Linux操作系统分析 中国科学技术大学计算机系 陈香兰（0512－ ）

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1 Linux操作系统分析 中国科学技术大学计算机系 陈香兰（0512－87161312） xlanchen@ustc.edu.cn
助教：裴建国、冯晓静 Autumn 2008

2 管理I/O设备 中国科学技术大学计算机系 陈香兰（0512－87161312） xlanchen@ustc.edu.cn
助教：裴建国、冯晓静 Autumn 2008

3 I/O体系结构 总线：PC的CPU、RAM、I/O设备之间需要某些数据通路来保证信息的流动 总类：
ISA、 EISA、 VESA、PCI以及MCA等等 三种基本类型 数据总线（pentium，64位） 地址总线（pentium，32位） 控制总线 当总线用于CPU与I/O设备之间的连接时，成为I/O总线 2018/12/2 Linux OS Analysis

4 在x86处理器中，只使用了32位地址总线中的16位对I/O设备进行寻址
寻址范围？ 使用64位数据总线中的8、16、32位传送数据 I/O设备与CPU之间的连接层次为： CPUI/O端口I/O接口设备控制器 2018/12/2 Linux OS Analysis

5 PC的I/O体系结构 2018/12/2 Linux OS Analysis

6 I/O端口（I/O port） 每个I/O端口8位，由于只使用16位地址总线访问，因此I/O地址空间一共提供65536个I/O端口
特定的指令用来访问I/O端口：in，ins，out，outs I/O端口的另外一种访问方法 直接映射到物理地址空间 可以使用存储器操作指令，如mov，and，or等等 2018/12/2 Linux OS Analysis

7 I/O端口中的寄存器 命令 状态 输入数据 输出数据 2018/12/2 Linux OS Analysis

8 Linux中访问I/O端口的操作 inb、inw、inl inb_p、inw_p、inl_p outb、outw、outl
outb_p、outw_p、outl_p insb、insw、insl outsb、outsw、outsl 2018/12/2 Linux OS Analysis

9 I/O端口的分配 不同的设备使用各自不同的端口 内核使用资源信息来记录端口分配信息 一个资源表示I/O端口地址的一个范围
所有同种资源使用树形结构记录，ioport_resource。 一个较大范围可以进一步划分为子范围，使用兄弟链表表示 2018/12/2 Linux OS Analysis

10 相关的操作 2018/12/2 Linux OS Analysis

11 I/O接口 I/O接口是处于一组I/O端口和对应的设备控制器之间的一种硬件电路 专用I/O接口和通用I/O接口
连接到PIC上，代表设备发出中断请求 专用I/O接口和通用I/O接口 2018/12/2 Linux OS Analysis

12 专用I/O接口 专用于一个特定的硬件设备 键盘接口 图形接口 磁盘接口 总线鼠标接口 网络接口 2018/12/2
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13 通用I/O接口 现代PC都包含连接很多外部设备的几个通用I/O接口 并口：传输单位1个字节 串口：逐位传送 USB口 PCMCIA接口
SCSI接口 2018/12/2 Linux OS Analysis

14 设备控制器 复杂的设备需要一个设备控制器（device controller）来驱动 作用 典型的设备控制器，例如磁盘控制器
对I/O接口接收到的高级命令进行解释，并控制设备执行特定的操作 对从设备接收到的电信号进行解释和转换，并修改状态寄存器 典型的设备控制器，例如磁盘控制器 2018/12/2 Linux OS Analysis

15 I/O共享存储器 很多硬件设备都有自己的存储器，通常称之为I/O共享存储器（I/O Shared Memory），如显存
根据设备和总线类型的不同，可以在三个不同的物理地址范围之间进行映射 对于连接到ISA总线上的大多数设备 0xa0000~0xfffff 对于使用VESA局部总线的一些老设备（图形卡） 0xe00000~0xffffff（现在基本不生产） 2018/12/2 Linux OS Analysis

16 关于图形加速端口AGP（Accelerated Graphics Port）标准
对于连接到PCI总线的设备 映射到RAM物理地址的顶端 关于图形加速端口AGP（Accelerated Graphics Port）标准 是高性能图形卡的PCI增强版 不仅有I/O共享存储器，还能通过图形地址再映射表GART（Graphics Address Remapping Table）直接对主板的RAM部分进行寻址 2018/12/2 Linux OS Analysis

