linux驅(qū)動程序編寫基礎(chǔ).ppt

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Linux操作系統(tǒng)分析與實(shí)踐第七講：Linux驅(qū)動程序編寫基礎(chǔ),《Linux操作系統(tǒng)分析與實(shí)踐》課程建設(shè)小組北京大學(xué)二零零八年春季*致謝：感謝Intel對本課程項(xiàng)目的資助,本講主要內(nèi)容,Linux內(nèi)核模塊中斷和中斷處理下半部,Linux內(nèi)核模塊,Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核是單一體系結(jié)構(gòu)（monolithickernel）有了模塊機(jī)制后，提高Linux操作系統(tǒng)的可擴(kuò)充性，內(nèi)核編程不再是一個惡夢什么是模塊呢？模塊的全稱是“動態(tài)可加載內(nèi)核模塊”（LoadableKernelModule，LKM）模塊在內(nèi)核空間運(yùn)行模塊實(shí)際上是一種目標(biāo)對象文件沒有鏈接，不能獨(dú)立運(yùn)行，但是其代碼可以在運(yùn)行時鏈接到系統(tǒng)中作為內(nèi)核的一部分運(yùn)行或從內(nèi)核中取下，從而可以動態(tài)擴(kuò)充內(nèi)核的功能這種目標(biāo)代碼通常由一組函數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成,Linux內(nèi)核模塊的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)使得內(nèi)核更加緊湊和靈活修改內(nèi)核時，不必全部重新編譯整個內(nèi)核。系統(tǒng)如果需要使用新模塊，只要編譯相應(yīng)的模塊，然后使用insmod將模塊裝載即可模塊的目標(biāo)代碼一旦被鏈接到內(nèi)核，它的作用域和靜態(tài)鏈接的內(nèi)核目標(biāo)代碼完全等價缺點(diǎn)由于內(nèi)核所占用的內(nèi)存是不會被換出的，所以鏈接進(jìn)內(nèi)核的模塊會給整個系統(tǒng)帶來一定的性能和內(nèi)存利用方面的損失;裝入內(nèi)核的模塊就成為內(nèi)核的一部分，可以修改內(nèi)核中的其他部分，因此，模塊的使用不當(dāng)會導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰;為了讓內(nèi)核模塊能訪問所有內(nèi)核資源，內(nèi)核必須維護(hù)符號表，并在裝入和卸載模塊時修改符號表;模塊會要求利用其它模塊的功能，所以，內(nèi)核要維護(hù)模塊之間的依賴性.,Linux內(nèi)核模塊與應(yīng)用程序的區(qū)別,C語言程序Linux內(nèi)核模塊運(yùn)行用戶空間內(nèi)核空間入口main()module_init()指定;出口無module_exit()指定;編譯gcc–cMakefile連接ldinsmod運(yùn)行直接運(yùn)行insmod調(diào)試gdbkdbug,kdb,kgdb等,,,,,模塊相關(guān)命令,insmod[moduleparameters]Loadthemodule注意，只有超級用戶才能使用這個命令RmmodUnloadthemodulelsmodListallmodulesloadedintothekernel這個命令和cat/proc/modules等價modprobe[-r]–Loadthemodulespecifiedandmodulesitdepends,模塊依賴,一個模塊A引用另一個模塊B所導(dǎo)出的符號，我們就說模塊B被模塊A引用。如果要裝載模塊A，必須先要裝載模塊B。否則，模塊B所導(dǎo)出的那些符號的引用就不可能被鏈接到模塊A中。這種模塊間的相互關(guān)系就叫做模塊依賴。,最簡單的內(nèi)核模塊例子,#include#include#includestaticint__inithello_init(void){printk(KERN_INFO"Helloworld\n");return0;}staticvoid__exithello_exit(void){printk(KERN_INFO"Goodbyeworld\n");}module_init(hello_init);module_exit(hello_exit);,staticint__inithello_init(void)staticvoid__exithello_exit(void)Static聲明，因?yàn)檫@種函數(shù)在特定文件之外沒有其它意義__init標(biāo)記,該函數(shù)只在初始化期間使用。