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第八章 设备驱动

操作系统的目的之一就是将系统硬件设备细节从用户视线中隐藏起来。例如虚拟文件系统对各种类型已安装的文件系统提供了统一的视图而屏蔽了具体底层细节。本章将描叙Linux核心对系统中物理设备的管理。 

CPU并不是系统中唯一的智能设备，每个物理设备都拥有自己的控制器。键盘、鼠标和串行口由一个高级I/O芯片统一管理，IDE控制器控制IDE硬盘而SCSI控制器控制SCSI硬盘等等。每个硬件控制器都有各自的控制和状态寄存器（CSR）并且各不相同。例如Adaptec 2940 SCSI控制器的CSR与NCR 810 SCSI控制器完全不一样。这些CSR被用来启动和停止，初始化设备及对设备进行诊断。在Linux中管理硬件设备控制器的代码并没有放置在每个应用程序中而是由内核统一管理。这些处理和管理硬件控制器的软件就是设备驱动。Linux核心设备驱动是一组运行在特权级上的内存驻留底层硬件处理共享库。正是它们负责管理各个设备。 

设备驱动的一个基本特征是设备处理的抽象概念。所有硬件设备都被看成普通文件；可以通过和操纵普通文件相同的标准系统调用来打开、关闭、读取和写入设备。系统中每个设备都用一种特殊的设备相关文件来表示(device special file)，例如系统中第一个IDE硬盘被表示成/dev/hda。块（磁盘）设备和字符设备的设备相关文件可以通过mknod命令来创建，并使用主从设备号来描叙此设备。网络设备也用设备相关文件来表示，但Linux寻找和初始化网络设备时才建立这种文件。由同一个设备驱动控制的所有设备具有相同的主设备号。从设备号则被用来区分具有相同主设备号且由相同设备驱动控制的不同设备。 例如主IDE硬盘的每个分区的从设备号都不相同。如/dev/hda2表示主IDE硬盘的主设备号为3而从设备号为2。Linux通过使用主从设备号将包含在系统调用中的（如将一个文件系统mount到一个块设备）设备相关文件映射到设备的设备驱动以及大量系统表格中，如字符设备表，chrdevs。 

Linux支持三类硬件设备：字符、块及网络设备。字符设备指那些无需缓冲直接读写的设备，如系统的串口设备/dev/cua0和/dev/cua1。块设备则仅能以块为单位读写，典型的块大小为512或1024字节。块设备的存取是通过buffer cache来进行并且可以进行随机访问，即不管块位于设备中何处都可以对其进行读写。块设备可以通过其设备相关文件进行访问，但更为平常的访问方法是通过文件系统。只有块设备才能支持可安装文件系统。网络设备可以通过BSD套接口访问，我们将在网络一章中讨论网络子系统。 

Linux核心中虽存在许多不同的设备驱动但它们具有一些共性： 


核心代码 
设备驱动是核心的一部分，象核心中其它代码一样，出错将导致系统的严重损伤。一个编写奇差的设备驱动甚至能使系统崩溃并导致文件系统的破坏和数据丢失。 
  
核心接口 
设备驱动必须为Linux核心或者其从属子系统提供一个标准接口。例如终端驱动为Linux核心提供了一个文件I/O接口而SCSI设备驱动为SCSI子系统提供了一个SCSI设备接口，同时此子系统为核心提供了文件I/O和buffer cache接口。 
核心机制与服务 
  
设备驱动可以使用标准的核心服务如内存分配、中断发送和等待队列等等。 

  
动态可加载 
多数Linux设备驱动可以在核心模块发出加载请求时加载，同时在不再使用时卸载。这样核心能有效地利用系统资源。 
  
可配置 
Linux设备驱动可以连接到核心中。当核心被编译时，哪些核心被连入核心是可配置的。 
  
动态性 
当系统启动及设备驱动初始化时将查找它所控制的硬件设备。如果某个设备的驱动为一个空过程并不会有什么问题。此时此设备驱动仅仅是一个冗余的程序，它除了会占用少量系统内存外不会对系统造成什么危害。 

8.1  轮询与中断
设备被执行某个命令时，如“将读取磁头移动到软盘的第42扇区上”，设备驱动可以从轮询方式和中断方式中选择一种以判断设备是否已经完成此命令。 
轮询方式意味着需要经常读取设备的状态，一直到设备状态表明请求已经完成为止。如果设备驱动被连接进入核心，这时使用轮询方式将会带来灾难性后果：核心将在此过程中无所事事，直到设备完成此请求。但是轮询设备驱动可以通过使用系统定时器，使核心周期性调用设备驱动中的某个例程来检查设备状态。 定时器过程可以检查命令状态及Linux软盘驱动的工作情况。使用定时器是轮询方式中最好的一种，但更有效的方法是使用中断。 

