允执 引商刻羽，杂以流徵

linux设备驱动相关

2015-01-25

LDD3

这部分记录下我在读《LINUX 设备驱动程序》（第三版）（LDD3）时的一些笔记。

第一章

  1. 在编写驱动程序时，程序员应该特别注意下面这个基本概念：编写访问硬件的内核代码时，不要给用户强加任何特定策略。因为不同的用户有不同的需求，驱动程序应该处理如何时硬件可用的问题，而将怎样使用硬件的问题留给上层应用程序。

  2. UNIX系统支持多进程并发的运行，每个进程都请求系统资源，比如运算，内存，网络连接或其他一些资源等。内核负责处理所有这些请求，根据内核完成任务的不同，可以将内核功能分成如下几个部分：

    1）. 进程管理：进程管理负责创建和销毁进程，并处理它们和外部世界之间的连接（输入输出）。不同进程之间的通信（通过信号、管道或者进程间通信原语）是整个系统的基本功能，因此也由内核处理。除此之外，控制进程如何共享CPU调度器也是进程管理的一部分。概括来说，内核进程管理活动是在单个或者多个CPU上实现了多个进程的抽象

    2）. 内存管理：内存是计算机的主要资源之一，用来管理内存的策略是决定系统性能的一个关键因素。内核在有限的可用资源之上为每个进程都创建了一个虚拟地址空间。内核的不同部分在和内存管理子系统交互时使用一组函数调用，包括简单的malloc/free函数队对及其他一些复杂的函数

    3.） 文件系统：UNIX在很大程度上依赖文件系统的概念，Unix中得每个对象几乎都可以当做文件来看待。内核在没有结构的硬件上构造结构化的文件系统，而文件抽象在整个系统中广泛使用。另外，Linux支持多文件系统类型，也就是在物理介质上组织数据的不同方式。例如，磁盘可以格式化为符合Linux标准的ext3文件系统，也可以格式化为常用的FAT文件系统或者其他种类

    4）. 设备控制：几乎每一个系统操作最终都会映射到物理设备上。除了处理器，内存以及其他很有限的几个对象外，所有设备控制操作都由被控制设备相关的代码来完成，这段代码就叫做驱动程序。内核必须为系统中的每件外设嵌入相应的驱动程序，这包括硬件驱动器，键盘等。

    5）. 网络功能：网络功能也必须有操作系统来管理，因为大部分网络操作和具体进程无关：数据报的传入是异步事件。在整个进程处理这些数据包之前必须收集、标识和分发这些数据包。系统负责在应用程序和网络接口之间传递数据包，并根据网络活动控制程序的执行。另外，所有路由器和地址的解析都有内核处理。

  3. 内核和网络设备驱动程序的通信，完全不同于内核和字符设备以及块设备驱动程序之间的通信，内核调用一套和数据包相关的函数而不是read,write等。

  4. 任何从内核得到的内存，都必须在提供给用户进程或者设备之前清零或者以其他方式初始化，否则就可能发生信息泄露（如数据和密码的泄露等）。

第二章

  1. 每个内核模块的编程方式和事件驱动型有点类似。事件驱动的应用程序和内核代码之间的另一个主要区别是：应用程序在退出时，可以不管资源的释放或者其他清除工作，单模块的退出函数却必须仔细撤销初始化函数所做的一切，否则，在系统重新引导之前某些东西就会残留在系统中

  2. 每当应用程序执行系统调用或者被硬件中断挂起时，Unix将执行模式从用户空间切换到内核空间。执行系统调用的内核代码运行在进程上下文中，它代表调用进程执行操作，因此能够访问进程地址空间的所有数据。而处理硬件中断的内核代码和进程是异步的，与任何一个特定进程无关。

  3. 并发问题：并发进程；中断；内核定时器，异步运行；SMP，对称多处理器系统；可抢占内核

  4. 内核模块可通过访问全局项current来获得当前进程。设备驱动程序只要包含<linux/sched.h>头文件即可引用当前进程。例如，下面的语句通过访问struct task_struct的某些成员来打印当前进程的进程ID和命令名：

     printk(KERN_INFO "The process is \"%s\"(pid %i)\n",
     current->comm,current->pid);

  5. 内核具有非常小的栈，他可能只有和一个4K字节大小的页那样小。我们自己的函数必须和整个内核空间调用链一同共享这个栈。因此，如果我们需要大的结构，则应该在调用时动态分配该结构。