模塊裝載后，將該函數(shù)占用的內(nèi)存空間釋放__exit標(biāo)記該代碼僅用于模塊卸載。Init/exit宏：module_init/module_exit聲明模塊初始化及清除函數(shù)所在的位置裝載和卸載模塊時，內(nèi)核可以自動找到相應(yīng)的函數(shù)module_init(hello_init);module_exit(hello_exit);,編譯內(nèi)核模塊,Makefile文件obj-m:=hello.oall:make-C/lib/modules/$(shelluname-r)/buildM=$(shellpwd)modulesclean:make-C/lib/modules/$(shelluname-r)/buildM=$(shellpwd)cleanModuleincludesmorefilesobj-m:=hello.ohello-objs:=a.ob.o,裝載和卸載模塊,相關(guān)命令lsmodinsmodhello.kormmodhello.ko,模塊參數(shù)傳遞,有些模塊需要傳遞一些參數(shù)參數(shù)在模塊加載時傳遞#insmodhello.kotest=2參數(shù)需要使用module_param宏來聲明module_param的參數(shù)：變量名稱，類型以及訪問許可掩碼支持的參數(shù)類型Byte,short,ushort,int,uint,long,ulong,bool,charpArray(module_param_array(name,type,nump,perm)),#include#include#include#includestaticinttest;module_param(test,int,0644);staticint__inithello_init(void){printk(KERN_INFO“Helloworldtest=%d\n”,test);return0;}staticvoid__exithello_exit(void){printk(KERN_INFO"Goodbyeworld\n");}MODULE_LICENSE("GPL");MODULE_DESCRIPTION("Test");MODULE_AUTHOR("xxx");module_init(hello_init);module_exit(hello_exit);,導(dǎo)出符號表,如果一個模塊需要向其他模塊導(dǎo)出符號（方法或全局變量），需要使用：EXPORT_SYMBOL(name);EXPORT_SYMBOL_GPL(name);*注意：符號必須在模塊文件的全局部分導(dǎo)出，不能在函數(shù)部分導(dǎo)出。更多信息可參考文件Modules僅可以使用由Kernel或者其他Modules導(dǎo)出的符號不能使用Libc/proc/kallsyms可以顯示所有導(dǎo)出的符號,內(nèi)核模塊操作/proc文件,/proc文件系統(tǒng)，這是內(nèi)核模塊和系統(tǒng)交互的兩種主要方式之一。/proc文件系統(tǒng)也是Linux操作系統(tǒng)的特色之一。/proc文件系統(tǒng)不是普通意義上的文件系統(tǒng)，它是一個偽文件系統(tǒng)。通過/proc，可以用標(biāo)準(zhǔn)Unix系統(tǒng)調(diào)用(比如open()、read()、write()、ioctl()等等)訪問進(jìn)程地址空間可以用cat、more等命令查看/proc文件中的信息。用戶和應(yīng)用程序可以通過/proc得到系統(tǒng)的信息，并可以改變內(nèi)核的某些參數(shù)。當(dāng)調(diào)試程序或者試圖獲取指定進(jìn)程狀態(tài)的時候，/proc文件系統(tǒng)將是你強(qiáng)有力的支持者。通過它可以創(chuàng)建更強(qiáng)大的工具，獲取更多信息。,/proc相關(guān)函數(shù),create_proc_entry()創(chuàng)建一個文件proc_symlink()創(chuàng)建符號鏈接proc_mknod()創(chuàng)建設(shè)備文件proc_mkdir()創(chuàng)建目錄remove_proc_entry()刪除文件或目錄,Linux2.6內(nèi)核中有關(guān)模塊部分的改變,模塊引用計數(shù)器Linux2.4中在linux/module.h中定義了三個宏來維護(hù)實(shí)用計數(shù)：__MOD_INC_USE_COUNT當(dāng)前模塊計數(shù)加一__MOD_DEC_USE_COUNT當(dāng)前模塊計數(shù)減一__MOD_IN_USE計數(shù)非0時返回真在Linux2.6中，模塊引用計數(shù)器由系統(tǒng)自動維護(hù)，所以程序中有關(guān)這些宏都可以注釋掉。