Linux的设备管理

hrz2008

Linux的设备管理

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  Linux的设备管理的主要任务是控制设备完成输入输出操作，所以又称输入输出（I/O）子系统。
  

• 
  它的任务是把各种设备硬件的复杂物理特性的细节屏蔽起来，提供一个对各种不同设备使用统一方式进行操作的接口。
  

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  Linux把设备看作是特殊的文件，系统通过处理文件的接口—虚拟文件系统VFS来管理和控制各种设备。
  

§6.1 设备管理概述

Linux设备的分类

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  设备被分为三类，块设备、字符设备和网络设备。
  

• 
  字符设备是以字符为单位输入输出数据的设备，一般不需要使用缓冲区而直接对它进行读写。
  

• 
  块设备是以一定大小的数据块为单位输入输出数据的，一般要使用缓冲区在设备与内存之间传送数据。
  

• 
  网络设备是通过通信网络传输数据的设备，一般指与通信网络连接的网络适配器（网卡）等。
  

Linux使用套接口(socket)以文件I/O方式提供了对网络数据的访问。

设备驱动程序

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  系统对设备的控制和操作是由设备驱动程序完成的。
  

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  设备驱动程序是由设备服务子程序和中断处理程序组成。设备服务子程序包括了对设备进行各种操作的代码，中断处理子程序处理设备中断。
  

• 
  设备驱动程序的主要功能是：
  

• 
  对设备进行初始化
  
• 
  启动或停止设备的运行
  
• 
  把设备上的数据传送到内存
  
• 
  把数据从内存传送到设备
  
• 
  检测设备状态
  

• 
  驱动程序是与设备相关的。
  

• 
  驱动程序的代码由内核统一管理，
  

• 
  驱动程序在具有特权级的内核态下运行。
  

• 
  设备驱动程序是输入输出子系统的一部分。
  

• 
  驱动程序是为某个进程服务的，其执行过程仍处在进程运行的过程中，即处于进程上下文中。
  

• 
  若驱动程序需要等待设备的某种状态，它将阻塞当前进程，把进程加入到该种设备的等待队列中。。
  

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  Linux的驱动程序分为两个基本类型：字符设备驱动程序和块设备驱动程序。
  

三．设备的识别

• 
  对设备的识别使用设备类型、主设备号、次设备号
  
• 
  设备类型：字符设备还是块设备。
  

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  按照设备使用的驱动程序不同而赋予设备不同的主设备号。主设备号是与驱动程序一一对应的，
  

• 
  同时还使用次设备号来区分一种设备中的各个具体设备。次设备号用来区分使用同一个驱动程序的个体设备。
  

• 
  例如，系统中的块设备IDE硬盘的主设备号是8，
  

而多个SCSI硬盘及其各个分区分别赋予次设备号1、2、3…。
[root@localhost /]# ls /dev/sda* -l
brw-r----- 1 root disk 8, 0 11-07 12:31 /dev/sda
brw-r----- 1 root disk 8, 1 11-07 12:31 /dev/sda1
brw-r----- 1 root disk 8, 2 11-07 12:31 /dev/sda2

四．设备文件

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  Linux设备管理的基本特点是把物理设备看成文件，采用处理文件的接口和系统调用来管理控制设备。
  

• 
  从抽象的观点出发，Linux的设备又称为设备文件。
  

• 
  设备文件也有文件名，设备文件名一般由两部分组成
  

• 
  第一部分2～3个字符，表示设备的种类，如串口设备是cu，并口设备是lp，IDE普通硬盘是hd，SCIS硬盘是sd，软盘是fp等。
  

• 
  第二部分通常是字母或数字，用于区分同种设备中的单个设备，如hda、hdb、hdc…分别表示第一块、第二块、第三块IED硬盘。而hda1、hda2…表示第一块硬盘中的第一、第二个磁盘分区。
  

• 
  设备文件一般置于/dev目录下，如/dev/hda2、/dev/lp0等。
  

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  Linux使用虚拟文件系统VFS做为统一的操作接口来处理文件和设备。
  

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  与普通的目录和文件一样，每个设备也使用一个VFSinode来描述，其中包含着该种设备的主、次设备号。
  

• 
  对设备的操作也是通过对文件操作的file_operations结构体来调用驱动程序的设备服务子程序。
  

• 
  例如，当进程要求从某个设备上输入数据时，由该设备的
  

file_operations结构体得到服务子程序的操作函数入口，然后调用其中的read()函数完成数据输入操作。

• 
  同样，使用file_operations中的open()、close()、write()
  

分别完成对设备的启动、停止设备运行，向设备输出数据的操作。
§6.2 Linux的I/O控制
Linux的I/O控制方式有三种：查询等待方式、
中断方式和DMA(内存直接存取)方式.
一．查询等待方式

• 
  查询等待方式又称轮询方式（polling mode）。
  

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  对于不支持中断方式的机器只能采用这种方式来控制I/O过程，所以Linux中也配备了查询等待方式。
  