17 I/O共享存储器的访问 对于物理地址1M之内的I/O共享存储器访问 对于高端I/O共享存储器访问 直接访问3G以上的对应线性区间
addr+3G 对于高端I/O共享存储器访问 没有直接映射在3G以上的线性区间 需要为其创建一块非连续线性区，并将其映射到高端I/O共享存储器的物理地址上 ioremap/iounmap io_mem=ioremap(某个物理起始地址，长度） 访问io_mem+相对于起始地址的偏移处 2018/12/2 Linux OS Analysis

18 DMA（直接存储器访问，Direct Memory Access）
所有的PC都包含一个DMAC（DMA控制器） 一种辅助处理器 用来控制在RAM和I/O设备之间传送数据 设置并激活DMAC DMAC自行传送数据 数据传送结束后，DMAC发出一个中断请求 当CPU和DMAC并发访问同一个存储单元时，通过存储器仲裁器解决冲突 使用者：慢速设备 如，磁盘驱动器 2018/12/2 Linux OS Analysis

19 设备文件 Unix类操作系统都是基于文件概念的 文件是以字符序列而构成的信息载体，因此一个I/O设备也可以当作文件来处理
例如对/dev/lp0设备文件的write()可以将数据发往打印机 2018/12/2 Linux OS Analysis

20 设备文件的分类 根据设备驱动程序的基本特性，设备文件可以分为： 字符设备 块设备 数据可以被随机访问
在用户看来，访问任何位置的数据时间大致相同 典型例子：硬盘、软盘、CD-ROM、DVD播放器等 2018/12/2 Linux OS Analysis

21 字符设备 网络 要么不可以随机访问，例如声卡
如果可被随机访问（往往通过顺序访问方式实现），但随着数据的位置的不同，其访问时间会相差很大，例如磁带 网络 网卡不与文件相关联，使用专门的处理方式 2018/12/2 Linux OS Analysis

22 老式的设备文件 在Linux2.4中存在两种设备文件 老式的设备文件 Devfs设备文件 这是存放在文件系统中的实际文件
索引节点不对磁盘上的数据块编址，而是包含硬件设备的一个标识 每个设备文件包括： 名字、类型（字符/块） 设备号（主设备号：次设备号） 同一设备 驱动程序 不同设备 2018/12/2 Linux OS Analysis

23 mknod()系统调用用来创建老式的设备文件
设备文件名 设备号 16位， 主设备号:次设备号 操作权限和设备类型 其中设备类型指定： S_IFCHR或S_IFBLK 2018/12/2 Linux OS Analysis

24 设备文件通常包含在/dev目录中 一些设备文件的例子 2018/12/2 Linux OS Analysis

25 注意：字符设备与块设备具有独立的编号， 设备文件通常可以表示 例如，块设备(3,0)不同于字符设备(3,0)
一个硬件设备，例如磁盘/dev/hda 或硬件设备的某一物理或逻辑分区，例如磁盘分区/dev/hda2 或一个虚拟的逻辑设备（不会与任何硬件设备相关联），例如/dev/null代表一个“黑洞” 2018/12/2 Linux OS Analysis

26 对内核而言，一个设备文件的名字是无关紧要的，关键在于设备文件的类型及其主次设备号
如，建立一个设备文件/tmp/disk，其类型为块设备，设备号为（3，0），那么内核认为它与/dev/hda等价 2018/12/2 Linux OS Analysis

27 Devfs设备文件 使用主次设备号标识设备存在局限性 上述原因以及其他的一些因素综合起来，促使了devfs设备文件的产生
8位长的主次设备号不够用 上述原因以及其他的一些因素综合起来，促使了devfs设备文件的产生 Devfs虚拟文件系统允许设备驱动程序通过名字而不是主次设备号注册设备，例如 所有的磁盘可以放在/dev/disks目录下 /dev/hda/dev/disks/disc0 /dev/hdb/dev/disks/disc1 2018/12/2 Linux OS Analysis

