11.1 设备驱动概述
11.1.1 设备驱动简介及驱动模块
操作系统是通过各种驱动程序来驾驭硬件设备的,它为用户屏蔽了各种各样的设备,驱动硬件是操作系统最基本的功能,并且提供统一的操作方式。设备驱动程序是内核的一部分,硬件驱动程序是操作系统最基本的组成部分,在Linux内核源程序中也占有60%以上。因此,熟悉驱动的编写是很重要的。
在第2章中已经提到过,Linux内核中采用可加载的模块化设计(LKMs,Loadable Kernel Modules),一般情况下编译的Linux内核是支持可插入式模块的,也就是将最基本的核心代码编译在内核中,其他的代码可以编译到内核中,或者编译为内核的模块文件(在需要时动态加载)。
常见的驱动程序是作为内核模块动态加载的,比如声卡驱动和网卡驱动等,而Linux最基础的驱动,如CPU、PCI总线、TCP/IP协议、APM(高级电源管理)、VFS等驱动程序则直接编译在内核文件中。有时也把内核模块叫做驱动程序,只不过驱动的内容不一定是硬件罢了,比如ext3文件系统的驱动。因此,加载驱动就是加载内核模块。
这里,首先列举一些模块相关的命令。
n lsmod列出当前系统中加载的模块,其中左边第一列是模块名,第二列是该模块大小,第三列则是使用该模块的对象数目。如下所示:
$ lsmod
Module Size Used by
Autofs 12068 0 (autoclean) (unused)
eepro100 18128 1
iptable_nat 19252 0 (autoclean) (unused)
ip_conntrack 18540 1 (autoclean) [iptable_nat]
iptable_mangle 2272 0 (autoclean) (unused)
iptable_filter 2272 0 (autoclean) (unused)
ip_tables 11936 5 [iptable_nat iptable_mangle iptable_filter]
usb-ohci 19328 0 (unused)
usbcore 54528 1 [usb-ohci]
ext3 67728 2
jbd 44480 2 [ext3]
aic7xxx 114704 3
sd_mod 11584 3
scsi_mod 98512 2 [aic7xxx sd_mod]
n rmmod是用于将当前模块卸载。
n insmod和modprobe是用于加载当前模块,但insmod不会自动解决依存关系,即如果要加载的模块引用了当前内核符号表中不存在的符号,则无法加载,也不会去查在其他尚未加载的模块中是否定义了该符号;modprobe可以根据模块间依存关系以及/etc/modules.conf文件中的内容自动加载其他有依赖关系的模块。
11.1.2 设备分类
本书在前面也提到过,Linux的一个重要特点就是将所有的设备都当做文件进行处理,这一类特殊文件就是设备文件,它们可以使用前面提到的文件、I/O相关函数进行操作,这样就大大方便了对设备的处理。它通常在/dev下面存在一个对应的逻辑设备节点,这个节点以文件的形式存在。
Linux系统的设备分为3类:字符设备、块设备和网络设备。
n 字符设备通常指像普通文件或字节流一样,以字节为单位顺序读写的设备, 如并口设备、虚拟控制台等。字符设备可以通过设备文件节点访问,它与普通文件之间的区别在于普通文件可以被随机访问(可以前后移动访问指针),而大多数字符设备只能提供顺序访问,因为对它们的访问不会被系统所缓存。但也有例外,例如帧缓存(framebuffer)是一个可以被随机访问的字符设备。
n 块设备通常指一些需要以块为单位随机读写的设备,如IDE硬盘、SCSI硬盘、光驱等。块设备也是通过文件节点来访问,它不仅可以提供随机访问,而且可以容纳文件系统(例如硬盘、闪存等)。Linux可以使用户态程序像访问字符设备一样每次进行任意字节的操作,只是在内核态内部中的管理方式和内核提供的驱动接口上不同。
通过文件属性可以查看它们是哪种设备文件(字符设备文件或块设备文件)。
$ ls –l /dev
crw-rw---- 1 root uucp 4, 64 08-30 22:58 ttyS0 /*串口设备, c表示字符设备*/