關(guān)于符號導(dǎo)出列表（listofexportedsymbols）Linux2.4中會用EXPORT_NO_SYMBOLS宏，來表示不想導(dǎo)出任何變量或函數(shù)。在Linux2.6中這個宏也已經(jīng)消失。系統(tǒng)默認(rèn)為不導(dǎo)出任何變量或函數(shù)。,模塊程序編譯方法的改變Linux2.4中命令為：gcc–Wall–DMODULE–D__KERNEL__-DLINUX–c源文件名.c其中：__KERNEL__：即告訴頭文件這些代碼將在內(nèi)核模式下運(yùn)行MODULE：即告訴頭文件要給出適當(dāng)?shù)膬?nèi)核模塊的定義LINUX：并非必要-Wall：顯示所有warning信息。Linux2.6中必須寫makefile。通過make命令編譯程序。Linux2.6中makefile的寫法：（以helloworld為例）//Makefileobj-m+=hello.oall:make-C/lib/modules/$(shelluname-r)/buildM=$(PWD)modulesclean:make-C/lib/modules/$(shelluname-r)/buildM=$(PWD)clean*注意：all下一行需要有一個“Tab”鍵，不要寫成空格或略去，不然系統(tǒng)無法識別，報錯：nothingtobedonefor“all”。,用以加載的目標(biāo)文件類型已經(jīng)改變Linux2.4中用以加載為模塊的目標(biāo)文件擴(kuò)展名為.oLinux2.6中中用以加載為模塊的目標(biāo)文件擴(kuò)展名為.ko在Linux2.4中，函數(shù)init_module()和函數(shù)cleanup_module()是必不可少的；而在Linux2.6中，同樣功能的函數(shù)并非一定要起這兩個函數(shù)名。,Lab模塊編程,WriteTwoModule:Module1:HelloWorldModule.Load/unloadthemodulecanoutputsomeinfo.Module2:Moduleacceptsaparameter.Loadthemodule,outputtheparametersvalue.ModifyModule1andModule2,letModule1exportssymbols,Module2usethesymbols.*注：詳見實(shí)驗(yàn)指導(dǎo),二、中斷和中斷處理程序,中斷處理的基本過程Whenreceivinganinterrupt,CPUprogramcounterjumpstoapredefinedaddress(interruptvectors)ThestateofinterruptedprogramissavedThecorrespondingserviceroutineisexecutedTheinterruptingcomponentisserved,andinterruptsignalisremovedThestateofinterruptedprogramisrestoredResumetheinterruptedprogramattheinterruptedaddress,中斷描述符表IDT,中斷描述符表是一個系統(tǒng)表，它與每一個中斷或者異常向量相聯(lián)系每個向量在表中有相應(yīng)的中斷或者異常處理程序的入口地址。每個描述符8個字節(jié)，共256項(xiàng)，占用空間2KB內(nèi)核在允許中斷發(fā)生前，必須適當(dāng)?shù)某跏蓟疘DTCPU的idtr寄存器指向IDT表的物理基地址,Interruptvectorsonx86,初始化IDT,Linux內(nèi)核在系統(tǒng)的初始化階段要初始化可編程控制器8259A；將中斷描述符表的起始地址裝入IDTR寄存器，并初始化表中的每一項(xiàng)當(dāng)計算機(jī)運(yùn)行在實(shí)模式時IDT被初始化，并由BIOS使用。