1、Linux Device&Module设备管理与模块机制设备管理与模块机制n基本概念n传统方式的设备注册与管理ndevfs注册与管理n块设备的请求队列n网络设备n模块机制Linux Device&Module基本概念基本概念n字符设备、块设备、网络设备 字符设备以字节为单位进行数据处理，通常只允许按顺序访问 块设备将数据按可寻址的块为单位进行处理，可以随机访问，利用缓冲技术网络设备是一类特殊的设备，每块网卡有名字但没有设备文件与之对应 查看系统中的设备：/proc/devicesn主设备号和次设备号 major number：相同的设备使用相同的驱动程序 minor number：用来区分具体
2、设备的实例 查看设备及其类型“ls-l/dev”n设备文件系统devfs /dev目录过于庞大，很多设备文件没有对应系统中的设备 devfs根据系统中的实际设备构建设备文件，并按目录存放，如/dev/disk，/dev/ptsLinux Device&Module基本概念基本概念用户空间内核空间I/O请求设备驱动程序设 备ISR系统调用ret_from_sys_call返回,进程继续Linux Device&Module基本概念基本概念用 户 程 序 调 用Fd=fopen(“/dev/hda”,O_RDWR,0);read(buff,fd,size)write(fd,buff,size)cl
3、ose(fd)Virtual file systemGeneric_file_read()Generic_file_write()块 设 备 文 件建立设备：#mknod/dev/dev_name type major_number minor_number Linux Device&ModuleVFSVFS中的文件中的文件ninclude/linux/fs.hstruct file struct file_operations*f_op;struct file_operations loff_t (*llseek)(struct file*,loff_t,int);ssize_t (*rea
4、d)(struct file*,char*,size_t,loff_t*);ssize_t (*write)(struct file*,const char*,size_t,loff_t*);int(*ioctl)(struct inode*,struct file*,unsigned int,unsigned long);int(*mmap)(struct file*,struct vm_area_struct*);int(*open)(struct inode*,struct file*);int(*release)(struct inode*,struct file*);int(*fsy
5、nc)(struct file*,struct dentry*,int datasync);int(*fasync)(int,struct file*,int);Linux Device&Module(1)llseek(file,offset,whence)：修改文件的读写指针。(2)read(file,buf,count,offset)：从设备文件的offset 处开始读出count个字节，然后增加*offset的值。(3)write(file,buf,count,offset)：从设备文件的offset处写入count个字节，然后增加*offset的值。(4)ioctl(inode,fil
6、e,cmd,arg)：向一个硬件设备发命令，对设备进行控制。(5)mmap(file,vma)：将设备空间映射到进程地址空间。(6)open(inode,file)：打开并初始化设备。(7)release(inode,file)：关闭设备并释放资源。(8)fsync(file,dentry)：实现内存与设备之间的同步通信。(9)fasync(file,on)：实现内存与设备之间的异步通信。Linux Device&Modulenfs/devices.cstruct device_struct const char*name;struct file_operations*fops;static
7、struct device_struct chrdevsMAX_CHRDEV;注册与注销函数：int register_chrdev(unsigned int major,const char*name,struct file_operations*fops)int unregister_chrdev(unsigned int major,const char*name);注：major即设备的主设备号，注册后就是访问数组chrdevs的索引（下标）。字符设备的注册与管理字符设备的注册与管理Linux Device&ModulePCIPCI设备（驱动实现见设备（驱动实现见wordword文档）
8、文档）Linux内核启动时会对所有内核启动时会对所有PCI设备进行扫描、登录和分配资源等初始化设备进行扫描、登录和分配资源等初始化操作，建立起系统中所有操作，建立起系统中所有PCI设备的拓扑结构设备的拓扑结构此后当内核欲初始化某设备时，调用此后当内核欲初始化某设备时，调用module_initmodule_init加载该设备的驱动程加载该设备的驱动程序序Linux Device&Module块设备块设备nfs/block_dev.cstatic struct const char*name;struct block_device_operations*bdops;blkdevsMAX_BLKD
9、EV;Linux Device&Module块设备注册块设备注册nfs/block_register_blkdev(unsigned int major,const char*name,struct block_device_operations*bdops)nint unregister_blkdev(unsigned int major,const char*name)Linux Device&Module块设备的操作块设备的操作block_device_operationsstruct block_device_operations int(*open)(struct inode*,st
10、ruct file*);int(*release)(struct inode*,struct file*);int(*ioctl)(struct inode*,struct file*,unsigned,unsigned long);int(*check_media_change)(kdev_t);int(*revalidate)(kdev_t);struct module*owner;Linux Device&Modulenblock_device_operations并不能完全提供file_operations结构中的所必需的主要函数（例如read、write），所以内核实际上是采用def
11、_blk_fops变量对相关的file_operations变量进行了赋值：struct file_operations def_blk_fops;n除了open、release等函数利用了设备注册时提供的block_device_operations结构中的成员变量之外，其他函数都是采用所有块设备通用的操作函数(def_blk_fops)块设备的缺省操作块设备的缺省操作def_blk_fopsLinux Device&Modulenfs/block_dev.cstruct file_operations def_blk_fops=open:blkdev_open,release:blkdev