brw-r----- 1 root floppy 2, 0 08-30 22:58 fd0/*软盘设备,b表示块设备*/
n 网络设备通常是指通过网络能够与其他主机进行数据通信的设备,如网卡等。
内核和网络设备驱动程序之间的通信调用一套数据包处理函数,它们完全不同于内核和字符以及块设备驱动程序之间的通信(read()、write()等函数)。Linux网络设备不是面向流的设备,因此不会将网络设备的名字(例如eth0)映射到文件系统中去。
对这3种设备文件编写驱动程序时会有一定的区别,本书在后面会有相关内容的讲解。
11.1.3 设备号
设备号是一个数字,它是设备的标志。就如前面所述,一个设备文件(也就是设备节点)可以通过mknod命令来创建,其中指定了主设备号和次设备号。主设备号表明设备的类型(例如串口设备、SCSI硬盘),与一个确定的驱动程序对应;次设备号通常是用于标明不同的属性,例如不同的使用方法、不同的位置、不同的操作等,它标志着某个具体的物理设备。高字节为主设备号,底字节为次设备号。
例如,在系统中的块设备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…
$ ls –l /dev
crw-rw---- 1 root uucp 4, 64 08-30 22:58 ttyS0 /* 主设备号4,此设备号64 */
11.1.4 驱动层次结构
Linux下的设备驱动程序是内核的一部分,运行在内核模式下,也就是说设备驱动程序为内核提供了一个I/O接口,用户使用这个接口实现对设备的操作。图11.1显示了典型的Linux输入/输出系统中各层次结构和功能。
图11.1 Linux输入/输出系统
层次结构和功能
Linux设备驱动程序包含中断处理程序和设备服务子程序两部分。
设备服务子程序包含了所有与设备操作相关的处理代码。它从面向用户进程的设备文件系统中接受用户命令,并对设备控制器执行操作。这样,设备驱动程序屏蔽了设备的特殊性,使用户可以像对待文件一样操作设备。
设备控制器获得系统服务有两种方式:查询和中断。因为Linux的设备驱动程序是内核的一部分,在设备查询期间系统不能运行其他代码,查询方式的工作效率比较低,所以只有少数设备如软盘驱动程序采取这种方式,大多设备以中断方式向设备驱动程序发出输入/输出请求。
11.1.5 设备驱动程序与外界的接口
每种类型的驱动程序,不管是字符设备还是块设备都为内核提供相同的调用接口,因此内核能以相同的方式处理不同的设备。Linux为每种不同类型的设备驱动程序维护相应的数据结构,以便定义统一的接口并实现驱动程序的可装载性和动态性。Linux设备驱动程序与外界的接口可以分为如下3个部分。
n 驱动程序与操作系统内核的接口:这是通过数据结构file_operations(在本书后面会有详细介绍)来完成的。
n 驱动程序与系统引导的接口:这部分利用驱动程序对设备进行初始化。
n 驱动程序与设备的接口:这部分描述了驱动程序如何与设备进行交互,这与具体设备密切相关。
它们之间的相互关系如图11.2所示。
图11.2 设备驱动程序与外界的接口
11.1.6 设备驱动程序的特点
综上所述,Linux中的设备驱动程序有如下特点。
(1)内核代码:设备驱动程序是内核的一部分,如果驱动程序出错,则可能导致系统崩溃。
(2)内核接口:设备驱动程序必须为内核或者其子系统提供一个标准接口。比如,一个终端驱动程序必须为内核提供一个文件I/O接口;一个SCSI设备驱动程序应该为SCSI子系统提供一个SCSI设备接口,同时SCSI子系统也必须为内核提供文件的I/O接口及缓冲区。
(3)内核机制和服务:设备驱动程序使用一些标准的内核服务,如内存分配等。
(4)可装载:大多数的Linux操作系统设备驱动程序都可以在需要时装载进内核,在不需要时从内核中卸载。
(5)可设置:Linux操作系统设备驱动程序可以集成为内核的一部分,并可以根据需要把其中的某一部分集成到内核中,这只需要在系统编译时进行相应的设置即可。
(6)动态性:在系统启动且各个设备驱动程序初始化后,驱动程序将维护其控制的设备。如果该设备驱动程序控制的设备不存在也不影响系统的运行,那么此时的设备驱动程序只是多占用了一点系统内存罢了。