《Linux设备驱动程序》笔记

第一章–设备驱动程序简介（P9）

什么是Linux设备驱动程序（P9）

linux驱动处于OS和硬件之间。
驱动给OS提供一组设备驱动接口函数（包括open,close,read,ioctl等）

为什么研究编写Linux驱动程序（P9）

• 新硬件问世或硬件过时
• 个人用户要了解一些驱动程序知识才能访问设备
• 硬件厂商通过提供Linux驱动程序能为自己的产品带来潜在用户群
• Linux开源，驱动程序源码可以在大量用户中迅速流传

设备驱动程序的作用（P10）

1. 驱动的作用在于提供机制，而不是提供策略（驱动灵活）
   • 机制：需要提供什么功能
   • 策略：如何使用这些功能
2. 介于应用程序和实际设备之间，设计驱动时综合考虑三方面：给用户提供尽可能多的选项，编写驱动占用的时间，尽量保持程序简单而不至于错误丛生
3. 不带策略的驱动的典型特征：同时支持同步和异步，能被多次打开，充分利用硬件特性，不具备用来“简化任务”的或提供与策略相关的软件层

内核功能划分（P12）

1. 进程管理：在单个或多个CPU上实现了多个进程的抽象
2. 内存管理：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
3. 文件系统：Linux支持多种文件系统类型，也就是在物理介质上组织数据的不同方式
4. 设备控制：除了处理器和内存等少数对象外，所有设备控制操作都由驱动完成
5. 网络功能：大部分网络操作和具体进程无关。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。所有的路由和地址解析问题都由内核处理。

设备和模块的分类（P14）

1. 字符模块：能像字节流（类似文件）一样被访问的设备。字符设备驱动通常至少要实现open，close，read和write系统调用。
2. 块模块：每次只能传输一个或多个完整的块（512KB或更大），和字符驱动相比具有完全不同的接口。
3. 网络模块：网络接口可以是硬件设备，也可能是个纯软件设备（回环接口loopback）。只负责发送和接受数据包，eth0在文件系统中不存在对应的节点

驱动安全策略（P16）

• 系统中所有安全检查都是由内核代码进行的，系统调用init_module会检查调用进程是否具有将模块装载到内核的权利。
• 尽量避免在驱动代码中实现安全策略。由驱动本身完成的相关安全检查：能影响全局资源的设备操作（设置中断线），可能会破坏硬件（装载固件），影响其他用户（给磁盘驱动器设置默认的块尺寸），这些都只能由root执行

第二章–构造和运行模块（P21）

核心模块与应用程序的对比（P24）

• 内核模块都是事件驱动的，模块只是预先注册自己以便服务于将来的某个请求。
• 内核模块能调用的函数仅仅是由内核导出的那些函数，而不存在任何可链接的函数库。printk函数缺少对浮点数的支持。
• 处理错误的方式不同，应用程序中的段错误是无害的，总是可以使用调试器跟踪到源代码中的问题所在，而一个内核错误即使不影响整个系统，也至少会杀死当前进程。

用户空间和内核空间（P25）

• OS必须负责程序的独立操作并保护资源不受非法访问，在CPU中实现不同的操作模式（级别）。
• 当应用程序执行系统调用或者被硬件中断挂起时（两者由驱动代码提供），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，能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，与特定进程无关。

内核中的并发（P26）

原因：

1. Linux系统中通常正在运行多个并发进程，并且可能有多个进程同时使用我们的驱动程序。
2. 大多数设备能够中断处理器，而且中断处理程序可能在驱动正试图处理其他任务时被调用。
3. 有一些软件抽象（如内核定时器）也在异步运行着。
4. Linux还可以运行对称多处理器(SMP)系统上，可能同时有不止一个CPU运行着驱动。
5. 内核代码是可抢占的，即使在单处理器系统上也存在类似多处理器系统的并发问题。

版本依赖（P31）

• 加载模块时会将模块与当前内核树中的vermagic.o链接，用来检查模块和正在运行的内核的兼容性。

内核符号表（P33）

• 模块被装入内核后，它所导出的任何符号都会变成内核符号表的一部分。
• EXPORT_SYMBOL_GPL(name)导出的模块只能被GPL许可证下的模块使用。这个宏将被扩展为一个全局变量的声明，该变量在模块可执行文件的ELF段中保存。