28 使用devfs文件系统的I/O驱动程序通过调用devfs_register()注册设备 一个注册了的设备文件自动出现在devfs的虚拟目录下
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29 设备文件的VFS处理 进程访问普通文件时，通过文件系统访问磁盘分区中的数据块 当进程访问设备文件时，却可以驱动硬件设备 HOW？ VFS
例如，进程访问计算机上的温度计对应的设备文件获得温度 HOW？ VFS 2018/12/2 Linux OS Analysis

30 VFS VFS在设备文件打开时使用与设备相关的函数调用替换其缺省的文件操作 这些设备相关函数调用对硬件设备进行操作 2018/12/2
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31 设备驱动程序 这是一个软件层，使得硬件设备能够响应预定义好的编程接口，就是一组控制设备的VFS函数接口 上述函数的具体实现由设备驱动程序提供
open，read，lseek，ioctl等 上述函数的具体实现由设备驱动程序提供 此外设备驱动程序必须 首先注册并初始化自己 并在进行数据传送的时候监控I/O操作 2018/12/2 Linux OS Analysis

32 注册设备驱动程序 注册一个设备驱动程序意味着把它与对应的设备文件连接起来 访问一个没有注册设备驱动程序的设备文件将会返回错误码-ENODEV
使得对设备文件发出的系统调用可以由内核转化为相应的设备驱动程序对应的函数 访问一个没有注册设备驱动程序的设备文件将会返回错误码-ENODEV 2018/12/2 Linux OS Analysis

33 注册时机 如果设备驱动程序被静态编译进内核，则注册发生在内核初始化阶段
如果作为一个内核模块来编译，则在装入模块的时候注册（并在卸载模块时注销） 2018/12/2 Linux OS Analysis

34 设备驱动程序的初始化 对设备驱动程序进行注册与初始化是两件不同的事情 注册应当尽早：使得用户可以使用设备文件 初始化应当推迟到最后可能的时候
原因：初始化就意味着需要分配系统中的稀缺资源，例如： 1，中断向量（动态分配的情况下） 2，用于DMA传送的缓冲区的页框 3，包括DMA通道本身 2018/12/2 Linux OS Analysis

35 监控I/O操作 I/O操作的持续时间通常不可预知，可能与各种因素相关，例如 为此，设备驱动程序必须通过某种监控手段监控I/O操作终止或超时
机械装置的状态，如对于磁盘来讲，磁头的当前位置 或实际的随机事件，例如数据包何时到达网卡 以及人为因素，例如人对键盘、鼠标的使用，以及发现打印机卡纸时的操作 为此，设备驱动程序必须通过某种监控手段监控I/O操作终止或超时 2018/12/2 Linux OS Analysis

36 两种可用的技术 轮询模式（polling mode） CPU重复检查（轮询）设备的状态寄存器，直到寄存器的值表明I/O操作已经完成为止
中断模式（interrupt mode） 如果I/O控制器能够通过IRQ线发出I/O操作结束的信号，就可以使用中断模式 2018/12/2 Linux OS Analysis

37 轮询模式的简单例子 Why ”--count” 也可以使用jiffies进行超时判断
若时间比较长，比如ms级，可以在每次轮询操作之后调用schedule主动放弃CPU，直到下次被调度再次轮询 可以用来粗略的判断超时 2018/12/2 Linux OS Analysis

38 中断模式的简单例子 假定实现一个简单的输入字符设备的驱动程序
当在对应的设备文件上发出read()系统调用时，一条输入命令被发往设备的控制寄存器 在一个不可预知的长时间后，设备把一个字节的数据放在输入寄存器 驱动程序然后将这个字节作为read()系统调用的结果返回 2018/12/2 Linux OS Analysis

39 这个驱动程序包含两个函数： 实现文件对象read方法的foo_read()函数 处理中断的foo_interrupt()函数
对I/O设备发出读命令 等待读操作的结束， 由中断处理程序唤醒 将获得的数据送到用户空间中 2018/12/2 Linux OS Analysis

40 从设备上读入数据 唤醒read的剩余部分 2018/12/2 Linux OS Analysis

41 再看foo_read的输入参数 Struct file*filp，在这个数据的私有数据项中，VFS已经将其转换成设备驱动程序的私有的信息 foo_dev_t, 被定义为包含如下信息： 一个信号量，互斥 使用intr作为标志 0：没有发生/处理中断 1：处理了中断 一个等待队列，用来给foo_read睡眠 一个数据区，长度为1，用来存放读到的数据 2018/12/2 Linux OS Analysis