基于中断的设备驱动会在它所控制的硬件设备需要服务时引发一个硬件中断。如以太网设备驱动从网络上接收到一个以太数据报时都将引起中断。Linux核心需要将来自硬件设备的中断传递到相应的设备驱动。这个过程由设备驱动向核心注册其使用的中断来协助完成。此中断处理例程的地址和中断号都将被记录下来。在/proc/interrupts文件中你可以看到设备驱动所对应的中断号及类型： 

 0:     727432   timer
 1:      20534   keyboard
 2:          0   cascade
 3:      79691 + serial
 4:      28258 + serial
 5:          1   sound blaster
11:      20868 + aic7xxx
13:          1   math error
14:        247 + ide0
15:        170 + ide1
对中断资源的请求在驱动初始化时就已经完成。作为IBM PC体系结构的遗产，系统中有些中断已经固定。例如软盘控制器总是使用中断6。其它中断，如PCI设备中断，在启动时进行动态分配。设备驱动必须在取得对此中断的所有权之前找到它所控制设备的中断号（IRQ）。Linux通过支持标准的PCI BIOS回调函数来确定系统中PCI设备的中断信息，包括其IRQ号。 

如何将中断发送给CPU本身取决于体系结构，但是在多数体系结构中，中断以一种特殊模式发送同时还将阻止系统中其它中断的产生。设备驱动在其中断处理过程中作的越少越好，这样Linux核心将能很快的处理完中断并返回中断前的状态中。为了在接收中断时完成大量工作，设备驱动必须能够使用核心的底层处理例程或者任务队列来对以后需要调用的那些例程进行排队。 


8.2  直接内存访问 (DMA)
数据量比较少时，使用中断驱动设备驱动程序能顺利地在硬件设备和内存之间交换数据。例如波特率为9600的modem可以每毫秒传输一个字符。如果硬件设备引起中断和调用设备驱动中断所消耗的中断时延比较大（如2毫秒）则系统的综合数据传输率会很低。则9600波特率modem的数据传输只能利用0.002%的CPU处理时间。高速设备如硬盘控制器或者以太网设备数据传输率将更高。SCSI设备的数据传输率可达到每秒40M字节。 

直接内存存取（DMA）是解决此类问题的有效方法。DMA控制器可以在不受处理器干预的情况下在设备和系统内存之间高速传输数据。PC机的ISA DMA控制器有8个DMA通道，其中七个可以由设备驱动使用。每个DMA通道具有一个16位的地址寄存器和一个16位的记数寄存器。为了初始化数据传输，设备驱动将设置DMA通道地址和记数寄存器以描叙数据传输方向以及读写类型。然后通知设备可以在任何时候启动DMA操作。传输结束时设备将中断PC。在传输过程中CPU可以转去执行其他任务。 

设备驱动使用DMA时必须十分小心。首先DMA控制器没有任何虚拟内存的概念，它只存取系统中的物理内存。同时用作DMA传输缓冲的内存空间必须是连续物理内存块。这意味着不能在进程虚拟地址空间内直接使用DMA。但是你可以将进程的物理页面加锁以防止在DMA操作过程中被交换到交换设备上去。另外DMA控制器所存取物理内存有限。DMA通道地址寄存器代表DMA地址的高16位而页面寄存器记录的是其余8位。所以DMA请求被限制到内存最低16M字节中。 

DMA通道是非常珍贵的资源，一共才有7个并且还不能够在设备驱动间共享。与中断一样，设备驱动必须找到它应该使用那个DMA通道。有些设备使用固定的DMA通道。例如软盘设备总使用DMA通道2。有时设备的DMA通道可以由跳线来设置，许多以太网设备使用这种技术。设计灵活的设备将告诉系统它将使用哪个DMA通道，此时设备驱动仅需要从DMA通道中选取即可。 

Linux通过dma_chan（每个DMA通道一个）数组来跟踪DMA通道的使用情况。dma_chan结构中包含有两个域，一个是指向此DMA通道拥有者的指针，另一个指示DMA通道是否已经被分配出去。当敲入cat /proc/dma打印出来的结果就是dma_chan结构数组。 


