linux内核源码分析之设备驱动

目录

一、I/O 体系结构

二、与外设的交互

        1、I/O端口：

        2、I/O内存映射

        3、轮询和中断

三、驱动分类

四、注册

五、与文件系统关联

六、资源管理

七、结构体总结

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一、I/O 体系结构

与外设的通信通常称之为 输入输出 ，一般都缩写为 I/O

实现外设的 I/O 时，内核必须处理 3 个可能出现问题的领域

1. 必须根据具体的设备类型和模型，使用各种方法对硬件寻址
2. 内核必须向用户应用程序和系统工具提供访问各种设备的方法
3. 用户空间需要知道内核中有哪些设备可用

外设寻址的分层模型

对各个设备的访问，通过层次化的多个抽象层进行。在层次结构的底部是设备自身，它通过总线

系统连接到其他设备和系统 CPU

二、与外设的交互

        1、I/O端口：

        在这种情况下，内核发送数据给 I/O 控制器。数据的目标设备通过唯一的端口号标识，数据被传输到设备进行处理。

        每种处理器类型实现端口访问的方式都不同。因此，内核必须提供一个适当的抽象层。诸如outb （写一个字节）、outw （写一个字）、 inb （读取一个字节）之类的命令

        2、I/O内存映射

        处理器提供了对I/O 端口进行内存 映射的选项，将特定外设的端口地址映射到普通内存中，可以像处理普通内存那样操作外设。诸如 PCI 之类的系统总线通常也是通过 I/O 地址映射进行寻址的。

内核提供了一个小的抽象层，主 要包括ioremap 和 iounmap 命令

        3、轮询和中断

        轮询（ polling ）重复询问设备数据是否可用，如果可用，则处理器取回数据。

        这样做比较浪费资源，从而会影响重要 任务的执行。

        中断是更好的备选方案。每个 CPU 都提供了 中断线 （ interrupt line），可由各个系统设备共享。每个中断通过一个唯一的号码标识，内核对使用的

        系统就不再需要频繁检查是否有新的数据可用。

三、驱动分类

        1、字符设备、块设备和其他设备

wolfgang@meitner> ls -l /dev/sd{a,b} /dev/ttyS{0,1} 
brw-r-----1 root disk 8, 0 2008-02-21 21:06 /dev/sda 
brw-r-----1 root disk 8, 16 2008-02-21 21:06 /dev/sdb 
crw-rw----1 root uucp 4, 64 2007-09-21 21:12 ttyS0 
crw-rw----1 root uucp 4, 65 2007-09-21 21:12 ttyS1

• 访问权限前的字母是b或c，分别表示块设备和字符设备
• 设备文件没有文件长度，而增加了另外的两个值，分别是主设备号和从设备号。

        2、网卡设备

        字符设备和块设备不是内核管理的全部设备类别。网卡没有设备文件。用户程序必须使用套接字与网卡通信。套接字是一个抽象层，对所有网卡提供了一个抽象视图。标准库的网络相关函数调用socketcall系统调用与内核通信交互，进而访问网卡。

四、注册

        1、设备数据库

         每个字符设备都表示为struct cdev的一个实例。

struct kobj_map {
	struct probe {
		struct probe *next;
		dev_t dev;//设备号
		unsigned long range;//设备号的范围
		struct module *owner;//提供设备驱动程序的模块
		kobj_probe_t *get;//指向可以返回与设备关联的kobject实例
		int (*lock)(dev_t, void *);
		void *data;//字符设备指向 struct cdev实例；块设备 指向struct genhd实例
	} *probes[255];
	struct mutex *lock;
};

        2、字符设备范围数据库

        管理为驱动程序分配的设备号范围，确保指定的范围不与现存的范围重叠。

static struct char_device_struct {
	struct char_device_struct *next;
	unsigned int major;//主设备号
	unsigned int baseminor;//baseminor是包含minorct个从设备号的连续范围中最小的从设备号
	int minorct;
	char name[64];//标识
	struct cdev *cdev;		/* will die */
} *chrdevs[CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE];

        3、设备号

        1）动态静态设备号申请

int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name)
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count,
const char *name);

void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops);
int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count);

