字元装置驱动程式

1、Chap 3-字元裝置驅動程式,Outline,Introduction 3.1 scull的設計藍圖3.2 主編號與次編號 3.3 檔案架構3.4 file 結構 3.5 open 與 release3.6 Scull 的記憶體用法規劃 3.7 相競狀況3.8 read 與 write 3.9 try scull3.10 devfs 檔案系統 3.11 回溯相容性3.12 速查參考,3-Introduction,本章目標：寫出一個完整的字元裝置驅動程式(char device driver)-簡稱char driver 終極目標：寫出一個模組化的char driver 範例：scull-(

2、Simple Character Utility for Loading Localities ) Makefile, main.c, access.c, empty.c, pipe.c, scull.h, scull.init, scull_load, scull_unload, alpha.checkthem scull的作用是“讓使用者可把一塊記憶區當成字元裝置來使用”scull所驅動的目標裝置是一塊記憶區 不需依賴任何“特殊”硬體 只要有linux平台就可以編譯與執行 未提供任何實用功能，只展示核心與char driver之間軟體介面,3.1-scull的設計藍圖,定義驅動程式要提供哪

3、些功能給user-sapce的程式 可循序存取(字元裝置) or 可隨機存取(區塊裝置) 模擬單一裝置(ex:一機多體 or 多個同類裝置) Scull所模擬出的每一種裝置，分別由不同類型的模組予以實現(相同的mechanism差別在於policy的不同) scull0scull3四個由記憶區所構成的裝置，兼具“共通” “持續” scullpipe0scullpipe3四個FIFO裝置( blocking與nonblocking ) Scullsingle一次只容許一個被行程存取 Scullpriv允許每個終端機都有權開啟一次，分屬不同行程 Sculluid允許開始多次，限同一使用者。(回傳錯

4、誤碼) Scullwuid允許開始多次，限同一使用者。(推延,等待),Ch_5.2.5,Ch_5.6,3.2-主編號與次編號,主編號(major number)(0255) 代表裝置所配合的驅動程式 當核心收到open()系統呼叫時，就是依據“主編號”來選擇驅動程式 次編號(minor number)(0255) 驅動程式以次編號來辨認同類裝置的個體 核心本身用不到，只有驅動程式自己才知道次編號的意義 當使用者要存取字元裝置時，必須透過檔案系統裡的“代表名稱”特殊檔(special file) 、裝置檔(device file) 、 檔案系統樹的節點(node)，集中在/dev/目錄下。 裝置

5、類型： “c”代表char driver的特殊檔 “b”代表block driver的裝置檔,3.2-主編號與次編號, ls al /dev/ |less,brw-rw- 1 root disk 66, 72 Apr 11 2002 sdak8 brw-rw- 1 root disk 66, 73 Apr 11 2002 sdak9 crw-r-r- 1 root root 253, 1 Mar 1 22:58 scull1 crw-r-r- 1 root root 253, 2 Mar 1 22:58 scull2 crw-r-r- 1 root root 253, 3 Mar 1 22:5

6、8 scull3 brw-rw- 1 root disk 8, 0 Apr 11 2002 sda crw-rw- 1 root uucp 154, 18 Apr 11 2002 ttySR18,3.2-主編號與次編號,檔案系統製作裝置節點的命令是mknod，必須有特權身分(root)才能使用此工具。至少需要四個引數 mknod /dev/ant c 252 0 像任何儲存在磁碟上的普通檔案一樣，mknod所產生的裝置節點會被保存下來，除非刻意刪除它們。用一般的rm命令即可辦到 rm /dev/ant,3.2.1-隨機取得主編號,大部份常見的裝置幾乎都有固定的主編號，可在核心源碼樹的Docum

7、entation/devices.txt檔案內找到一份“裝置-主編號”對照表。 less /usr/src/linux-2.4.20/Documentation/devices.txt “實驗性或自家使用”的主編號： 6063 、 120127、240.254 “隨機索取主編號”呼叫register_chrdev() 定義在 less /usr/src/linux-2.4.20/include/linux/fs.h,extern int register_chrdev(unsigned int, const char *, struct file_operations *); extern i

