Device Drivers（設備驅動程序）

2019-11-17 05:41:15

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供稿：網友

　　操作系統其中一個目的就是向用戶掩蓋系統硬件設備的非凡性。例如，虛擬文件系統呈現了安裝的文件系統的一個統一的試圖，而和底層的物理設備無關。本章描述linux核心是如何治理系統中的物理設備的。

　

CPU不是系統中唯一的智能設備，每一個物理設備都由它自己的硬件控制器。鍵盤、鼠標和串行口由SuperIO芯片控制，IDE磁盤由IDE控制器控制，SCSI磁盤由SCSI控制器控制，等等。每一個硬件控制器都由自己的控制和狀態控制器（CSR），不同的設備之間是不同的。一個Adaptec 2940 SCSI控制器的CSR和NCR 810 SCSI控制器的完全不同。CSR用于啟動和停止設備，初始化設備和診斷它的問題。治理這些硬件控制器的代碼不是放在每一個應用程序里邊，而是放在Linux核心。這些處理或者治理硬件控制器的軟件腳做設備驅動程序。Linux核心的設備驅動程序本質上是特權的、駐留內存的低級的硬件控制例程的共享庫。是Linux的設備驅動程序在處理它們治理的設備的特質。

　

UN*X的一個基本特點是它抽象了設備的處理。所有的硬件設備都象常規文件一樣看待：它們可以使用和操作文件相同的、標準的系統調用來進行打開、關閉和讀寫。系統中的每一個設備都用一個設備非凡文件代表。例如系統中第一個IDE硬盤用/dev/had表示。對于塊（磁盤）和字符設備，這些設備非凡文件用mknod命令創建，并使用主（major）和次（minor）設備編號來描述設備。網絡設備也用設備非凡文件表達，但是它們由Linux在找到并初始化系統中的網絡控制器的時候創建。同一個設備驅動程序控制的所有設備都由一個共同的major設備編號。次設備編號用于在不同的設備和它們的控制器之間進行區分。例如，主IDE磁盤的不同分區都由一個不同的次設備編號。所以，/dev/hda2，主IDE磁盤的第2個分區的主設備號是3，而次設備號是2。Linux使用主設備號表和一些系統表（例如字符設備表chrdevs）把系統調用中傳遞的設備非凡文件（比如在一個塊設備上安裝一個文件系統）映射到這個設備的設備驅動程序中。

參見fs/devices.c

　

Linux支持三類的硬件設備：字符、塊和網絡。字符設備直接讀寫，沒有緩沖區，例如系統的串行端口/dev/cua0和/dev/cua1。塊設備只能按照一個塊（一般是512字節或者1024字節）的倍數進行讀寫。塊設備通過buffer cache訪問，可以隨機存取，就是說，任何塊都可以讀寫而不必考慮它在設備的什么地方。塊設備可以通過它們的設備非凡文件訪問，但是更常見的是通過文件系統進行訪問。只有一個塊設備可以支持一個安裝的文件系統。網絡設備通過BSD socket接口訪問，網絡子系統在網絡章（第10章）描述。

　

Linux有許多不同的設備驅動程序（這也是Linux的力量之一）但是它們都具有一些一般的屬性：

　

Kernel code 設備驅動程序和核心中的其他代碼相似，是kenel的一部分，假如發生錯誤，可能嚴重損害系統。一個寫錯的驅動程序甚至可能摧毀系統，可能破壞文件系統，丟失數據。

Kenel interfaces 設備驅動程序必須向Linux核心或者它所在的子系統提供一個標準的接口。例如，終端驅動程序向Linux核心提供了一個文件I/O接口，而SCSI設備驅動程序向SCSI子系統提供了SCSI設備接口，接著，向核心提供了文件I/O和buffer cache的接口。

Kernel mechanisms and services 設備驅動程序使用標準的核心服務例如內存分配、中斷轉發和等待隊列來完成工作

Loadable Linux大多數的設備驅動程序可以在需要的時候作為核心模塊加載，在不再需要的時候卸載。這使得核心對于系統資源非常具有適應性和效率。

Configurable Linux設備驅動程序可以建立在核心。哪些設備建立到核心在核心編譯的時候是可以配置的。

Dynamic 在系統啟動，每一個設備啟動程序初始化的時候它查找它治理的硬件設備。假如一個設備驅動程序所控制的設備不存在并沒有關系。這時這個設備驅動程序只是多余的，占用很少的系統內存，而不會產生危害。

　

8.1 Poling and Interrupts（輪詢和中斷）

　

每一次給設備命令的時候，例如“把讀磁頭移到軟盤的第42扇區“，設備驅動程序可以選擇它如何判定命令是否執行結束。設備驅動程序可以輪詢設備或者使用中斷。

　