  6. 内核代码不能实现浮点运算

  7. Makefile：

     obj-m := module.o
 make -C ~/kernel-2.6 M=`pwd` modules  上述命令首先改变目录到-C指定的目录（即内核源代码目录），其中保存了内核的顶层makefile文件。M=选项让该makefile在构造modules目标之前返回模块源代码目录。然后，modules目标指向obj-m变量中设定的模块，上面的code中，为module.o

  8. insmod： insmod和ld有点类似，他将模块的代码和数据装入内核，然后使用内核的符号表解析模块中任何未解析的符号。然而，与链接器不同，内核不会修改模块的磁盘文件，而仅仅修改内存中的副本。insmode依赖定义在kernel/module的一个系统调用，函数sys_init_module给模块分配内存以便转载模块，然后，该系统调用将模块正文复制到内存区域，并通过内核符号表解析模块中的内核引用，最后调用模块的初始化函数。

  9. 公共内核符号表中包含了所有的全局内核项（即函数和变量）的地址。

  10. 在首次注册完成之后，代码就应该准备好被内核其他部分调用；在用来支持摸个设施的所有内部初始化完成之前，不要注册任何设施。

  11. 模块参数，内核支持的模块参数类型有：bool, invbool, charp, int, long, short, uint, ulong, ushort

    static char* whom = "world";
module_param(whom, charp, S_IRUGO);
module_param_array(name, type, num, perm);

第三章 字符设备驱动程序

mmap：linux系统调用：负责把文件内容映射到进程的虚拟空间内存

void* mmap(void* addr,size_t len,int prot,int flags,int fd,off_t offset)
flags: MAP_SHARED/MAP_PRIVATE

解除映射

int munmap(void *start,size_t length)

mmap设备操作，映射一个设备是指把用户空间的一段地址关联到设备内存上。当程序读写这段用户空间的地址时，他实际上是在访问设备。对驱动程序员而言，需要知道设备的物理地址，用户空间的虚拟地址由系统分配，两种地址通过页式管理的方式进行关联，就是建立虚拟地址到物理地址的页表。

驱动中的mmap方法在file_operations中，函数原型：

int (*mmap)(struct file *,struct vm_aren_struct*) 可以一次使用remap_pfn_range一次性建立所有的页表

int remap_pfn_range(struct vm_aren_struct *vma, unsigned long addr, unsigned long pfn, unsigned long size, pgprot_t prot)

vma:虚拟内存区域指针
vir_addr:虚拟地址的起始值
pfn：要映射的物理地址所在的物理页帧号，可将物理地址>>PAGE_SHIFT（4K）得到

下面这个用户程序展示了mmap系统调用的用法，本例中，使用open打开一个文件（例如文本文件）后，对获取到得文件句柄进行mmap，然后直接操作这段映射后的进程内存。注意，mmap操作不能增加原来的文件长度。

#include <stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/mman.h>
#include <string.h>

int main()
{
	int fd;
	char *start;
	char buf[100];
	
	fd = open("testfile.txt",O_RDWR);
        
	start=mmap(NULL,100,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);
	
	strcpy(buf,start);
	printf("buf = %s\n",buf);	

	strcpy(start,"Buf Is Not Null!");
	
	munmap(start,100);
	close(fd);  
	
	return 0;	
}

file结构代表一个打开的文件（系统中每个打开的文件在内核空间中都有一个对应的file结构）。该结构与C库中（用户空间下）的FILE结构没有任何关联。

注册一个字符设备驱动推荐的方法：

int register_chrdev(unsigned int major, const char* name, struct file_operations* fops);
int unregister_chrdev(insigned int major, const char* name);

例如：

	struct scull_dev* dev;
	
	dev = container_of(inode->i_cdev, struct scull_dev, cdev);

第十四章 Linux设备模型

kobject 包含一个struct kobj_type *ktype的成员，这个结构是

	struct kobj_type{
		void (*release)(struct kboject* kobj);
		struct sysfs_ops* sysfs_ops;
		struct attribute** default_attrs;
	};
	struct sysfs_ops{
		ssize_t (*show)(struct kobject*, struct attribute*, char* );/*当用户读属性文件时，该函数被调用，该函数将属性值存入buffer中返回给用户态*/
		ssize_t (*store)(struct kobject*, struct attribute*, const char*);/*当用户写属性文件时，该函数被调用，用于存储用户传入的属性值*/
	};

kset 是具有相同类型kobject的集合，在sysfs中体现为一个目录，在内核中用kset数据结构表示，定义为

	struct kset{
		struct list_head list;
		spinlock_t list_lock;
		struct kobject kobj;
		struct kset_uevent_ops *uevent_ops;/*用于处理热插拔*/
	}
	struct kset_uevent_ops内有三个函数，filter, name, uevent.当filter返回值是0时，其他两个函数不会被调用。

kset and kobject

在linux系统中，当系统配置发生变化时，如：添加kset到系统；移动kobject，一个通知会从内核空间发送到用户空间，这就是热插拔事件。热插拔时间会导致用户空间中相应的处理程序如 udev，mdev被调用，这些处理程序会通过加载驱动程序，创建设备节点等来响应热插拔事件。

