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11.1??設(shè)備驅(qū)動(dòng)概述
11.1.1??設(shè)備驅(qū)動(dòng)簡介及驅(qū)動(dòng)模塊
操作系統(tǒng)是通過各種驅(qū)動(dòng)程序來駕馭硬件設(shè)備的，它為用戶屏蔽了各種各樣的設(shè)備，驅(qū)動(dòng)硬件是操作系統(tǒng)最基本的功能，并且提供統(tǒng)一的操作方式。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是內(nèi)核的一部分，硬件驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)最基本的組成部分，在Linux內(nèi)核源程序中也占有60%以上。因此，熟悉驅(qū)動(dòng)的編寫是很重要的。
在第2章中已經(jīng)提到過，Linux內(nèi)核中采用可加載的模塊化設(shè)計(jì)（LKMs，Loadable?Kernel?Modules），一般情況下編譯的Linux內(nèi)核是支持可插入式模塊的，也就是將最基本的核心代碼編譯在內(nèi)核中，其他的代碼可以編譯到內(nèi)核中，或者編譯為內(nèi)核的模塊文件（在需要時(shí)動(dòng)態(tài)加載）。
常見的驅(qū)動(dòng)程序是作為內(nèi)核模塊動(dòng)態(tài)加載的，比如聲卡驅(qū)動(dòng)和網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)等，而Linux最基礎(chǔ)的驅(qū)動(dòng)，如CPU、PCI總線、TCP/IP協(xié)議、APM（高級電源管理）、VFS等驅(qū)動(dòng)程序則直接編譯在內(nèi)核文件中。有時(shí)也把內(nèi)核模塊叫做驅(qū)動(dòng)程序，只不過驅(qū)動(dòng)的內(nèi)容不一定是硬件罷了，比如ext3文件系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)。因此，加載驅(qū)動(dòng)就是加載內(nèi)核模塊。
這里，首先列舉一些模塊相關(guān)的命令。
n lsmod列出當(dāng)前系統(tǒng)中加載的模塊，其中左邊第一列是模塊名，第二列是該模塊大小，第三列則是使用該模塊的對象數(shù)目。如下所示：
$?lsmod??????
Module???????????????Size????Used?by????
Autofs???????????????12068???0??(autoclean)?(unused)
eepro100????????????18128???1?
iptable_nat ????????19252???0??(autoclean)?(unused)
ip_conntrack???????18540???1??(autoclean)?[iptable_nat]
iptable_mangle?????2272????0??(autoclean)?(unused)
iptable_filter?????2272????0??(autoclean)?(unused)
ip_tables???????????11936???5??[iptable_nat?iptable_mangle?iptable_filter]
usb-ohci????????????19328???0??(unused)
usbcore?????????????54528???1??[usb-ohci]
ext3?????????????????67728???2?
jbd??????????????????44480???2??[ext3]
aic7xxx?????????????114704??3?
sd_mod??????????????11584???3?