8.3  内存
设备驱动必须谨慎使用内存。由于它属于核心,所以不能使用虚拟内存。系统接收到中断信号时或调度底层任务队列处理过程时，设备驱动将开始运行，而当前进程会发生改变。设备驱动不能依赖于任何运行的特定进程，即使当前是为该进程工作。与核心的其它部分一样，设备驱动使用数据结构来描叙它所控制的设备。这些结构被设备驱动代码以静态方式分配，但会增大核心而引起空间的浪费。多数设备驱动使用核心中非页面内存来存储数据。 
Linux为设备驱动提供了一组核心内存分配与回收过程。核心内存以2的次幂大小的块来分配。如512或128字节，此时即使设备驱动的需求小于这个数量也会分配这么多。所以设备驱动的内存分配请求可得到以块大小为边界的内存。这样核心进行空闲块组合更加容易。 

请求分配核心内存时Linux需要完成许多额外的工作。如果系统中空闲内存数量较少，则可能需要丢弃些物理页面或将其写入交换设备。一般情况下Linux将挂起请求者并将此进程放置到等待队列中直到系统中有足够的物理内存为止。不是所有的设备驱动（或者真正的Linux核心代码）都会经历这个过程，所以如分配核心内存的请求不能立刻得到满足,则此请求可能会失败。如果设备驱动希望在此内存中进行DMA，那么它必须将此内存设置为DMA使能的。这也是为什么是Linux核心而不是设备驱动需要了解系统中的DMA使能内存的原因。 


8.4  设备驱动与核心的接口
Linux核心与设备驱动之间必须有一个以标准方式进行互操作的接口。每一类设备驱动：字符设备、块设备 及网络设备都提供了通用接口以便在需要时为核心提供服务。这种通用接口使得核心可以以相同的方式来对待不同的设备及设备驱动。如SCSI和IDE硬盘的区别很大但Linux对它们使用相同的接口。 
Linux动态性很强。每次Linux核心启动时如遇到不同的物理设备将需要不同的物理设备驱动。Linux允许通过配置脚本在核心重建时将设备驱动包含在内。设备驱动在启动初始化时可能会发现系统中根本没有任何硬件需要控制。其它设备驱动可以在必要时作为核心模块动态加载到。为了处理设备驱动的动态属性，设备驱动在初始化时将其注册到核心中去。Linux维护着已注册设备驱动表作为和设备驱动的接口。这些表中包含支持此类设备例程的指针和相关信息。 


8.4.1  字符设备



图8.1 字符设备 


字符设备是Linux设备中最简单的一种。应用程序可以和存取文件相同的系统调用来打开、读写及关闭它。即使此设备是将Linux系统连接到网络中的PPP后台进程的modem也是如此。字符设备初始化时，它的设备驱动通过在device_struct结构的chrdevs数组中添加一个入口来将其注册到Linux核 心上。设备的主设备标志符用来对此数组进行索引（如对tty设备的索引4）。设备的主设备标志符是固定的。 

chrdevs数组每个入口中的device_struct数据结构包含两个元素；一个指向已注册的设备驱动名称，另一个则是指向一组文件操作指针。它们是位于此字符设备驱动内部的文件操作例程的地址指针，用来处理相关的文件操作如打开、读写与关闭。/proc/devices中字符设备的内容来自chrdevs数组。 

当打开代表字符设备的字符特殊文件时（如/dev/cua0），核心必须作好准备以便调用相应字符设备驱动的文件操作例程。与普通的目录和文件一样，每个字符特殊文件用一个VFS节点表示。每个字符特殊文件使用的VFS inode和所有设备特殊文件一样，包含着设备的主从标志符。这个VFS inode由底层的文件系统来建立（比如EXT2），其信息来源于设备相关文件名称所在文件系统。 

每个VFS inode和一组文件操作相关联,它们根据inode代表的文件系统对象变化而不同。当创建一个代表字符相关文件的VFS inode时，其文件操作被设置为缺省的字符设备操作。 

字符设备只有一个文件操作:打开文件操作。当应用打开字符特殊文件时，通用文件打开操作使用设备的主标志符来索引此chrdevs数组，以便得到那些文件操作函数指针。同时建立起描叙此字符特殊文件的file结构,使其文件操作指针指向此设备驱动中的文件操作指针集合。这样所有应用对它进行的文件操作都被映射到此字符设备的文件操作集合上。