        在获取了设备号范围之后，需要将设备添加到字符设备数据库，以激活设备。在cdev_add成功返回后，设备进入活动状态。

        2）动态创建设备文件

        

        每当内核检测到一个设备时，都会创建一个内核对象kobject 。该对象借助于 sysfs 文件系统导出到用户层 。内核还向用户空间发送一个热插拔消息。

        udevd是一个守护进程，允许从用户层动态创建设备文件。

        如果在系统启动期间发现新设备，或在运行期间有新设备接入（如USB 存储棒），内核产生的热 插拔消息包含了驱动程序为设备分配的主从设备号。udevd 守护进程所需完成的所有工作，就是监听 这些消息。在注册新设备时，会在/dev 中创建对应的项，接下来就可以从用户层访问该设备了。

    

五、与文件系统关联

       1、 inode中的设备文件成员

        虚拟文件系统中的每个文件都关联到一个inode,用于管理文件属性。inode与驱动程序有关的成员如下：

struct inode { 
    ... 
     dev_t i_rdev; //标识与一个设备文件关联的设备
    ... 
    umode_t i_mode; 
    ... 
    struct file_operations *i_fop; //一组函数指针的集合
    ... 
    union { 
    ... 
    struct block_device *i_bdev; 
    struct cdev *i_cdev; 
    }; 
    ... 
};

        2，标准文件操作

        在打开一个设备文件时，各种文件系统的实现会调用init_special_inode函数，为块设备或字 符设备文件创建一个inode。

void init_special_inode(struct inode *inode, umode_t mode, dev_t rdev)
{
	inode->i_mode = mode;
	if (S_ISCHR(mode)) {
		inode->i_fop = &def_chr_fops;
		inode->i_rdev = rdev;
	} else if (S_ISBLK(mode)) {
		inode->i_fop = &def_blk_fops;
		inode->i_rdev = rdev;
	} else if (S_ISFIFO(mode))
		inode->i_fop = &pipefifo_fops;
	else if (S_ISSOCK(mode))
		;	/* leave it no_open_fops */
	else
		printk(KERN_DEBUG "init_special_inode: bogus i_mode (%o) for"
				  " inode %s:%lu\n", mode, inode->i_sb->s_id,
				  inode->i_ino);
}
EXPORT_SYMBOL(init_special_inode);

        3，字符设备的标准操作

struct file_operations def_chr_fops = { 
    .open = chrdev_open, 
};

        chrdev_open函数的主要任务就是向该结构填入适用于已打开设备的函数指针， 使得能够在设备文件上执行有意义的操作，并最终能够操作设备自身。

        4、字符设备的表示

struct cdev { 
    struct kobject kobj; //一个嵌入在该结构中的内核对象,它用于该数据结构的一般管理
    struct module *owner; //指向驱动程序的模块
    const struct file_operations *ops; //硬件通信的具体操作
    struct list_head list; 
    dev_t dev; //设备号
    unsigned int count; 
};

六、资源管理

        为使得各种不同的驱动程序彼此互不干扰，有必要事先为驱动程序分配端口和I/O内存范围。这确保几种设备驱动程序不会试图访问同样的资源。

struct resource { 
    resource_size_t start; //start和end类型为unsigned long，指定了一个一般性的
区域
    resource_size_t end; 
    const char *name; 
    unsigned long flags; //用于更准确地描述资源及其当前状态
    struct resource *parent, *sibling, *child; //父子兄弟之间关系
};

        资源分配它连续地扫描现存的资源，将新资源添加到正确的位置，或发现与已经分配区域的冲突。完成所述工作，需要遍历兄弟结点的链表。如果 所需的资源区域是空闲的，则插入新的resource实例，这样就完成了资源的分配。如果该区域不是空 闲的，则分配失败。

//资源请求
static struct resource * request_resource(struct resource *root, 
struct resource *new);

//资源释放
void release_resource(struct resource *old)

七、结构体总结

上述介绍的结构体在内核中的使用如下

 内核启动start_kernel到kobj_map注册

（内核免费课程链接：https://ke.qq.com/course/4032547?flowToken=1042391）