scsi_mod???????????98512???2??[aic7xxx?sd_mod]
n rmmod是用于將當(dāng)前模塊卸載。
n insmod和modprobe是用于加載當(dāng)前模塊，但insmod不會(huì)自動(dòng)解決依存關(guān)系，即如果要加載的模塊引用了當(dāng)前內(nèi)核符號表中不存在的符號，則無法加載，也不會(huì)去查在其他尚未加載的模塊中是否定義了該符號；modprobe可以根據(jù)模塊間依存關(guān)系以及/etc/modules.conf文件中的內(nèi)容自動(dòng)加載其他有依賴關(guān)系的模塊。
11.1.2??設(shè)備分類
本書在前面也提到過，Linux的一個(gè)重要特點(diǎn)就是將所有的設(shè)備都當(dāng)做文件進(jìn)行處理，這一類特殊文件就是設(shè)備文件，它們可以使用前面提到的文件、I/O相關(guān)函數(shù)進(jìn)行操作，這樣就大大方便了對設(shè)備的處理。它通常在/dev下面存在一個(gè)對應(yīng)的邏輯設(shè)備節(jié)點(diǎn)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)以文件的形式存在。
Linux系統(tǒng)的設(shè)備分為3類：字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。
n 字符設(shè)備通常指像普通文件或字節(jié)流一樣，以字節(jié)為單位順序讀寫的設(shè)備，?如并口設(shè)備、虛擬控制臺等。字符設(shè)備可以通過設(shè)備文件節(jié)點(diǎn)訪問，它與普通文件之間的區(qū)別在于普通文件可以被隨機(jī)訪問（可以前后移動(dòng)訪問指針），而大多數(shù)字符設(shè)備只能提供順序訪問，因?yàn)閷λ鼈兊脑L問不會(huì)被系統(tǒng)所緩存。但也有例外，例如幀緩存(framebuffer)是一個(gè)可以被隨機(jī)訪問的字符設(shè)備。
n 塊設(shè)備通常指一些需要以塊為單位隨機(jī)讀寫的設(shè)備，如IDE硬盤、SCSI硬盤、光驅(qū)等。塊設(shè)備也是通過文件節(jié)點(diǎn)來訪問，它不僅可以提供隨機(jī)訪問，而且可以容納文件系統(tǒng)（例如硬盤、閃存等）。Linux可以使用戶態(tài)程序像訪問字符設(shè)備一樣每次進(jìn)行任意字節(jié)的操作，只是在內(nèi)核態(tài)內(nèi)部中的管理方式和內(nèi)核提供的驅(qū)動(dòng)接口上不同。
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通過文件屬性可以查看它們是哪種設(shè)備文件(字符設(shè)備文件或塊設(shè)備文件)。
$?ls?–l?/dev
crw-rw----??1?root??uucp?4,??64?08-30?22:58?ttyS0?/*串口設(shè)備，?c表示字符設(shè)備*/
brw-r-----??1?root??floppy?2,???0?08-30?22:58?fd0/*軟盤設(shè)備，b表示塊設(shè)備*/
n 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通常是指通過網(wǎng)絡(luò)能夠與其他主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的設(shè)備，如網(wǎng)卡等。
內(nèi)核和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序之間的通信調(diào)用一套數(shù)據(jù)包處理函數(shù)，它們完全不同于內(nèi)核和字符以及塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序之間的通信（read()、write()等函數(shù)）。Linux網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不是面向流的設(shè)備，因此不會(huì)將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的名字（例如eth0）映射到文件系統(tǒng)中去。
對這3種設(shè)備文件編寫驅(qū)動(dòng)程序時(shí)會(huì)有一定的區(qū)別，本書在后面會(huì)有相關(guān)內(nèi)容的講解。
11.1.3??設(shè)備號
設(shè)備號是一個(gè)數(shù)字，它是設(shè)備的標(biāo)志。就如前面所述，一個(gè)設(shè)備文件（也就是設(shè)備節(jié)點(diǎn)）可以通過mknod命令來創(chuàng)建，其中指定了主設(shè)備號和次設(shè)備號。主設(shè)備號表明設(shè)備的類型（例如串口設(shè)備、SCSI硬盤），與一個(gè)確定的驅(qū)動(dòng)程序?qū)?yīng)；次設(shè)備號通常是用于標(biāo)明不同的屬性，例如不同的使用方法、不同的位置、不同的操作等，它標(biāo)志著某個(gè)具體的物理設(shè)備。高字節(jié)為主設(shè)備號，底字節(jié)為次設(shè)備號。
例如，在系統(tǒng)中的塊設(shè)備IDE硬盤的主設(shè)備號是3，而多個(gè)IDE硬盤及其各個(gè)分區(qū)分別賦予次設(shè)備號1、2、3…
$?ls?–l?/dev
crw-rw----??1?root??uucp?4,??64?08-30?22:58?ttyS0?/*?主設(shè)備號4，此設(shè)備號64?*/
11.1.4??驅(qū)動(dòng)層次結(jié)構(gòu)
Linux下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是內(nèi)核的一部分，運(yùn)行在內(nèi)核模式下，也就是說設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?yàn)閮?nèi)核提供了一個(gè)I/O接口，用戶使用這個(gè)接口實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的操作。圖11.1顯示了典型的Linux輸入/輸出系統(tǒng)中各層次結(jié)構(gòu)和功能。
圖11.1??Linux輸入/輸出系統(tǒng)
層次結(jié)構(gòu)和功能
Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序包含中斷處理程序和設(shè)備服務(wù)子程序兩部分。
設(shè)備服務(wù)子程序包含了所有與設(shè)備操作相關(guān)的處理代碼。它從面向用戶進(jìn)程的設(shè)備文件系統(tǒng)中接受用戶命令，并對設(shè)備控制器執(zhí)行操作。這樣，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序屏蔽了設(shè)備的特殊性，使用戶可以像對待文件一樣操作設(shè)備。
設(shè)備控制器獲得系統(tǒng)服務(wù)有兩種方式：查詢和中斷。因?yàn)長inux的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是內(nèi)核的一部分，在設(shè)備查詢期間系統(tǒng)不能運(yùn)行其他代碼，查詢方式的工作效率比較低，所以只有少數(shù)設(shè)備如軟盤驅(qū)動(dòng)程序采取這種方式，大多設(shè)備以中斷方式向設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序發(fā)出輸入/輸出請求。
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11.1.5??設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與外界的接口
每種類型的驅(qū)動(dòng)程序，不管是字符設(shè)備還是塊設(shè)備都為內(nèi)核提供相同的調(diào)用接口，因此內(nèi)核能以相同的方式處理不同的設(shè)備。Linux為每種不同類型的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序維護(hù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以便定義統(tǒng)一的接口并實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序的可裝載性和動(dòng)態(tài)性。Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與外界的接口可以分為如下3個(gè)部分。
n 驅(qū)動(dòng)程序與操作系統(tǒng)內(nèi)核的接口：這是通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)file_operations（在本書后面會(huì)有詳細(xì)介紹）來完成的。
n 驅(qū)動(dòng)程序與系統(tǒng)引導(dǎo)的接口：這部分利用驅(qū)動(dòng)程序?qū)υO(shè)備進(jìn)行初始化。
n 驅(qū)動(dòng)程序與設(shè)備的接口：這部分描述了驅(qū)動(dòng)程序如何與設(shè)備進(jìn)行交互，這與具體設(shè)備密切相關(guān)。
它們之間的相互關(guān)系如圖11.2所示。
圖11.2??設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與外界的接口
11.1.6??設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的特點(diǎn)
綜上所述，Linux中的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序有如下特點(diǎn)。
（1）內(nèi)核代碼：設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是內(nèi)核的一部分，如果驅(qū)動(dòng)程序出錯(cuò)，則可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。
（2）內(nèi)核接口：設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序必須為內(nèi)核或者其子系統(tǒng)提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口。比如，一個(gè)終端驅(qū)動(dòng)程序必須為內(nèi)核提供一個(gè)文件I/O接口；一個(gè)SCSI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)該為SCSI子系統(tǒng)提供一個(gè)SCSI設(shè)備接口，同時(shí)SCSI子系統(tǒng)也必須為內(nèi)核提供文件的I/O接口及緩沖區(qū)。
（3）內(nèi)核機(jī)制和服務(wù)：設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序使用一些標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)核服務(wù)，如內(nèi)存分配等。
（4）可裝載：大多數(shù)的Linux操作系統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序都可以在需要時(shí)裝載進(jìn)內(nèi)核，在不需要時(shí)從內(nèi)核中卸載。
（5）可設(shè)置：Linux操作系統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以集成為內(nèi)核的一部分，并可以根據(jù)需要把其中的某一部分集成到內(nèi)核中，這只需要在系統(tǒng)編譯時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置即可。
（6）動(dòng)態(tài)性：在系統(tǒng)啟動(dòng)且各個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序初始化后，驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒕S護(hù)其控制的設(shè)備。如果該設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序控制的設(shè)備不存在也不影響系統(tǒng)的運(yùn)行，那么此時(shí)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序只是多占用了一點(diǎn)系統(tǒng)內(nèi)存罷了。
