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）有了模塊機制后，提高Linux操作系統(tǒng)的可擴充性，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)核空間運行模塊實際上是一種目標對象文件沒有鏈接，不能獨立運行，但是其代碼可以在運行時鏈接到系統(tǒng)中作為內(nèi)核的一部分運行或從內(nèi)核中取下，從而可以動態(tài)擴充內(nèi)核的功能這種目標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)點與缺點,優(yōu)點使得內(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)核目標代碼完全等價缺點由于內(nèi)核所占用的內(nèi)存是不會被換出的，所以鏈接進內(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運行直接運行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，因為這種函數(shù)在特定文件之外沒有其它意義__init標記,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，可以用標準Unix系統(tǒng)調(diào)用(比如open()、read()、write()、ioctl()等等)訪問進程地址空間可以用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程狀態(tài)的時候，/proc文件系統(tǒng)將是你強有力的支持者。通過它可以創(chuàng)建更強大的工具，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實用計數(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，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”。,用以加載的目標文件類型已經(jīng)改變Linux2.4中用以加載為模塊的目標文件擴展名為.oLinux2.6中中用以加載為模塊的目標文件擴展名為.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：詳見實驗指導(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，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當(dāng)計算機運行在實模式時IDT被初始化，并由BIOS使用。真正進入了Linux內(nèi)核IDT就被移到內(nèi)存的另一個區(qū)域，并為進入保護模式進行預(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程上下文中斷或異常處理程序執(zhí)行的代碼不是一個進程它是一個內(nèi)核控制路徑，代表了中斷發(fā)生時正在運行的進程執(zhí)行,作為一個進程的內(nèi)核控制路徑，中斷處理程序比一個進程要“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）運行在中斷上下文（不是運行在進程上下文），不能被阻塞,BH2.6中去除taskqueue(任務(wù)隊列)2.6中去除軟中斷(softirq)2.4引入Tasklet2.4引入工作隊列(workqueue)2.4引入,下半部的環(huán)境,下半部可以通過多種機制實現(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)隊列機制軟中斷Tasklet工作隊列,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展性。如果不需要擴展到多個處理器，那么就使用tasklet.軟中斷不能睡眠。,raise_softirq,調(diào)用open_softirq()進行注冊后，新的軟中斷就可以運行了。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是利用軟中斷實現(xiàn)的一種下半部機制。Tasklet結(jié)構(gòu)體structtasklet_struct{structtasklet_struct*next;/*隊列指針*/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的運行HIaction:tasklet_hi_action()TASKLETaction:tasklet_action(),Tasklet實現(xiàn)的軟中斷向量表,使用tasklet,大多數(shù)情況下，tasklet機制是實現(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)度并運行這個tasklet.tasklet_schedule(,工作隊列(workqueue),工作隊列使用內(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都有一個默認工作線程。一般情況下,大多數(shù)驅(qū)動都使用默認工作線程來執(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,并可以減輕默認工作線程的負擔(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)在進行一段初始化操作后便進入無限循環(huán),并睡眠等待。當(dāng)有需處理的延遲工作被加入到工作隊列中時,該線程函數(shù)被喚醒并循環(huán)處理對應(yīng)工作隊列中的每一個工作單元;當(dāng)工作隊列中沒有工作單元需要被處理時,它又重新進入睡眠狀態(tài),等待下一次的喚醒。主要任務(wù)就是遍歷工作隊列上所有需要被處理的工作單元,如果隊列非空,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的默認工作線程或自定義工作線程的工作隊列中等待處理在某一時刻,工作線程被喚醒,它將循環(huán)處理工作隊列中的每一個工作單元。,使用系統(tǒng)中的默認工作隊列,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)放入到默認工作線程的工作隊列中去,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！,