真正進(jìn)入了Linux內(nèi)核IDT就被移到內(nèi)存的另一個區(qū)域，并為進(jìn)入保護(hù)模式進(jìn)行預(yù)初始化,中斷處理程序,注冊中斷處理程序intrequest_irq(unsignedintirq,irq_handler_t*handler,longirqflags,constchar*devname,void*dev_id)釋放中斷處理程序intfree_irq(unsignedintirq,void*dev_id)編寫中斷處理程序intirqreturn_thandler(intirq,void*dev_id,structpt_regs*regs);共享的中斷處理程序register_irq()withSA_SHIRQflagTheregistrationfailsifotherhandleralreadyregisterthesameIRQwithoutSA_SHIRQflagThedev_idargumentmustbeuniquetoeachhandlerTheinterrupthandlermustbeabletofindoutwhetheritsdeviceactuallygenerateaninterruptHardwaremustprovideastatusregisterforinquiry,,中斷上下文,當(dāng)執(zhí)行中斷處理程序或下半部時,內(nèi)核處于中斷上下文中斷上下文不同于進(jìn)程上下文中斷或異常處理程序執(zhí)行的代碼不是一個進(jìn)程它是一個內(nèi)核控制路徑，代表了中斷發(fā)生時正在運(yùn)行的進(jìn)程執(zhí)行,作為一個進(jìn)程的內(nèi)核控制路徑，中斷處理程序比一個進(jìn)程要“輕”(中斷上下文只包含了很有限的幾個寄存器，建立和終止這個上下文所需要的時間很少)中斷上下文不可以睡眠,也不能調(diào)用某些函數(shù),具有較為嚴(yán)格的時間限制,解決辦法：中斷處理劃分為上半部分和下半部分上半部:（中斷處理程序）內(nèi)核立即執(zhí)行Simpleandfast,dealingwithtime-criticalhardwaretasksE.g.packetstransmissionandreceiving下半部：留著稍后處理DeferringworktoalaterpointwhereinterruptscanbeenabledProcessingtime-consumingandmaybesoftware-onlytasksEworkprotocolsprocessing,下半部及推后執(zhí)行的工作,中斷處理程序的局限中斷處理程序必須非?？焖俳Y(jié)束來避免打斷其他重要代碼的執(zhí)行中斷實(shí)時任務(wù)或其他中斷處理程序當(dāng)前IRQ被屏蔽或者CPU上所有的IRQ被屏蔽（如果設(shè)置了SA_INTERRUPT）運(yùn)行在中斷上下文（不是運(yùn)行在進(jìn)程上下文），不能被阻塞,BH2.6中去除taskqueue(任務(wù)隊(duì)列)2.6中去除軟中斷(softirq)2.4引入Tasklet2.4引入工作隊(duì)列(workqueue)2.4引入,下半部的環(huán)境,下半部可以通過多種機(jī)制實(shí)現(xiàn)，分別由不同的接口和子系統(tǒng)組成BH接口靜態(tài)創(chuàng)建由32個Bottomhalf組成的鏈表Taskqueue任務(wù)隊(duì)列機(jī)制軟中斷Tasklet工作隊(duì)列,SoftIRQ（軟中斷）,在編譯期間靜態(tài)分配的Only32softIRQscanexistonly6currentlyused.由softirq_action結(jié)構(gòu)表示：structsoftirq_action{void(*action)(structsoftirq_action*);//待執(zhí)行的函數(shù)void*data;//傳給函數(shù)的參數(shù)};中定義了一個包含32個該結(jié)構(gòu)體的數(shù)組staticstructsoftirq_actionsoftirq_vec[32];,6個當(dāng)前使用的SoftIRQs,include/linux/interrupt.h109enum110{111HI_SOFTIRQ=0,112TIMER_SOFTIRQ,113NET_TX_SOFTIRQ,114NET_RX_SOFTIRQ,115BLOCK_SOFTIRQ,116TASKLET_SOFTIRQ117};,軟中斷處理程序,注冊軟中斷處理程序(kernel/softirq.c)205voidopen_softirq(intnr,void(*action)(structsoftirq_action*),void*data)206{207softirq_vec[nr].data=data;208softirq_vec[nr].action=action;209}當(dāng)軟中斷處理程序運(yùn)行時，當(dāng)前處理器上的軟中斷被禁止。其它處理器仍可以執(zhí)行別的軟中斷。引入軟中斷的原因就是其可擴(kuò)展性。如果不需要擴(kuò)展到多個處理器，那么就使用tasklet.軟中斷不能睡眠。,raise_softirq,調(diào)用open_softirq()進(jìn)行注冊后，新的軟中斷就可以運(yùn)行了。