一个用法实例：

#include <linux/device.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/string.h>
#include <linux/sysfs.h>
#include <linux/stat.h>
#include <linux/kobject.h>
 
MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
 
struct kset kset_p;
struct kset kset_c;

int kset_filter(struct kset *kset, struct kobject *kobj)
{
        printk("Filter: kobj %s.\n",kobj->name);
        return 1;
}
 
const char *kset_name(struct kset *kset, struct kobject *kobj)
{
        static char buf[20];
        printk("Name: kobj %s.\n",kobj->name);
        sprintf(buf,"%s","kset_name");
        return buf;
}
 
int kset_uevent(struct kset *kset, struct kobject *kobj,struct kobj_uevent_env *env)
{
        int i = 0;
        printk("uevent: kobj %s.\n",kobj->name);

        while( i < env->envp_idx){
                printk("%s.\n",env->envp[i]);
                i++;
        }

        return 0;
}

struct kset_uevent_ops uevent_ops = 
{
        .filter = kset_filter, //决定是否将事件传递到用户空间。如果返回0，将不传递事件
        .name   = kset_name, //用于将字符串传递给用户空间的热插拔处理程序
        .uevent = kset_uevent, //将用户空间需要的参数添加到环境变量中
};
 
int kset_test_init()
{
        printk("kset test init.\n");
        kobject_set_name(&kset_p.kobj,"kset_p");
        kset_p.uevent_ops = &uevent_ops;
        kset_register(&kset_p);
         
        kobject_set_name(&kset_c.kobj,"kset_c");
        kset_c.kobj.kset = &kset_p;
        kset_register(&kset_c); //执行这个函数后，kset_uevent_ops的三个函数都会被调用
        return 0;
}
 
int kset_test_exit()
{
        printk("kset test exit.\n");
        kset_unregister(&kset_p);
        kset_unregister(&kset_c);
        return 0;
}
 
module_init(kset_test_init);
module_exit(kset_test_exit);

加载(insmod)该驱动后，kmsg打印去下log：

kset test init. Filter: kobj kset_c. Name: kobj kset_c. uevent: kobj kset_c. ACTION=add. DEVPATH=/kset_p/kset_c. SUBSUSTEM=kset_name.

同时会创建在 /sys/kset_p/kset_c/ 的目录结构

第十五章 内存映射的DMA

About Linux kernel and driver

这部分介绍下一些相关的知识点，来自网络和平时学习看到的，待整理。

总线方法：

int（match）(struct device dev,struct struct device_driver* drv) int(* uevent)(struct devuce *dev, cahr **envp, int num_envp, char *buffer, int buffer_size) 在为用户空间产生热插拔事件之前，这个方法允许总线添加环境变量

platform 总线是2.6内核加入的一种虚拟总线。有两部分组成: platform_device和platform_driver 优势在于platform机制将设备本身的资源注册进内核，由内核统一管理，在驱动程序使用这些资源时使用统一的接口，这样提高了程序的可移植性。 int platform_device_add struct platform_device platform_device_alloc(const char name, int id) 平台设备资源使用struct resource 来描述： struct resource { resource_size start; resource_size end; const char name; unsigned long flags; // IO,MEN,IRQ地址, IORESOURCE_MEM, IRQSOURCE_IRQ struct resource *parent, *sibling, *child; } struct resource platform_get_resource(struct platform_device* dev, unsigned int type, unsigned int num); //type:资源的类型,即 IORESOURCE_ME这种

	int platform_driver_register(struct platform_driver* drv);//注册platform_driver
	函数流程： 
	platform_driver_register [drv->driver.bus = &platform_bus_type]  --->  driver_register --->  bus_add_driver --->  driver_attach ---> bus_for_each_dev ---> __driver_attach [drv->bus->match]--->  driver_probe_device ---> really_probe
  1. 中断: 外设的处理速度一般慢于CPU，CPU不能一直等待外部事件，所以设备必须有一种方法来通知CPU它的工作进度，这种方法就是中断

