設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

1、驅(qū)動(dòng)程序,xlanchen@2006.6.22,xlanchen@2006.6.22,Embedded Operating Systems,2,設(shè)備文件,Unix類操作系統(tǒng)都是基于文件概念的文件是以字符序列而構(gòu)成的信息載體，因此一個(gè)I/O設(shè)備也可以當(dāng)作文件來(lái)處理與普通文件交互的系統(tǒng)調(diào)用也可以直接用于I/O設(shè)備例如對(duì)/dev/lp0設(shè)備文件的write()可以將數(shù)據(jù)發(fā)往打印機(jī),xlanchen@2006.6.22,Embedded

2、Operating Systems,3,設(shè)備文件的分類,根據(jù)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的基本特性，設(shè)備文件可以分為：字符設(shè)備塊設(shè)備塊設(shè)備數(shù)據(jù)可以被隨機(jī)訪問(wèn)在用戶看來(lái)，訪問(wèn)任何位置的數(shù)據(jù)時(shí)間大致相同典型例子：硬盤(pán)、軟盤(pán)、CD-ROM、DVD播放器等,xlanchen@2006.6.22,Embedded Operating Systems,4,,字符設(shè)備要么不可以隨機(jī)訪問(wèn)，例如聲卡如果可以被隨機(jī)訪問(wèn)（往往通過(guò)順序訪問(wèn)方式實(shí)現(xiàn)），但隨著數(shù)

3、據(jù)的位置的不同，其訪問(wèn)時(shí)間會(huì)相差很大，例如磁帶網(wǎng)絡(luò)由于網(wǎng)卡不與文件相關(guān)聯(lián)，使用專門的處理方式,xlanchen@2006.6.22,Embedded Operating Systems,5,老式的設(shè)備文件,在Linux2.4中存在兩種設(shè)備文件老式的設(shè)備文件Devfs設(shè)備文件老式的設(shè)備文件這是存放在文件系統(tǒng)中的實(shí)際文件索引節(jié)點(diǎn)不對(duì)磁盤(pán)上的數(shù)據(jù)塊編址，而是包含硬件設(shè)備的一個(gè)標(biāo)識(shí)每個(gè)文件設(shè)備包括：名字、類型（字符/塊）設(shè)備

4、號(hào)（主設(shè)備號(hào)：次設(shè)備號(hào)）,xlanchen@2006.6.22,Embedded Operating Systems,6,,mknod()系統(tǒng)調(diào)用用來(lái)創(chuàng)建老式的設(shè)備文件,設(shè)備文件名,,操作權(quán)限和設(shè)備類型其中設(shè)備類型指定：S_IFCHR或S_IFBLK,,設(shè)備號(hào)16位，主設(shè)備號(hào):次設(shè)備號(hào),,xlanchen@2006.6.22,Embedded Operating Systems,7,,設(shè)備文件通常包含在/dev目錄中一些設(shè)

5、備文件的例子,xlanchen@2006.6.22,Embedded Operating Systems,8,,注意：字符設(shè)備與塊設(shè)備具有獨(dú)立的編號(hào)，例如，塊設(shè)備(3,0)不同于字符設(shè)備(3,0)設(shè)備文件通常可以表示一個(gè)硬件設(shè)備，例如磁盤(pán)/dev/hda或硬件設(shè)備的某一物理或邏輯分區(qū)，例如磁盤(pán)分區(qū)/dev/hda2或一個(gè)虛擬的邏輯設(shè)備（不會(huì)與任何硬件設(shè)備相關(guān)聯(lián)），例如/dev/null代表一個(gè)“黑洞”,xlanchen@20

6、06.6.22,Embedded Operating Systems,9,,對(duì)內(nèi)核而言，一個(gè)設(shè)備文件的名字是無(wú)關(guān)緊要的，關(guān)鍵在于設(shè)備文件的類型及其主次設(shè)備號(hào)例如，建立一個(gè)設(shè)備文件/tmp/disk，其類型為塊設(shè)備，設(shè)備號(hào)為（3，0），那么內(nèi)核認(rèn)為它與/dev/had等價(jià),xlanchen@2006.6.22,Embedded Operating Systems,10,Devfs設(shè)備文件,使用主次設(shè)備號(hào)標(biāo)識(shí)設(shè)備存在局限性在/dev中的