調(diào)用raise_softirq()可以將一個軟中斷設(shè)置為掛起狀態(tài)，使它在下一次調(diào)用do_softirq()函數(shù)投入運(yùn)行。,do_softirq,在下列地方，待處理的軟中斷會被檢查和執(zhí)行從一個硬件中斷代碼處返回時在ksoftirqd內(nèi)核線程中在那些顯式檢查和執(zhí)行待處理的軟中斷的代碼中。無論什么方式，軟中斷都要在do_softirq()中執(zhí)行。遍歷每一個軟中斷，調(diào)用他們的處理程序。,Tasklets,Tasklets是利用軟中斷實(shí)現(xiàn)的一種下半部機(jī)制。Tasklet結(jié)構(gòu)體structtasklet_struct{structtasklet_struct*next;/*隊(duì)列指針*/unsignedlongstate;/*tasklet的狀態(tài)*/atomic_tcount;/*引用計數(shù)，通常用1表示disabled*/void(*func)(unsignedlong);/*函數(shù)指針*/unsignedlongdata;/*func(data)*/};,在軟中斷中相關(guān)的向量:softirq_vec[HI_SOFTIRQ]softirq_vec[TASKLET_SOFTIRQ]觸發(fā)（激活、調(diào)度）tasklet:HI:tasklet_hi_schedule()TASKLET:tasklet_schedule()通過do_softirq()調(diào)度tasklet的運(yùn)行HIaction:tasklet_hi_action()TASKLETaction:tasklet_action(),Tasklet實(shí)現(xiàn)的軟中斷向量表,使用tasklet,大多數(shù)情況下，tasklet機(jī)制是實(shí)現(xiàn)下半部的最佳選擇編寫tasklet處理程序聲明tasklet調(diào)度tasklet編寫tasklet處理程序定義一個小任務(wù)的處理函數(shù)并把用戶的代碼寫到其中。voidmy_tasklet_fun(unsignedlong){用戶代碼；},聲明takslet使用DECLARE_TASKLET()宏DECLARE_TASKLET(my_tasklet,my_tasklet_func,data);調(diào)用tasklet_schedule()函數(shù)系統(tǒng)會在適當(dāng)?shù)臅r候調(diào)度并運(yùn)行這個tasklet.tasklet_schedule(,工作隊(duì)列(workqueue),工作隊(duì)列使用內(nèi)核線程來執(zhí)行驅(qū)動中需延遲執(zhí)行的工作(BottomHalf),這些內(nèi)核線程被稱為工作線程。在Linux2.6內(nèi)核中,系統(tǒng)除了提供默工作認(rèn)線程來幫助驅(qū)動方便的執(zhí)行延遲操作，還允許驅(qū)動自己產(chǎn)生自定義的工作線程來執(zhí)行某些特殊的延遲工作。默認(rèn)工作線程被稱作events/n,其中n為CPU個數(shù),也就是說,每個CPU都有一個默認(rèn)工作線程。一般情況下,大多數(shù)驅(qū)動都使用默認(rèn)工作線程來執(zhí)行自己的Bottom-Half工作。某些情況下,驅(qū)動產(chǎn)生自己的自定義工作線程可以滿足更高的性能要求,并可以減輕默認(rèn)工作線程的負(fù)擔(dān)。,工作線程,每種類型的工作線程都有一個這樣的結(jié)構(gòu)與其關(guān)聯(lián)。它有一個重要的成員CPU_wq,即元素類型為CPUworkqueue_struct的數(shù)組,表示系統(tǒng)中的每個CPU都有自己的工作線程假設(shè)需要在有2個CPU的計算機(jī)上創(chuàng)建類型為myworker的工作線程,則系統(tǒng)除了有2個類型為events的默認(rèn)工作線程外,還有2個類型為myworker的工作線程,每一個events或myworker都有一個CPU_workqueue_struct結(jié)構(gòu)與之關(guān)聯(lián)。