12、_close,llseek:block_llseek,read:generic_file_read,write:generic_file_write,mmap:generic_file_mmap,fsync:block_fsync,ioctl:blkdev_ioctl,;块设备的缺省操作块设备的缺省操作def_blk_fopsLinux Device&Modulenblock_read与block_write等函数是设备相关的n块设备注册时一个重要的任务就是提供这个设备相关的操作函数给内核Linux Device&Moduledevfs注册与管理注册与管理nfs/devfs/base.c nr
13、egister_chrdev()停止使用，改为devfs_register_chrdev()nregister_blkdev()停止使用，改为devfs_register_blkdev()nint devfs_register_chrdev(unsigned int major,const char*name,struct file_operations*fops)nint devfs_register_blkdev(unsigned int major,const char*name,struct block_device_operations*bdops)nint devfs_unregi
14、ster_chrdev(unsigned int major,const char*name)nint devfs_unregister_blkdev(unsigned int major,const char*name)Linux Device&Module块设备的请求队列块设备的请求队列n当系统对块设备进行读操作时，仅仅是通过块设备通用的读操作函数block_read()，将这一个请求发送给对应的设备，并保存在该设备的操作请求队列（request queue）中。然后调用这个块设备的底层处理函数，对请求队列中的操作请求进行逐一的执行struct blk_dev_struct /*inclu
15、de/linux/blkdev.h*/request_queue_t request_queue;queue_proc *queue;void *data;struct blk_dev_struct blk_devMAX_BLKDEV;Linux Device&Moduleblock_read()流程流程block_read()ll_rw_block()submit_bh()generic_make_request()_make_request()add_request()，给请求队列添加新的请求Linux Device&ModuleLinux网络协议栈网络协议栈应用系统内核硬件设备应用层BS
16、D Socket层INET Socket层IP层硬件层TCPUDP网络设备接口Linux Device&Module重要的数据结构重要的数据结构n以socket文件描述符作为参数，系统调用从用户空间切换到内核空间，从而进入到BSD Socket层的操作。操作的对象是socket结构，每一个这样的结构对应的是一个网络连接 n通过网络地址族的不同来判断是否应该进入到INET Socket层；这一层的数据存放在msghdr结构的变量中n在INET Socket层中，分成面向连接和面向无连接两种类型，区分TCP和UDP协议。在这一层中的操作对象是sock类型的数据，而数据存放在sk_buff结构中Li
17、nux Device&Module模块机制（模块机制（Module）nLinux的单块结构（monolithic）使得其可扩展性较差n模块机制（Linux Kernel Module,LKM）提高了linux内核的可扩展性n利用linux源码编译生成内核时，如某功能允许“m”选项（其他为“y”，“n”），说明可以以模块形式存在n多数设备驱动程序以模块的方式挂接到内核n系统启动时已将若干模块挂入了内核n用户只要有权限，就可以编写模块挂入内核n模块的缺点：增加了内核管理代价 Linux Device&Module模块的设计模块的设计nEvery LKM consists of two basic
18、functions(minimum):int init_module(void)/*used for all initialization stuff*/.void cleanup_module(void)/*used for a clean shutdown*/.n安装模块命令#insmod module.o#modprobe module.on卸载模块命令#rmmod module.on查询系统中已装入的模块#lsmodLinux Device&Module模块的设计模块的设计n例子 hello.c#define MODULE#include int init_module(void)pr
19、intk(Hello,worldn);return 0;void cleanup_module(void)printk(Goodbye cruel worldn);n编译模块#gcc c hello.c DMODULE D_KERNEL_ -DLINUX -Wall O2-I/usr/src/linux-2.4/include n安装、卸载模块#insmod hello.o Hello world#rmmod hello Goodbye cruel worldLinux Device&Module模块设计注意事项模块设计注意事项n模块设计与应用程序设计模块是装入内核的，运行时CPU处于核心态
20、应用程序运行时CPU处于用户态n编译模块 设计应用程序使用的include文件：/usr/include 设计内核模块使用的include文件：/usr/src/linux-2.4/include 两者如果不一致，在编译内核模块时要用-I指明include路径n 设计的模块可以调用Linux内核及其他模块已经输出（exported）的函数，不能利用标准C提供的库函数如printfn#more/proc/ksyms或 Linux Device&Module模块调试模块调试printk利用/proc文件系统或ioctl；ksyms使用调试器gdbkdebug远程调试Linux Device&Mod
21、ule/proc/下文件、目录的意义下文件、目录的意义文件/目录名描述 Cmdline 该进程的命令行参数 Cwd 进程运行的当前路径的符号链接 Environ 该进程运行的环境变量 Exe 该进程相关的程序的符号链接 Fd 包含该进程使用的文件描述符 Maps 可执行文件或库文件的内存映像 Mem 该进程使用的内存 Root 该进程所有者的家（home）目录 Stat 进程状态 Statm 进程的内存状态 Status 用易读的方式表示的进程状态Linux Device&ModuleSGI公司公司OSS项目项目的的kgdb本地主机Xwindow 环境GDB/XGDB远程主机Stub程序内核应用程序串口或 TCP/IP 连接GDB 远程调试环境原理图