42 foo_interrupt的输入参数没有得到使用，这是一种很普遍的情况
char* buf，用户提供的存放数据的空间 Count和ppos都没有用到 再看看foo_interrupt()中，这是通过foo一个全局变量获得设备的私有数据结构的，这个数据结构与foo_read()中通过filp中获得的私有数据一致 foo_interrupt的输入参数没有得到使用，这是一种很普遍的情况 2018/12/2 Linux OS Analysis

43 块设备驱动程序 典型的块设备驱动程序都有很高的平均访问时间 定义：相邻的数据 指当数据以相邻的方式存放在磁表面时，一次单独操作就可以访问它们
例如磁盘的每次操作都需要几个ms，主要是为了定位磁头，一旦定位后，就可以以稳定的高速率传输数据（几十MB/秒） 定义：相邻的数据 指当数据以相邻的方式存放在磁表面时，一次单独操作就可以访问它们 2018/12/2 Linux OS Analysis

44 内核对块设备处理程序的支持具有以下特点：
通过VFS提供统一接口 对磁盘数据进行有效的预读 为数据提供磁盘高速缓存 2018/12/2 Linux OS Analysis

45 用于块设备文件的缺省的文件操作方法 2018/12/2 Linux OS Analysis

46 块设备请求及其优化 虽然块设备驱动程序可以一次传送一个单独的数据块，但是内核并不会为每个要访问的数据块都执行一次I/O操作
内核试图把几个块合并在一起，作为一个整体来处理，从而减少磁头的平均移动时间 HOW？ 2018/12/2 Linux OS Analysis

47 当请求发生时，内核检查是否能通过稍微扩展前一个一直处于等待状态的请求而满足新的请求，从而减少定位的时间，提高效率
为读写一个磁盘块的请求生成块设备请求 但推迟这个请求执行的时间 这是提高块设备性能的关键机制 当请求发生时，内核检查是否能通过稍微扩展前一个一直处于等待状态的请求而满足新的请求，从而减少定位的时间，提高效率 2018/12/2 Linux OS Analysis

48 每个块设备驱动程序都维护着自己的请求队列； 每个物理块设备应当有一个请求队列 低级的设备驱动程序一般采用如下策略：
请求可以以提高磁盘性能的方式进行排序 低级的设备驱动程序一般采用如下策略： 处理请求队列上的第一个请求，并设置设备控制器，以便在数据传送完成时可以产生一个中断，然后就停止 当设备控制器产生中断时，中断处理程序就激活下半部分。 下半部分将被处理的请求删除，并继续1 2018/12/2 Linux OS Analysis

49 驱动程序的编写 有专门的书《Linux设备驱动程序》来讲如何写Linux下的驱动程序 我们这里用最简单的例子来尝试驱动程序的编写
中译本有500多页 我们这里用最简单的例子来尝试驱动程序的编写 2018/12/2 Linux OS Analysis

50 1，确定设备名称与主次设备号(动态分配的不指定)
2，编写设备文件对内核上层的接口file_operations 包括: init, open, release, read, write, ioctl 等 3，编译并加载设备驱动（两种方法） 3.1，静态加载： ，将初始化函数加入内核驱动初始化部分 3.1.2，修改相应的Makefile, 增加驱动的目标文件 3.1.3，重新编译内核，启用新的内核 2018/12/2 Linux OS Analysis

51 3.2，动态加载， 先编译成Linux模块目标文件，再用insmod将驱动模块加载,还有rmmod, lsmod命令，可查看man得知相应的功能。
4，在目录/dev下建立相应的设备文件。 mknod 创建设备对象， 参数： 设备名 设备类型 主设备号 次设备号 5，在用户态下编写应用程序测试，使用该设备驱动 2018/12/2 Linux OS Analysis

52 一个虚拟的字符驱动程序举例 char_dev.c makefile testchardev.c 设备名定为：char_dev
用命令insmod char_dev.o加载 用命令lsmod察看是否成功加载 使用dmesg察看主设备号 使用mknod char_dev c 253 1在/dev目录下创建设备文件 运行Testchardev.c测试 2018/12/2 Linux OS Analysis

53 Project7 实现一个虚拟的字符驱动程序 2018/12/2 Linux OS Analysis