7、大多數(shù)設(shè)備是不存在的8位長(zhǎng)的主次設(shè)備號(hào)不夠用上述原因以及其他的一些因素綜合起來(lái)，促使了devfs設(shè)備文件的產(chǎn)生Devfs虛擬文件系統(tǒng)允許設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)名字而不是主次設(shè)備號(hào)注冊(cè)設(shè)備，例如所有的磁盤(pán)可以放在/dev/disks目錄下/dev/hda?/dev/disks/disc0/dev/hdb?/dev/disks/disc1,xlanchen@2006.6.22,Embedded Operating Systems,11

8、,,使用devfs文件系統(tǒng)的I/O驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)調(diào)用devfs_register()注冊(cè)設(shè)備一個(gè)注冊(cè)了的設(shè)備文件自動(dòng)出現(xiàn)在devfs的虛擬目錄下,xlanchen@2006.6.22,Embedded Operating Systems,12,設(shè)備文件的VFS處理,進(jìn)程訪問(wèn)普通文件時(shí)，通過(guò)文件系統(tǒng)訪問(wèn)磁盤(pán)分區(qū)中的數(shù)據(jù)塊當(dāng)進(jìn)程訪問(wèn)設(shè)備文件時(shí)，卻可以驅(qū)動(dòng)硬件設(shè)備例如，進(jìn)程訪問(wèn)計(jì)算機(jī)上的溫度計(jì)對(duì)應(yīng)的設(shè)備文件獲得溫度HOW？VFS,x

9、lanchen@2006.6.22,Embedded Operating Systems,13,VFS,VFS在設(shè)備文件打開(kāi)時(shí)使用與設(shè)備相關(guān)的函數(shù)調(diào)用替換其缺省的文件操作這些設(shè)備相關(guān)函數(shù)調(diào)用對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行操作,xlanchen@2006.6.22,Embedded Operating Systems,14,設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,這是一個(gè)軟件層，使得硬件設(shè)備能夠響應(yīng)預(yù)定義好的編程接口，就是一組控制設(shè)備的VFS函數(shù)接口open，read，lse

10、ek，ioctl等上述函數(shù)的具體實(shí)現(xiàn)由設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供此外設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序必須首先注冊(cè)并初始化自己并在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的時(shí)候監(jiān)控I/O操作,xlanchen@2006.6.22,Embedded Operating Systems,15,注冊(cè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,注冊(cè)一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序意味著把它與對(duì)應(yīng)的設(shè)備文件連接起來(lái)使得對(duì)設(shè)備文件發(fā)出的系統(tǒng)調(diào)用可以由內(nèi)核轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)?yīng)的函數(shù)訪問(wèn)一個(gè)沒(méi)有注冊(cè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)備文件將會(huì)返回錯(cuò)誤碼-

11、ENODEV,xlanchen@2006.6.22,Embedded Operating Systems,16,,注冊(cè)時(shí)機(jī)如果設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序被靜態(tài)編譯進(jìn)內(nèi)核，則注冊(cè)發(fā)生在內(nèi)核初始化階段如果作為一個(gè)內(nèi)核模塊來(lái)編譯，則在裝入模塊的時(shí)候注冊(cè)（并在卸載模塊時(shí)注銷）,xlanchen@2006.6.22,Embedded Operating Systems,17,設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的初始化,對(duì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行注冊(cè)與初始化是兩件不同的事情注冊(cè)應(yīng)當(dāng)盡早

12、：使得用戶可以使用設(shè)備文件初始化應(yīng)當(dāng)推遲到最后可能的時(shí)候原因：初始化就意味著需要分配系統(tǒng)中的稀缺資源，例如：1，中斷向量（動(dòng)態(tài)分配的情況下）2，用于DMA傳送的緩沖區(qū)的頁(yè)框3，包括DMA通道本身,xlanchen@2006.6.22,Embedded Operating Systems,18,監(jiān)控I/O操作,I/O操作的持續(xù)時(shí)間通常不可預(yù)知，可能與各種因素相關(guān)，例如機(jī)械裝置的狀態(tài)，如對(duì)于磁盤(pán)來(lái)講，磁頭的當(dāng)前位置或?qū)嶋H的隨機(jī)

13、事件，例如數(shù)據(jù)包何時(shí)到達(dá)網(wǎng)卡以及人為因素，例如人對(duì)鍵盤(pán)、鼠標(biāo)的使用，以及發(fā)現(xiàn)打印機(jī)卡紙時(shí)的操作為此設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序必須通過(guò)某種監(jiān)控手段監(jiān)控I/O操作終止或超時(shí),xlanchen@2006.6.22,Embedded Operating Systems,19,,兩種可用的技術(shù)輪詢模式（polling mode）CPU重復(fù)檢查（輪詢）設(shè)備的狀態(tài)寄存器，直到寄存器的值表明I/O操作已經(jīng)完成為止中斷模式（interrupt mode）如