structworkqueue_struct{structCPU_workqueue_structCPU_wq[NR_CPUS];constchar*name;structlist_headlist;},structCPU_workqueue_struct{spinlock_tlock;/*lockprotectingthisstructure*/longremove_sequence;/*least-recentlyadded(nexttorun)*/longinsert_sequence;/*nexttoadd*/structlist_headworklist;/*該CPU上的所需處理的工作隊(duì)列*/wait_queue_head_tmore_work;wait_queue_head_twork_done;structworkqueue_struct*wq;/*所屬的workqueue_struct,*/task_t*thread;/*所關(guān)聯(lián)的工作線程,*/intrun_depth;/*run_workqueue()recursiondepth*/},工作單元,每個CPU的同一類型工作單元被連接成一個工作隊(duì)列work_struct用來表示每一個需要被延遲處理的工作單元。structwork_struct{unsignedlongpending;/*isthisworkpending?*/structlist_headentry;/*linklistofallwork*/void(*func)(void*);/*handlerfunction*/void*data;/*argumenttohandler*/void*wq_data;/*usedinternally*/structtimer_listtimer;/*timerusedbydelayedworkqueues*/},worker_thread()線程函數(shù),所有的工作線程都是普通內(nèi)核線程，使用worker_thread()作為線程函數(shù)該線程函數(shù)在進(jìn)行一段初始化操作后便進(jìn)入無限循環(huán),并睡眠等待。當(dāng)有需處理的延遲工作被加入到工作隊(duì)列中時,該線程函數(shù)被喚醒并循環(huán)處理對應(yīng)工作隊(duì)列中的每一個工作單元;當(dāng)工作隊(duì)列中沒有工作單元需要被處理時,它又重新進(jìn)入睡眠狀態(tài),等待下一次的喚醒。主要任務(wù)就是遍歷工作隊(duì)列上所有需要被處理的工作單元,如果隊(duì)列非空,則調(diào)用run_workqueue()處理具體的延遲工作。通過list_entry取得每一個工作單元的work_struct結(jié)構(gòu),并以work->data為參數(shù)調(diào)用其具體處理函數(shù)work->func()。閱讀代碼/kernel/workqueue.c?v=2.6.17.13#L188,使用工作隊(duì)列,驅(qū)動為需要延遲處理的工作建立一work_struct結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)即為工作單元,它還包含一函數(shù)指針用來處理具體的延遲工作;該工作單元被添加到當(dāng)前CPU的默認(rèn)工作線程或自定義工作線程的工作隊(duì)列中等待處理在某一時刻,工作線程被喚醒,它將循環(huán)處理工作隊(duì)列中的每一個工作單元。,使用系統(tǒng)中的默認(rèn)工作隊(duì)列,首先,要為需要延遲處理的工作單元建立一個work_struct結(jié)構(gòu)內(nèi)核提供了下面2個宏來方便地建立該結(jié)構(gòu):DECLARE_WORK(name,void(*func)(void*),void*data);//靜態(tài)創(chuàng)建INIT_WORK(structwork_struct*work,void(*func)(void*),void*data)//動態(tài)初始化將該結(jié)構(gòu)放入到默認(rèn)工作線程的工作隊(duì)列中去,內(nèi)核提供以下2個宏操作:schedule_work(work);schedule_delayed_work(work,delay)。這2個宏操作的主要區(qū)別就在于一個是立即被調(diào)度,一個是延遲delay個時鐘周期后被調(diào)度。,使用自定義工作隊(duì)列,創(chuàng)建工作線程使用structworkqueue_struct*create_workqueue(constchar*name)。其中,name為該類型工作工作線程的名字創(chuàng)建類型為myworker的工作線程的代碼如下:structworkqueue_struct*myworker;myworker=create_workqueue(“myworker”)。將work_struct加入到自定義工作線程的工作隊(duì)列中可以采用以下接口:intqueue_work(structworkqueue_struct*wq,structwork_struct*work);intqueue_delayed_work(structworkqueue_struct*wq,structwork_struct*work,unsignedlongdelay)。,Q&A,本講結(jié)束！,