火龍果軟件Linux驅(qū)動(dòng)開發(fā)培訓(xùn)1匯編

1、The successs roadLinux設(shè)備(shbi)驅(qū)動(dòng)高級(jí)開發(fā)共五十六頁(yè)今天(jntin)的內(nèi)容Linux驅(qū)動(dòng)程序基礎(chǔ)知識(shí)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序用戶與驅(qū)動(dòng)程序同步阻塞(zs)I/O用ioctl控制驅(qū)動(dòng)程序典型的字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序分析共五十六頁(yè)Linux設(shè)備(shbi)驅(qū)動(dòng)的概念驅(qū)動(dòng)程序?yàn)橛布峁┮粋€(gè)定義良好(lingho)的內(nèi)部接口驅(qū)動(dòng)程序封裝了硬件細(xì)節(jié)驅(qū)動(dòng)程序?yàn)閼?yīng)用程序提供了訪問設(shè)備的機(jī)制共五十六頁(yè)Linux設(shè)備和模塊(m kui)的分類設(shè)備和模塊的分類：字符設(shè)備，塊設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)接口以及(yj)提供公共服務(wù)的特定類型設(shè)備另外有一些設(shè)備驅(qū)動(dòng)比較特殊，比如 frame buffer, 共五十六頁(yè)

2、設(shè)備(shbi)驅(qū)動(dòng)健壯性和安全性驅(qū)動(dòng)程序是內(nèi)核的一部分驅(qū)動(dòng)程序的漏洞和缺陷直接危及內(nèi)核留心未初始化的指針(zhzhn)，惡意用戶程序，緩沖區(qū)溢出共五十六頁(yè)驅(qū)動(dòng)程序與內(nèi)核(ni h)版本號(hào)Linux內(nèi)核版本號(hào)簡(jiǎn)述 2.0.x 2.2.x 2.4.x 2.6.x版本號(hào)在內(nèi)核編譯過程中的影響(yngxing)模塊加載時(shí)的版本號(hào)檢查共五十六頁(yè)Linux下構(gòu)建(u jin)和運(yùn)行模塊為什么用模塊？模塊和應(yīng)用程序有什么(shn me)不同#ifdef _KERNEL_#ifdef MODULEKernel 和 user space共五十六頁(yè)Linux內(nèi)核與模塊(m kui)中的并發(fā)可重入簡(jiǎn)介(jin j

3、i)共享資源帶來的問題并發(fā)與同步問題搶占式內(nèi)核對(duì)并發(fā)的影響共五十六頁(yè)模塊的編譯(biny)和裝載編譯模塊(m kui)都需要什么編譯模塊相關(guān)的宏模塊工具insmod,rmmod共五十六頁(yè)Linux驅(qū)動(dòng)程序模塊(m kui)加載共五十六頁(yè)模塊(m kui)的版本依賴內(nèi)核中定義_module_kernel_version符號(hào)版本號(hào)定義可以區(qū)分不同(b tn)版本內(nèi)核的接口函數(shù)可以在include/linux/version.h找到版本定義KERNEL_VERSION共五十六頁(yè)模塊的平臺(tái)(pngti)相關(guān)平臺(tái)相關(guān)的實(shí)現(xiàn)條件編譯平臺(tái)開關(guān)與Makefile，Makefile里面會(huì)定義與平臺(tái)相關(guān)的開關(guān)，驅(qū)

4、動(dòng)程序開發(fā)者通過編寫和配置(pizh)config文件實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)的控制一個(gè)實(shí)例分析 core-$(CONFIG_FPE_NWFPE) += arch/arm/nwfpe/共五十六頁(yè)內(nèi)核(ni h)符號(hào)表內(nèi)核符號(hào)簡(jiǎn)介模塊之間用符號(hào)連接(linji)在一起符號(hào)導(dǎo)出內(nèi)核符號(hào)表 /proc/ksyms System.map共五十六頁(yè)模塊(m kui)初始化和關(guān)閉模塊加載調(diào)用的第一個(gè)函數(shù)init_module模塊所使用資源的分配與釋放使用計(jì)數(shù)模塊卸載和cleanup_module顯式指定(zhdng)初始化和清除函數(shù)共五十六頁(yè)驅(qū)動(dòng)程序使用(shyng)的資源獲取內(nèi)存區(qū)域 kmallocIoport和io