輪詢設備通常意味著不斷讀取它的狀態寄存器，直到設備的狀態改變指示它已經完成了請求。因為設備驅動程序是核心的一部分，假如驅動程序一直在輪詢，核心在設備完成請求之前不能運行其他任何東西，會是損失慘重的。所以輪詢的設備驅動程序使用一個系統計時器，讓系統在晚些時候調用設備驅動程序中的一個例程。這個定時器例程會檢查命令的狀態，Linux的軟盤驅動程序就是這樣工作的。使用計時器進行輪詢是一種最好的接近，而更加有效的方法是使用中斷。

　

中斷設備驅動程序在它控制的硬件設備需要服務的時候會發出一個硬件中斷。例如：一個以太網設備驅動程序會在設備在網絡上接收到一個以太網報文的時候被中斷。Linux核心需要有能力把中斷從硬件設備轉發到正確的設備驅動程序。這通過設備驅動程序向核心登記它所使用的中斷來實現。它登記中斷處理程序例程的地址和它希望擁有的中斷編號。你通過/PRoc/interrupts可以看到設備驅動使用了哪些中斷和每一類型的中斷使用了多少次：

　

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

　

對于中斷資源的請求發生在驅動程序初始化的時間。系統中的一些中斷是固定的，這是IBM PC體系結構的遺留物。例如軟驅磁盤控制器總是用中斷6。其他中斷，例如PCI設備的中斷，在啟動的時候動態分配。這時設備驅動程序必須首先找出它所控制的設備的中斷號，然后才能請求擁有這個中斷（的處理權）。對于PCI中斷，Linux支持標準的PCI BIOS回調（callback）來確定系統中設備的信息，包括它們的IRQ。

　

一個中斷本身是如何轉發到CPU依靠于體系結構。但是在大多數的體系上，中斷都用一種非凡的模式傳遞，而停止系統中發生其他中斷。設備驅動程序在它的中斷處理例程中應該做盡可能少的工作，使得Linux核心可以結束中斷并返回到它中斷之前的地方。收到中斷后需要做大量工作的設備驅動程序可以使用核心的bottom half handler或者任務隊列把例程排在后面，以便在以后調用。

　

8.2 Direct Memory access （DMA）

　

當數據量比較少的時候用中斷驅動的設備驅動程序向設備或者通過設備傳輸數據工作地相當好。例如，一個9600波特率的modem每一毫秒（1/1000秒）大約可以傳輸一個字符。假如中斷延遲，就是從硬件設備發出中斷到開始調用設備驅動程序中的中斷處理程序所花的時間比較少（比如2毫秒），那么數據傳輸對系統整體的映像就非常小。9600波特率的modem數據傳出只會占用0.002%的CPU處理時間。但是對于高速的設備，比如硬盤控制器或者以太網設備，數據傳輸速率相當高。一個SCSI設備每秒可以傳輸高達40M字節的信息。

　

直接內存存取，或者說DMA，就是發明來解決這個問題的。一個DMA控制器答應設備不需要處理器的干預而和系統內存創樹數據。PC的ISA DMA控制器由8個DMA通道，其中7個可用于設備驅動程序。每一個DMA通道都關聯一個16位的地址寄存器和一個16位的計數寄存器（count register）。為了初始化一次數據傳輸，設備驅動程序需要建立DMA通道的地址和計數寄存器，加上數據傳輸的方向，讀或寫。當傳輸結束的時候，設備中斷PC。這樣，傳輸發生的時候，CPU可以作其他事情。

　

使用DMA的時候設備驅動程序必須小心。首先，所有的DMA控制器都不了解虛擬內存，它只能訪問系統中的物理內存。因此，需要進行DMA傳輸的內存必須是物理內存中連續的塊。這意味著你不能對于一個進程的虛擬地址空間進行DMA訪問。但是你可以在執行DMA操作的時候把進程的物理也鎖定到內存中。第二：DMA控制器無法訪問全部的物理內存。DMA通道的地址寄存器表示DMA地址的首16位，跟著的8位來自于頁寄存器（page register）。這意味著DMA請求限制在底部的16M內存中。

　

DMA通道是稀少的資源，只有7個，又不能在設備驅動程序之間共享。象中斷一樣，設備驅動程序必須有能力發現它可以使用哪一個DMA通道。象中斷一樣，一些設備有固定的DMA通道。比如軟驅設備，總是用DMA通道2。有時，設備的DMA通道可以用跳線設置：一些以太網設備用這種技術。一些更靈活的設備可以告訴它（通過它們的CSR）使用哪一個DMA通道，這時，設備驅動程序可以簡單地找出一個可用的DMA通道。

　

Linux使用dma_chan數據結構向量表（每一個DMA通道一個）跟蹤DMA通道的使用。Dma_chan數據結構只有兩個玉：一個字符指針，描述這個DMA通道的屬主，一個標志顯示這個DMA通道是否被分配。當你cat /proc/dma的時候顯示的就是dma_chan向量表。

　

8.3 Memory（內存）

　

設備驅動程序必須小心使用內存。因為

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