14、果I/O控制器能夠通過(guò)IRQ線發(fā)出I/O操作結(jié)束的信號(hào)，就可以使用中斷模式,xlanchen@2006.6.22,Embedded Operating Systems,20,輪詢模式的簡(jiǎn)單例子,Why ”--count”也可以使用jiffies進(jìn)行超時(shí)判斷若時(shí)間比較長(zhǎng)，比如ms級(jí)，可以在每次輪詢操作之后調(diào)用schedule主動(dòng)放棄CPU，直到下次被調(diào)度再次輪詢,可以用來(lái)粗略的判斷超時(shí),xlanchen@2006.6.22,Embe

15、dded Operating Systems,21,中斷模式的簡(jiǎn)單例子,假定實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的輸入字符設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序當(dāng)在對(duì)應(yīng)的設(shè)備文件上發(fā)出read()系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，一條輸入命令被發(fā)往設(shè)備的控制寄存器在一個(gè)不可預(yù)知的長(zhǎng)時(shí)間后，設(shè)備把一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)放在輸入寄存器驅(qū)動(dòng)程序然后將這個(gè)字節(jié)作為read()系統(tǒng)調(diào)用的結(jié)果返回,xlanchen@2006.6.22,Embedded Operating Systems,22,,這個(gè)驅(qū)動(dòng)程序包含兩個(gè)函

16、數(shù)：實(shí)現(xiàn)文件對(duì)象read方法的foo_read()函數(shù)處理中斷的foo_interrupt()函數(shù),只要用戶讀設(shè)備文件，foo_read()函數(shù)就會(huì)被觸發(fā),,對(duì)I/O設(shè)備發(fā)出讀命令,,等待讀操作的結(jié)束，由中斷處理程序喚醒,,將獲得的數(shù)據(jù)送到用戶空間中,xlanchen@2006.6.22,Embedded Operating Systems,23,,,,從設(shè)備上讀入數(shù)據(jù),,喚醒read的剩余部分,xlanchen@2006.6.2

17、2,Embedded Operating Systems,24,,再看foo_read的輸入?yún)?shù)Struct file*filp，在這個(gè)數(shù)據(jù)的私有數(shù)據(jù)項(xiàng)中，VFS已經(jīng)將其轉(zhuǎn)換成設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的私有的信息foo_dev_t, 被定義為包含如下信息：一個(gè)信號(hào)量，互斥使用intr作為標(biāo)志0：沒(méi)有發(fā)生/處理中斷1：處理了中斷一個(gè)等待隊(duì)列，用來(lái)給foo_read睡眠一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)，長(zhǎng)度為1，用來(lái)存放讀到的數(shù)據(jù),xlanchen@2006

18、.6.22,Embedded Operating Systems,25,,char* buf，用戶提供的存放數(shù)據(jù)的空間Count和ppos都沒(méi)有用到再看看foo_interrupt()中，這是通過(guò)foo一個(gè)全局變量獲得設(shè)備的私有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的，這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與foo_read()中通過(guò)filp中獲得的私有數(shù)據(jù)一致foo_interrupt的輸入?yún)?shù)沒(méi)有得到使用，這是一種很普遍的情況,xlanchen@2006.6.22,Embedded

19、 Operating Systems,26,塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,典型的塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序都有很高的平均訪問(wèn)時(shí)間，例如磁盤(pán)的每次操作都需要幾個(gè)ms，主要是為了定位磁頭，一旦定位后，就可以以穩(wěn)定的高速率傳輸數(shù)據(jù)（幾十MB/秒）定義：相鄰的數(shù)據(jù)指當(dāng)數(shù)據(jù)以相鄰的方式存放在磁表面時(shí)，一次單獨(dú)操作就可以訪問(wèn)它們,xlanchen@2006.6.22,Embedded Operating Systems,27,,內(nèi)核對(duì)塊設(shè)備處理程序的支持具有以下特點(diǎn)：

20、通過(guò)VFS提供統(tǒng)一接口對(duì)磁盤(pán)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的預(yù)讀為數(shù)據(jù)提供磁盤(pán)高速緩存,xlanchen@2006.6.22,Embedded Operating Systems,28,用于塊設(shè)備文件的缺省的文件操作方法,,xlanchen@2006.6.22,Embedded Operating Systems,29,塊設(shè)備請(qǐng)求及其優(yōu)化,雖然塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以一次傳送一個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)塊，但是內(nèi)核并不會(huì)為每個(gè)要訪問(wèn)的數(shù)據(jù)塊都執(zhí)行一次I/O操作內(nèi)核試