8、nt unregister_chrdev(unsigned int, const char *);,3.2.1-隨機取得主編號,在呼叫register_chrdev()時： major引數給0： =回傳值為0 then group=staff else group=wheel fi # invoke insmod with all arguments we got # and use a pathname, as newer modutils dont look in . by default /sbin/insmod -f ./$module.o $* | exit 1 major=cat

9、/proc/devices | awk $2=$module print $1 # Remove stale nodes and replace them, then give gid and perms # Usually the script is shorter, its scull that has several devices in it. rm -f /dev/$device0-3 mknod /dev/$device0 c $major 0 mknod /dev/$device1 c $major 1 mknod /dev/$device2 c $major 2 mknod /

10、dev/$device3 c $major 3 ln -sf $device0 /dev/$device chgrp $group /dev/$device0-3 chmod $mode /dev/$device0-3,#!/bin/sh module=scull“ device=scull # invoke rmmod with all arguments we got /sbin/rmmod $module $* | exit 1 # Remove stale nodes rm -f /dev/$device /dev/$device0-3 rm -f /dev/$devicepriv r

11、m -f /dev/$devicepipe /dev/$devicepipe0-3 rm -f /dev/$devicesingle rm -f /dev/$deviceuid rm -f /dev/$devicewuid,scull_load 不同於file_operations結構裡的其它欄位，此欄位不是函式指標，而是一個指向結構所屬模組的指標。驅動程式本身用不到此欄位，因為他是供核心用來維護模組的用量計次(usage count)。 loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int); /seek作業方法的作用，是改變檔案目前的讀寫點位置；如果成功

12、，則傳回新位置(正值)，傳回值loff_t是一個至少64-bits “long offset”，即使是在32-bits平台上也是如此。 ssize_t (*read) (struct file *,char *,size_t,loff_t *); 用於擷取出裝置上的資料。若將此欄位設定為NULL，則read()系統呼叫發生-EINVAL失敗。(Invalid argument，引數值無效) ，如果成功，則傳回一個非負數值，代表成功讀取的位元數。,ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *); 將資料寫入裝置。若

13、發生錯誤，則觸發write()系統呼叫的行程會收到-EINVAL。如果成功，write將傳回一個非負值，代表成功寫出的位元數。 int (*readdir) (struct file *,void *,filldir_t); 對於裝置檔而言，此欄位必須是NULL，因為他是用來讀取目錄，而且只對檔案系統有意義。 unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *); poll作業方法是兩種系統呼叫的後台：poll()與select()-兩者都是用來探詢裝置在某特殊狀態下是法可讀或可寫，而且兩者都會等到目標裝置呈為可寫或可

14、讀的狀態，才會返回。如果驅動程式沒定義自己poll作業方法，核心會預設目標裝置的性質為同時兼具可讀可寫，沒有特殊狀態。傳回值是一個代表裝置狀態的位元遮罩(bit mask)。 int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *); mmap用來將I/O memory對應到行程的位址空間。若驅動程式沒提供此方法，則mmap()系統呼叫將傳回-ENODEV,int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int,unsigned long); 每個裝置或多或少都有其特殊功能，標準的作業方

15、法不見得能提供應用程式所需要的一切功能(ex:格式化)，對於隨裝置而定的功能，應用程式可透過ioctl()系統呼叫來執行一系列裝置特有命令，而ioctl作業發法的任務，就是實現在類特殊命令。 int (*open) (struct inode *, struct file *); 開啟，這必定是裝置檔操作程序的第一步，但是驅動程式並非一定要宣告一個對應方法不可。如果將此欄位指向NULL，開啟裝置的動作一定會成功，只不過驅動程式不會收到通知而已。 int (*flush) (struct file *); 這是行程在關閉其裝置檔之前的必要動作。flush應該執行任何還沒解決的作業程序。請不要將此

16、方法與fsnc()系統呼叫聯想在一起。目前，只有NFS需要用到flush。如果讓flush指向NULL，不會有動作發生。 int (*release) (struct inode *, struct file *); 在file結構被釋放之前，此方法會被呼叫。(並非，每次呼叫close( )都會觸發release),int (*fsync) (struct inode *, struct dentry *, int); 此為fsync( )系統呼叫的實際後台，其作用是出清(flush)任何延滯的資料。如果驅動程式不提供此作業方法，系統呼叫會傳回-EINVAL int (*fasync) (st