5、mem資源的使用運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)分配iomem,ioport靜態(tài)分配存儲(chǔ)器和端口映射我該如何(rh)選擇資源分配方式共五十六頁(yè)典型的嵌入式設(shè)備(shbi)存儲(chǔ)器映射共五十六頁(yè)字符(z f)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序分析主設(shè)備號(hào)和次設(shè)備號(hào)設(shè)備文件節(jié)點(diǎn)操作file operation結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)程序例子(l zi)scull的內(nèi)存使用熟悉kmalloc，kfree共五十六頁(yè)主設(shè)備(shbi)號(hào)和次設(shè)備(shbi)號(hào)mknod 創(chuàng)建設(shè)備文件字符(z f)設(shè)備文件例子crw-rw- 1 root uucp 4, 64 2005-03-20 03:36 /dev/ttyS0主設(shè)備號(hào)區(qū)分設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序用戶程序調(diào)用open clos

6、e等操作，內(nèi)核根據(jù)主設(shè)備號(hào)找到對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序共五十六頁(yè)主設(shè)備(shbi)號(hào)和次設(shè)備(shbi)號(hào)（2）次設(shè)備號(hào)區(qū)分同一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序創(chuàng)建的多個(gè)(du )設(shè)備常見于多個(gè)串口，硬盤分區(qū)等次設(shè)備號(hào)通常依次對(duì)應(yīng)同類型多個(gè)設(shè)備主設(shè)備號(hào)次設(shè)備號(hào)hda131hda232hda333共五十六頁(yè)動(dòng)態(tài)分配主設(shè)備(shbi)號(hào)register_chrdev注冊(cè)動(dòng)態(tài)主設(shè)備號(hào)動(dòng)態(tài)分配主設(shè)備號(hào)的優(yōu)缺點(diǎn)/proc/devices和lsmod動(dòng)態(tài)生成(shn chn)設(shè)備文件系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)dev_t和kdev_t共五十六頁(yè)file_opration結(jié)構(gòu)(jigu)分析file_opration在內(nèi)核(ni h)中定義linux/fs.

7、hstruct filemode_t f_modeloff_t f_posunsigned int f_flagsstruct file_operations *f_opvoid *private_datastruct dentry *f_dentry共五十六頁(yè)file_operationsint(*open)(struct inode*,struct file *)增加使用計(jì)數(shù)，檢查錯(cuò)誤如果未初始化，則調(diào)用初始化識(shí)別次設(shè)備號(hào)，如果必要，更新f_op指針(zhzhn)分配并填寫被置于filp-private_data的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)int(*realse)(struct inode*,struct

8、file*)進(jìn)行open的逆操作共五十六頁(yè)例子(l zi)驅(qū)動(dòng)scull的內(nèi)存使用scull采用kmalloc和kfree另一種分配內(nèi)存的方法(fngf)使用面向頁(yè)的函數(shù)共五十六頁(yè)例子驅(qū)動(dòng)scull的訪問(fngwn)競(jìng)爭(zhēng)分析Copy on write競(jìng)爭(zhēng)(jngzhng)Write on write競(jìng)爭(zhēng)同步手段信號(hào)量和互斥量PV up（） down（）共五十六頁(yè)file_operationsssize_t (*read)(struct file*,char *,size_t,loff_t*)size_t(*write)(struct file*,const char*,size_t,loff

