Linux的设备管理

• 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。

• 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

1. Linux设备的分类

• 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。

2. 设备驱动程序

• 系统对设备的控制和操作是由设备驱动程序完成的。

• 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。。

• 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。

• 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

• 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。

• 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。

• 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）。

• 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 < LP_CHAR(minor));

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

• 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

• 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。