17、ruct inode *, struct flie *, int); 當裝置的FASYNC旗標出現變化時，核心就會呼叫驅動程式的fasync的作業方法。非同步通知(asynchronous notification)。 int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *); Lock的作業方法用來實現檔案所訂的效果。對一般檔案而言，這項功能絕不可避免，但是幾乎沒有任何驅動程式時作此作業方法。 ssize_t (*readv) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t

18、 *); ssize_t (*writev) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *); 以上兩者都是2.3版研發過程中才提出來的新作業發訪，分別用於實現“分散讀取(scatter read)”以及“累積寫出(gather write)”,Ch_5,3.3檔案作業,scull 驅動程式只實作最重要的幾項作業方法，而起GNU的標記語法來宣告初始話他自己的file_operations結構：scull/main.c:Line 551 GNU C編譯器的優點： 驅動程式的移植性較高 程式碼精簡，容易理解 在某些情況下

19、，能得到相當程度的效能提升,struct file_operations scull_fops = llseek: scull_llseek, read: scull_read, write: scull_write, ioctl: scull_ioctl, open: scull_open, release: scull_release,;,3.4file 結構,File與一般應用程式常用的FILE毫無關係。File定義在C函式庫內，不可能出現在核心程式碼理，而file結構也絕不會出現在user-space應用程式理。 struct file代表一個已開啟的檔案(open file)，對於系

20、統上每一個已開啟的檔案，在kernel-space裡都有一個對應的struct file。每一個file結構都是在核心收到open()系統呼叫時自動建立的，任何作用在檔案的作業方法與核心函式，都會收到該檔案的file結構。close()系統 struct file不同於磁碟檔案 在這裡file是結構，而filp是指向file結構的指標 file = struct ; filp = pointer,3.4file 結構,file結構的重要欄位： mode_t f_mode; 代表檔案的“存取模式”，可能的存取方式包括“可讀”(FMODE_READ),”可寫”(FMODE_WRITE)或“可讀可寫

21、”(FMODE_READ | FMODE_WRITE)。ioctl作業方法或許會想要檢查此欄位來確定讀寫權限，但是read,write則不需要執行權限檢查，因為核心在收到read(),write()系統呼叫時，就已經幫你檢查過了。 loff_t f_pos; 檔案目前的讀寫位置。loff_t是一個64bit值。若驅動程式想知道檔案目前的讀寫點位置，可以讀取此值，但是絕對不應該直接修改此值。read, write作業方法應該透過它們從自己第三引數收到的指標(loff_t *)來更新讀寫點位置，而不是直接修改filp-f_pos.,unsigned short f_flags; 各項“檔案旗標”的

22、組合，像是O_RDONLY, O_NONBLOCK與O_SYNC等等。驅動程式在進行非推延作業(nonblocking operation)時，會需要檢查這些旗標。(所有的旗標都定義在) struct file_operations *f_op; f_op為指向file_operation結構的指標。每當需要提調(dispatch)任何檔案作業時，核心會讀取此指標，找出對應的作業方法。核心決不會快取filp-f_op的值f_op指向不同的作業方法，此技巧使得主編號相同的一系列檔案，可以表現出多種不同的行為模式，核心容許這種替換檔案作業方法的能力，相當於物件導向的“method override

23、ing”技術 void *private_data; Private_data是相當有用的資源，可供我們保存生命其跨越多次系統呼叫的狀態資訊。驅動程式可以自由決定要如何運用此指標，甚至完全忽略，但必須記得在release method裡釋放掉此指標所占用的記憶體。,3.4file 結構,struct dentry *f_dentry; 檔案所屬的“目錄項”結構(directory entry，通常簡稱為dentry) 。目錄項的處理城係已經被最佳化了，所以通常不理會dentry結構，頂多也只是透過file-f_dentry-d_inode來存取inode結構而已。 file結構實際的欄位超過以