21、圖把幾個(gè)塊合并在一起，作為一個(gè)整體來(lái)處理，從而減少磁頭的平均移動(dòng)時(shí)間HOW？,xlanchen@2006.6.22,Embedded Operating Systems,30,,為讀寫(xiě)一個(gè)磁盤(pán)塊的請(qǐng)求生成塊設(shè)備請(qǐng)求但推遲這個(gè)請(qǐng)求執(zhí)行的時(shí)間這是提高塊設(shè)備性能的關(guān)鍵機(jī)制當(dāng)請(qǐng)求發(fā)生時(shí)，內(nèi)核檢查是否能通過(guò)稍微擴(kuò)展前一個(gè)一直處于等待狀態(tài)的請(qǐng)求而滿足新的請(qǐng)求，從而減少定位的時(shí)間，提高效率,xlanchen@2006.6.22,Embedd

22、ed Operating Systems,31,,每個(gè)塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序都維護(hù)著自己的請(qǐng)求隊(duì)列；每個(gè)物理塊設(shè)備應(yīng)當(dāng)有一個(gè)請(qǐng)求隊(duì)列請(qǐng)求可以以提高磁盤(pán)性能的方式進(jìn)行排序低級(jí)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序一般采用如下策略：處理請(qǐng)求隊(duì)列上的第一個(gè)請(qǐng)求，并設(shè)置設(shè)備控制器，以便在數(shù)據(jù)傳送完成時(shí)可以產(chǎn)生一個(gè)中斷，然后就停止當(dāng)設(shè)備控制器產(chǎn)生中斷時(shí)，中斷處理程序就激活下半部分。下半部分將被處理的請(qǐng)求刪除，并繼續(xù)1,xlanchen@2006.6.22,Embed

23、ded Operating Systems,32,驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě),有專門的書(shū)《Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序》來(lái)講如何寫(xiě)Linux下的驅(qū)動(dòng)程序中譯本有500多頁(yè)我們這里用最簡(jiǎn)單的例子來(lái)嘗試驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě),xlanchen@2006.6.22,Embedded Operating Systems,33,,1，確定設(shè)備名稱與主次設(shè)備號(hào)(動(dòng)態(tài)分配的不指定)2，編寫(xiě)設(shè)備文件對(duì)內(nèi)核上層的接口file_operations包括:init, op

24、en, release, read, write, ioctl等3，編譯并加載設(shè)備驅(qū)動(dòng)（兩種方法）3.1，靜態(tài)加載：3.1.1，將初始化函數(shù)加入內(nèi)核驅(qū)動(dòng)初始化部分3.1.2，修改相應(yīng)的Makefile, 增加驅(qū)動(dòng)的目標(biāo)文件3.1.3，重新編譯內(nèi)核，啟用新的內(nèi)核,xlanchen@2006.6.22,Embedded Operating Systems,34,,3.2，動(dòng)態(tài)加載，先編譯成Linux模塊目標(biāo)文件，再

25、用insmod將驅(qū)動(dòng)模塊加載,還有rmmod, lsmod命令，可查看man得知相應(yīng)的功能。4，在目錄/dev下建立相應(yīng)的設(shè)備文件。mknod 創(chuàng)建設(shè)備對(duì)象，參數(shù)： 設(shè)備名 設(shè)備類型 主設(shè)備號(hào) 次設(shè)備號(hào)5，在用戶態(tài)下編寫(xiě)應(yīng)用程序測(cè)試，使用該設(shè)備驅(qū)動(dòng),xlanchen@2006.6.22,Embedded Operating Systems,35,一個(gè)虛擬的字符驅(qū)動(dòng)程序舉例,Char_dev.cMakefileTestchar

26、dev.c設(shè)備名定為：char_dev用命令insmod char_dev.o加載用命令lsmod察看是否成功加載使用dmesg察看主設(shè)備號(hào)使用mknod char_dev c 253 1在/dev目錄下創(chuàng)建設(shè)備文件運(yùn)行Testchardev.c測(cè)試,xlanchen@2006.6.22,Embedded Operating Systems,36,課程回顧,嵌入式操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)Linux內(nèi)核主要模塊分析Linux上的應(yīng)用