    中断实现， 有如下两个步骤：

    1.向内核注册中断 request（unsigned int irq，void(handler)(int, void *, struct pt_regs *),unsigned long flags, const char devname,void *dev_id）

    IRQF_DISABLED 如果设置该位，表示是一个快速中断处理程序；否则为慢速 IRQF_SHARED 共享中断：就是将不同的设备挂到同一个中断信号线上，linux对共享的支持主要是为PCI设备服务。有三个特别之处： 1. 申请共享中断时，2. 必须加上该flags, dev_id参数必须是唯一的，3. 共享中断处理程序中，不能使用disable_irq(unsigned int irq)

    快速中断处理程序保证中断处理的原子性（不被打断），而慢速中断则不保证

  1. 实现中断处理函数 中断处理程序运行在中断上下文种，限制有三：1.不能向用户空间发送或者接受数据；2.不能使用可能引起阻塞的函数(wait,wait_interruptible)；3.不能使用可能引起调度的函数（schedule） 中断处理函数的流程：1. 判断是否本设备产生了中断（因为共享中断处理时，会调用所有注册的中断处理函数，通过该步骤判断哪个设备产生了中断）；2.清楚中断位（有些设备支持自动清楚，则不需要这一步）；3.中断处理，通常是数据接受；4.唤醒等待处理数据的进程

fops中的poll 函数中有两步操作，1.调用poll_wait函数来指明要使用的等待队列；2.返回是否可读、可写的掩码； static int read(struct file* filp, char __user* buff, size_t count, loff_t *offp) { unsigned long err; if(!ev_press){ if(filp->f_flags & O_NONBLOCK) return -EAGAIN; else wait_event_interruptible(); } ev_press = 0;

	err = copy_to_user(buff,(const void *)from)
}
  1. input 输入子系统： linux系统提供了input子系统，按键，触摸屏，鼠标等输入型设备都可以利用input接口函数来实现设备驱动。

drivers handler

usb keyboard handler

ps/2 core mouse handler

serial

diver —> input core —> handler

驱动层：将底层硬件输入转化为统一事件形式，向输入核心汇报 输入核心层：为驱动层提供输入设备注册与操作接口；通知事件处理层对事件进行处理；在/proc下产生相应的设备信息 事件处理层：主要作用是和用户空间交互

设备描述：input设备用input_dev结构体描述，使用input 子系统实现输入设备驱动的时候，驱动的核心工作是向系统上报输入事件

input_register_device inpuut_unregister_device

设备驱动通过set_bit告诉input子系统它支持那些事件，那些按键，例如： set_bit(EV_KEY,button_dev,.evbit)

struct input_dev 有两个成员： evbit evkey

事件类型： EV_RST reset EV_REL 相对坐标 EV_MSC 其它 EV_SND 声音 EV_KEY 按键 EV_FF 力反馈 EV_ABS 绝对坐标 EV_LED LED EV_REP repeat

当事件类型为EV_KEY时，还需要指明按键类型： BTN_LEFT BTN_RIGHT BTN_0 BTN_1等

input-report_key(struct input+dev* dev, unsigned int code, int value) input_report_rel input_report_abs

code : 如果事件类型EV_KEY，code可以为BTN_LEFT等 value：按下1，抬起0

报告结束：input_sync

实例，在一次触摸屏设备驱动中，一次点击的整个报告如下： input_report_abs(input_dev, ABS_X, x);//x坐标 input_report_abs(input_dev, ABS_Y, y);//y坐标 input_report_abs(input_dev, ABS_PRESSURE, 1); input_sync(input_dev);//同步

Linux kernel组成

  1. 系统调用接口
  2. 内存管理子系统
  3. 进程管理子系统
  4. archtecture and
  5. 虚拟文件系统
  6. 网络协议栈
  7. 驱动

Linux内核主要由进程调度（SCHED）、内存管理（MM）、虚拟文件系统（VFS）、网络接口（NET）和进程间通信（IPC）等5个子系统组成。

地址类型

物理地址：CPU地址总线上的寻址物理内存的地址信号 逻辑地址：程序编译之后，汇编代码中的地址 虚拟地址：又称线性地址，在32位CPU架构下，寻址范围为4G

地址转换

CPU要将一个逻辑地址转换为一个物理地址，两步：

段式管理：

16位CPU内部拥有20为地址总线，寻址范围为1M。 逻辑地址 = 段基地址+段内偏移地址 计算公式： 物理地址 = 段寄存器«4 + 逻辑地址

32位CPU采用两种模式：实模式 和 保护模式 实模式：内存管理与16位CPU是一致的 保护模式：段选择器

页式管理：

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