24、上所述。事實上驅動程式決不會自己填寫file結構，而只會存取其他地方產生的結構。,3.5 open /* 裝置資訊 */ int num = NUM(inode-i_rdev); int type = TYPE(inode-i_rdev); /*如果private_data無效，那表示我們不是在使用devfs /*所以可依據type(次編號的高半位元)挑出新的f_op if (!filp-private_data /* dispatch to specific open */ ,Scull_Dev是此驅動程式用來持有記憶區的資料結構 scull_nr_devs 是可用裝置的數量 scull_d

25、evices 實際指向Scull_Dev結構的指標陣列,/*type 0，檢查裝置編號(除非priate_data有效)*/ dev = (Scull_Dev *)filp-private_data; if (!dev) if (num = scull_nr_devs) return -ENODEV; dev = /*成功*/ ,3.5.1 open作業方法,這段程式看起來似乎有點空洞？ 未實作任何處理硬體的動作， 並未計算它目前被開啟了多少次？ scull的本質被設計成通用,持續性的裝置 核心能透過file_operations結構owner欄位來維護模組的用量計次，為何要再作一次同樣動作？

26、 為了與舊版核心相容 為何要再write_only模式時將記憶區長度歸零？ open是唯一會影響目標裝置的動作，除了write only之外的其他存取模式，open不必作任何事。 根據設計理念，當scull存有大量資料時，若被較少量的資料蓋寫，則最後會只剩較短的記憶區，讓多的資料消失。,3.5.2 release作業方法,Release作業方法扮演的腳色正好與open相反。有時函式名稱會是device_close()，而非device_release()。不管名稱如何，主要工作流程都一樣： 釋放open配置給filp-private_data的任何東西 在最後一次關閉時，將目標裝置關機 遞減用

27、量計次 ,Int scull_release (struct inode *inode, struct file *filp) MOD_DEC_USE_COUNT; return 0; ,3.5.2 release作業方法,如果再open有用遞增用量計次，則release就必須遞減之。因為只要用量計次沒歸零，核心就會拒絕卸載模組。 有時候，一個檔案被開啟與被關閉的次數不一定相同，如何能夠確定用量計次一定正確？ dup( )和fork( )系統呼叫會直接建立以開檔案的副本，而不會啟動驅動程式的open，但這些副本在程式結束時卻會觸發close( )系統呼叫 ANS：並非每次close( )系統呼

28、叫都會觸發release作業方法。close( )只有再真正需要釋放裝置上的資料時，才會去呼叫release這就是為何取名release而不是close的原因 其它類型的裝置有各自的關閉函式，因為scull_open( )已經依據裝置類型，讓filp-f_op指向該類裝置的作業方法。,3.6 的記憶體用法規劃,本節只專注scull的記憶體配置策略，而不涉及真實驅動程式所需的硬體管理計技巧(Ch8 struct Scull_Dev *next; /* next listitem */ int quantum; /* the current quantum size */ int qset; /*

29、 the current array size */ unsigned long size; devfs_handle_t handle; /* only used if devfs is there */ unsigned int access_key; /* used by sculluid and scullpriv */ struct semaphore sem; /* mutual exclusion semaphore */ Scull_Dev;,int scull_trim(Scull_Dev *dev)/*遊走一遍整各串列*/ /*並釋放所遇到的任何配額與配額集*/ Scull

30、_Dev *next, *dptr; int qset = dev-qset; /* dev is not-null */ int i; for (dptr = dev; dptr; dptr = next) /* all the list items */ if (dptr-data) for (i = 0; i datai) kfree(dptr-datai); kfree(dptr-data); dptr-data=NULL; next=dptr-next; if (dptr != dev) kfree(dptr); /* all of them but the first */ dev

31、-size = 0; dev-quantum = scull_quantum; dev-qset = scull_qset; dev-next = NULL; return 0; ,3.7相競狀況,A與B都開啟了同一個scull裝置來寫入資料，並同時將自己的資料寫到scull記憶區的末端 相競狀況(race condition)，同時競爭相同資源。 單一CPU ssize_t write(struct file *filp, const char *buff, size_t count, loff_t *offp);,3.8read unsigned long copy_from_user(void *to, const void *from, unsigned long count );,ssize_t dev_read( struct file *file, char *buf, size_t