初始化和关闭(P36)

static int __init record_init_module(void)
static void __exit record_exit_module(void)
module_init(record_init_module);
module_exit(record_exit_module);

__init表示仅在初始化使用；在模块装载结束后，模块装载器会将初始化函数扔掉。

只要你的模块依赖关系正确（可以通过depmod设置），你就可以通过modprobe 命令加载而不需要知道具体模块文件位置

#define __init __attribute__((__section__(".init.text")) __cold
将作用的函数或数据放入指定名为".init.text"的输入段。
当内核启动完毕后，.init.text段中的内存会被释放掉供其他使用。

输入段和输出段是相对于要生成最终的elf或binary时的Link过程说的，Link过程的输入大都是由源代码编绎生成的
目标文件.o，那么这些.o文件中包含的段相对link过程来说就是输入段，而Link的输出一般是可执行文件elf或库等

只有内核未被配置为支持热拔插设备时，__devinit和__devinitdata才会被翻译为__init和__initdata(用于数据定义)

能够注册的设施包括：串口，杂项设备，sysfs入口，/proc文件，可执行域和线路规程（line discipline）

如果一个模块未定义清除函数，则内核不允许卸载该模块。

初始化过程中的错误处理（P37）

错误恢复的处理有时使用goto语句比较有效。
Linux中，错误编码是定义在中的负整数。

模块装载竞争（P40）

在用来支持某个设施的所有内部初始化完成之前，不要注册任何设施。

模块参数化（P40）

module_param(bugfile, charp, S_IRUGO);
module_param_array(name, type, num, perm)

如果我们需要的类型不在内核支持的模块参数类型里，模块代码中的钩子可让我们来定义这些类型。

所有的模块参数都应该给定一个默认值，insmod只会在用户明确设置了参数的值的情况下才会改变参数的值。

最后一个参数perm是访问许可值，它用来控制谁能访问sysfs中对模块参数的表述：

• 0表示不会有对应的sysfs入口项；否则模块参数会在/sys/module中出现，并设置为给定的访问许可。
• S_IRUGO，任何人均可读取该参数，但不能修改
• S_IRUGO|S_IWUSR，允许root用户修改该参数。

在用户空间编写驱动程序（P42）

用户空间驱动程序的优缺点

第三章–字符设备驱动程序（P46）

主设备号和次设备号（P47）

• 对字符设备的访问是通过文件系统内的设备名称进行的。那些名称被称为特殊文件、设备文件，或者简单称之为文件系统树的节点。通常位于/dev目录、
• ls - l的修改日期前用逗号分隔的两个数，主设备号， 从设备号
• 尽管现代的Linux内核允许多个驱动程序共享主设备号，但大部分是“一个主设备号对应一个驱动程序”。次设备号用来后的一个指向内核设备的直接指针。
• dev_t（在中定义）用来保存设备编号，12+20位。使用中定义的宏获得：
  • MAJOR(dev_t dev)
  • MINOR(dev_t dev)
  • MKDEV(int major, int minor)

分配和释放设备编号（P49）

• 静态获得设备编号：在中，int register_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count, char* name)，first为分配的设备编号的起始值，常为0，count为连续设备的个数，name为设备名称
• 动态分配主设备号：alloc_chrdev_region
• 释放设备编号：unregister_chrdev_region

动态分配主设备号（P50）

• 动态分配的缺点：由于分配的主设备号不能保证始终不变，所以无法预先创建设备节点。但分配完设备号可从/proc/devices中读取
• scull_load, scull_init

一些重要的数据结构（53P）

• 大部分基本的驱动程序操作涉及到三个重要的内核数据结构，分别是：file_operations,file,inode
• file_operations（中）结构用来将驱动程序操作连接到设备编号，其中包含每个打开的文件和一组函数关联
• file_operations结构或指向这类结构的指针称为fops，结构中的每个字段都必须指向驱动中实现特定操作的函数，对于不支持的操作字段置为NULL。

