一个描述符*/};在驱动程序初始化时，调用函数request_irq（）建立该驱动程序的irqaction结构体，并把它登记到irq_action[]数组中。request_irq（）函数的原型如下：intrequest_irq(unsignedintirq,void(*handler)(int,void*,structpt_regs*),unsignedlongirqflags,constchar*devname,void*dev_id);参数irq是设备中断求号，在向irq_action[]数组登记时，它做为数组的下标。把中断号为irq的irqaction结构体的首地址写入irq_action[irq]。这样就把设备的中断请求号与该设备的服务例程联系在一起了。当CPU接收到中断请求后，根据中断号就可以通过irq_action[]找到该设备的中断服务例程。5§6.3字符设备与块设备管理在Linux中，一个设备在使用之前必须向系统进行注册，设备注册是在设备初始化时完成的。一．字符设备管理在系统内核保持着一张字符设备注册表，每种字符设备占用一个表项。字符设备注册表是结构数组chrdevs[]：#defineMAX_CHRDEV128staticstructdevice_structchrdevs[MAX_CHRDEV];注册表的表项是device_struct结构：structdevice_struct{constchar*name;/*指向设备名字符串*/structfile_operations*fops;/*指向文件操作函数的指针*/};在字符设备注册表中，每个表项对应一种字符设备的驱动程序。所以字符设备注册表实质上是驱动程序的注册表。使用同一个驱动程序的每种设备有一个唯一的主设备号。所以注册表的每个表项与一个主设备号对应。在Linux中正是使用主设备号来对注册表数组进行索引，即chrdevs[]数组的下标值就是主设备号。device_struct结构中有指向file_operations结构的指针f_ops。file_operations结构中的函数指针指向设备驱动程序的服务例程。在打开一个设备文件时，由主设备号就可以找到设备驱动程序。二．块设备管理块设备在使用前也要向系统注册。6块设备注册在系统的块设备注册表中,块设备注册表是结构数组blkdevs[]它的元素也是device_struct结构staticstructdevice_structblkdevs[MAX_BLKDEV]在块设备注册表中，每个表项对应一种块设备，注册表blkdevs[]数组的的下标是主设备号。块设备是以块为单位传送数据的，设备与内存之间的数据传送必须经过缓冲。当对设备读写时，首先把数据置于缓冲区内，应用程序需要的数据由系统在缓冲区内读写。只有在缓冲区内已没有要读的数据，或缓冲区已满而无写入的空间时，才启动设备控制器进行设备与缓冲区之间的数据交换。设备与缓冲区的数据交换是通过blk_dev[]数组实现的：structblk_dev_structblk_dev[MAX_BLKDEV];每个块设备对应数组中的一项，数组的下标值与主设备号对应。数组元素是blk_dev_struct结构：structblk_dev_struct{void(*request_fn)(void);structrequest*current_request;structrequestplug;structtq_structplug_tq;};request_fn：指向设备读写请求函数的指针current_request：指向request结构的指针。当缓冲区需要与设备进行数据交换时，缓冲机制就在blk_dev_struct中加入一个request结构。7每个request结构对应一个缓冲区对设备的读写请求。在request结构中有一个指向缓冲区信息的指针，由它决定缓冲区的位置和大小等。