• 
  例如，并行接口的驱动程序中默认的控制方式就是查询等待方式。
  

• 
  如函数lp_char_polled()就是以查询等待方式向与并口连接的设备输出一个字符。
  

static inline int lp_char_polled(char lpchar, int minor)
{
int status, wait = 0;
unsigned long count = 0;
struct lp_stats *stats;
do { /* 查询等待循环 */
status = LP_S(minor);
count ++;
if(need_resched)
schedule();
} while(!LP_READY(minor,status) && count
if (count == LP_CHAR(minor)) { /* 超时退出 */
return 0;
}
outb_p(lpchar, LP_B(minor)); /* 向设备输出字符 */
　　．
　　　．
二．中断方式

• 
  在硬件支持中断的情况下，驱动程序可以使用中断方式控制I/O过程。
  

• 
  对I/O过程控制使用的中断是硬件中断，当某个设备需要服务时就向CPU发出一个中断脉冲信号，CPU接收到信号后根据中断请求号IRQ启动中断服务例程。
  

• 
  在中断方式中，Linux设备管理的一个重要任务就是在CPU接收到中断请求后，能够执行该设备驱动程序的中断服务例程。
  

• 
  为此，Linux设置了名字为irq_action的中断例程描述符表：
  

static struct irqaction *irq_action[NR_IRQS+1];

• 
  NR_IRQS表示中断源的数目。
  
• 
  irq_action［］是一个指向irqaction结构的指针数组，它指向的irqaction结构是各个设备中断服务例程的描述符。
  

struct irqaction {
void (*handler)(int, void *, struct pt_regs *);　/* 指向中断服务例程 */
unsigned long flags; /* 中断标志 */
unsigned long mask; /* 中断掩码 */
void *dev_id; /*
struct irqaction *next; /* 指向下一个描述符 */
};

• 
  在驱动程序初始化时，调用函数request_irq（）建立该驱动程序
  

的irqaction结构体，并把它登记到irq_action[]数组中。

• 
  request_irq（）函数的原型如下：
  

int request_irq(unsigned int irq,
void (*handler)(int, void *, struct pt_regs *),
unsigned long irqflags,
const char * devname,
void *dev_id);

• 
  参数irq是设备中断求号，在向irq_action[]数组登记时，它做为数组的下标。
  

• 
  把中断号为irq的irqaction结构体的首地址写入irq_action[irq]。这样就把设备的中断请求号与该设备的服务例程联系在一起了。
  

• 
  当
  
  CPU接收到中断请求后，根据中断号就可以通过irq_action[]找到该设备的中断服务例程。
  

§6.3 字符设备与块设备管理

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  在Linux中，一个设备在使用之前必须向系统进行注册，设备注册是在设备初始化时完成的。
  

一．字符设备管理

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  在系统内核保持着一张字符设备注册表，每种字符设备占用一个表项。
  

• 
  字符设备注册表是结构数组chrdevs[]：
  

#define MAX_CHRDEV 128
static struct device_struct chrdevs[MAX_CHRDEV];

• 
  注册表的表项是device_struct结构：
  

struct device_struct {
const char * name; /* 指向设备名字符串 */
struct file_operations * fops; /* 指向文件操作函数的指针 */
};

• 
  在字符设备注册表中，每个表项对应一种字符设备的驱动程序。所以字符设备注册表实质上是驱动程序的注册表。
  

• 
  使用同一个驱动程序的每种设备有一个唯一的主设备号。所以注册表的每个表项与一个主设备号对应。
  

• 
  在Linux中正是使用主设备号来对注册表数组进行索引， 即chrdevs[]数组的下标值就是主设备号。
  

• 
  device_struct结构中有指向file_operations结构的指针f_ops。file_operations结构中的函数指针指向设备驱动程序的服务例程。
  

• 
  在
  
  打开一个设备文件时，由主设备号就可以找到设备驱动程序。
  

二．块设备管理

• 
  块设备在使用前也要向系统注册。
  

• 
  块设备注册在系统的块设备注册表中,块设备注册表是结构数组blkdevs[]
  

• 
  它的元素也是device_struct结构
  

static struct device_struct blkdevs[MAX_BLKDEV]

• 
  在块设备注册表中，每个表项对应一种块设备，
  

• 
  注册表blkdevs[]数组的的下标是主设备号。
  

• 
  块设备是以块为单位传送数据的，设备与内存之间的数据传送必须经过缓冲。
  

• 
  当对设备读写时，首先把数据置于缓冲区内，应用程序需要的数据由系统在缓冲区内读写。
  

• 
  只有在缓冲区内已没有要读的数据，或缓冲区已满而无写入的空间时，才启动设备控制器进行设备与缓冲区之间的数据交换。
  

• 
  设备与缓冲区的数据交换是通过blk_dev[]数组实现的：
  

struct blk_dev_struct blk_dev[MAX_BLKDEV];

• 
  每个块设备对应数组中的一项，数组的下标值与主设备号对应。
  

• 
  数组元素是blk_dev_struct结构：
  

struct blk_dev_struct {
void (*request_fn)(void);
struct request * current_request;
struct request plug;
struct tq_struct plug_tq;
};
request_fn ：指向设备读写请求函数的指针
current_request：指向request结构的指针。
当缓冲区需要与设备进行数据交换时，
缓冲机制就在blk_dev_struct中加入一个request结构。
每个request结构对应一个缓冲区对设备的读写请求。
在request结构中有一个指向缓冲区信息的指针，
由它决定缓冲区的位置和大小等。





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