• file_operations结构的字段介绍：

  1. owner 避免在模块的操作正在被使用时卸载该模块
  2. llseek 设置为NULL,调用seek将以不可预期的方式修改file结构中的位置计数器。
  3. read 设置为NULL，调用read将出错并返回-EINVAL
  4. aio_read 初始化一个异步的读取操作，设置为NULL将通过read（同步）处理
  5. write
  6. readdir 仅用于读取目录，只对文件系统有用
  7. poll 是poll,epoll,select这三个系统调用的后端实现
  8. ioctl 提供了一种执行设备特定命令（如格式化软盘）的方法。
  9. mmap 将设备内存映射到进程地址空间
  10. open 若为NULL，打开永远成功，但系统不会通知驱动
  11. flush 调用发生在进程关闭设备文件描述符副本的时候，它执行（并等待）设备上尚未完结的操作。
  12. release file结构被释放时调用，并不是每次调用close时都会被调用

• file结构（在中）代表一个打开的文件，在open时创建，通常将该指针称为filp

• inode结构在内部表示文件。对单个文件，可能有许多个表示打开的文件描述符的file结构，但是都指向单个inode结构。struct cdev是表示字符设备的内核的内部结构。用iminor和imajor来获取主从设备号，而不是直接操作i_rdev

字符设备的注册（P60）

<linux/cdev.h>
运行时获取一个独立的cdev结构：
struct cdev *my_cdev = cdev_alloc();
my_cdev->ops = &my_fops;

将cdev结构嵌入到自己的设备特定结构中：
cdev_init(&dev->cdev, &scull_fops);
dev->cdev.owner = THIS_MODULE;
dev->cdev.ops = &scull_fops;
err = cdev_add (&dev->cdev, devno, 1);

cdev_del(&scull_devices[i].cdev);

open和release

open

• 检查设备错误（设备未就绪）
• 更新f_op指针，填写filp->private_data

release

• 释放filp->private_data中的内容
• 最后一次close时被调用
• dup和fork系统调用都会在不掉用open的情况下创建已打开文件的副本。
• flush方法在应用程序每次调用close时都会被调用

read和write

积累

• Unix图形显示器的管理分为X服务器+窗口和会话管理器
• 软驱的驱动程序不带策略，它的作用是将磁盘表示为一个连续的数据块阵列。系统高层提供策略
• 许多驱动是同用户程序一起发行的：比如，用来调整并口打印机驱动程序工作方式的tunelp程序；作为PCMCIA驱动程序包一部分的图形化cardctl工具。还会有一个客户程序库，它提供不必在驱动本身实现的功能
• 不同进程之间的通信方式：信号，管道，进程间通信原语
• 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
• 字符终端（/dev/console）和串口（/dev/ttys0以及类似设备）是字符设备。字符设备可以通过文件系统节点来访问，比如/dev/tty1和/dev/lp0。
• 偶数编号的内核版本（如2.6.x）是正式发行的稳定版本，而奇数编号的版本（如2.7.x）则是开发过程中的一个快照，将很快被下一个开发版本不同。
• 如何将内核内存映射到用户空间（即mmap系统调用），如何将用户内存映射到内核空间（即get_user_pages），如何将这两种内存映射到设备空间（执行DMA操作）
• 竞态问题：不同的执行顺序导致不同的，非预期行为发生。
• current是一个执行struct task_struct的指针，current隐藏在内核栈中，便于current被频繁引用。
• 内核具有很小的栈，可能只有一个4096字节大小的页那么小，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。
• insmod依赖于定义在kernel/module.c中的一个系统调用，函数sys_init_module给模块分配内核内存（vmalloc负责内存分配）
• 系统调用的名字前都带有sys_前缀
• modprobe也用来将模块加载到内核，但若模块引用了内核中不存在的符号时，它会在当前模块搜索路径（标准的已安装模块目录）中查找定义了这些符号的其他模块，并将这些模块也装载到内核。而insmod则会失败，提示”unresolved symbols”。
• lsmod读取sysfs虚拟文件系统中/proc/modules虚拟文件
• 查看系统日志文件（/var/log/messages或者系统配置使用的文件）
• IA-32（Intel Architecture 32 bit），常被称为i386,x86-32,x86。
• SCSI接口：系统级接口的独立处理器标准。SCSI使驱动器和计算机内部安装的SCSI适配器进行通信。
• 通过sysfs访问设备信息，在/sys目录下反映了这个机器的系统状况。sysfs文件系统是一个类似于proc文件系统的特殊文件系统，用于将系统中的设备组织成层次结构，并向用户模式程序提供详细的内核数据结构信息。
• 不应该将非kmalloc返回的指针传递个kfree，但是将NULL传递给kfree是合法的