9、_t*)用戶空間(kngjin)指針和內(nèi)核指針向量化的readv，writev共五十六頁(yè)file_operationsSsize_t (*llseek)(struct file *, loff_t*, int )該方法執(zhí)行seeking操作，移動(dòng)當(dāng)前(dngqin)的文件讀寫指針loff_t是64位量共五十六頁(yè)file_operationsunsigned int (*poll) (struct file*, struct poll_table_struct *)poll方法用來查詢?cè)O(shè)備是否可讀，可寫或出于某種特殊狀態(tài)（ready or not）該系統(tǒng)調(diào)用是可阻塞的poll 和 select系

10、統(tǒng)調(diào)用的后端實(shí)現(xiàn)(shxin)依賴該該方法共五十六頁(yè)file_operationsint(*ioctl)(struct inode*,struct file*,unsigned int,unsigned long)ioctl實(shí)現(xiàn)了除標(biāo)準(zhǔn)(biozhn)io操作外其他各種操作的方法Ioctl定義依不同驅(qū)動(dòng)程序而異共五十六頁(yè)file_operationsint(*flush)(struct file*)flush執(zhí)行設(shè)備(shbi)上為完成的操作flush用于NFS代碼中一般的設(shè)備驅(qū)動(dòng)可以不實(shí)現(xiàn)該方法，（flush=NULL）共五十六頁(yè)file_operationsint (*mmap)(stru

11、ct file*, struct vm_area_struct*)該方法用于將設(shè)備內(nèi)存區(qū)映射到進(jìn)程(jnchng)的地址空間framebuffer，sound，capture等驅(qū)動(dòng)是典型的例子共五十六頁(yè)file_operationsint (*fsync)(struct file*, struct dentry *, int)fsync是fsync系統(tǒng)調(diào)用的后端實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序用它來刷新(shu xn)待處理的數(shù)據(jù)共五十六頁(yè)訪問(fngwn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的方法devfs簡(jiǎn)介devfs的兼容性動(dòng)態(tài)設(shè)備(shbi)文件節(jié)點(diǎn)的另一種實(shí)現(xiàn)方法自動(dòng)腳本proc簡(jiǎn)介sysfs簡(jiǎn)介共五十六頁(yè)阻塞(zs)型I/O

12、簡(jiǎn)介用戶程序和硬件設(shè)備需要同步軟件要知道什么時(shí)候數(shù)據(jù)(shj)會(huì)到來通常的實(shí)現(xiàn)方法是軟件處于睡眠狀態(tài)，有數(shù)據(jù)到來時(shí)進(jìn)行處理，然后繼續(xù)睡眠Linux通過等待隊(duì)列wait queue，實(shí)現(xiàn)了幾總不同的睡眠方式共五十六頁(yè)阻塞(zs)進(jìn)程的睡眠sleep_on(wait_queue_head_t *queue);將當(dāng)前進(jìn)程置入等待隊(duì)列(duli)，并且處于睡眠狀態(tài)中的進(jìn)程不能被killinterruptible_sleep_on(wait_queue_head_t *queue);將當(dāng)前進(jìn)程置入等待隊(duì)列并且可中斷，處于睡眠狀態(tài)中的進(jìn)程可以被killsleep_on_timeout(wait_queue

13、_head_t *queue, long timeout);interruptible_sleep_on_timeout(wait_queue_head_t *queue,long timeout);這兩個(gè)函數(shù)與前兩個(gè)類似，只是多加了超時(shí)機(jī)制。即進(jìn)程的睡眠時(shí)間不超過timeout中指定的“jiffy”值。共五十六頁(yè)阻塞進(jìn)程(jnchng)的睡眠（2）void wait_event(wait_queue_head_t queue, int condition);int wait_event_interruptible(wait_queue_head_t queue, int condition)

14、;這兩個(gè)宏用來讓進(jìn)程進(jìn)入睡眠直到condition條件(tiojin)到來。Condition可以是任意條件表達(dá)式共五十六頁(yè)阻塞(zs)進(jìn)程的喚醒wake_up(wait_queue_head_t *queue);喚醒所有等queue隊(duì)列的進(jìn)程(jnchng)wake_up_interruptible(wait_queue_head_t *queue);只喚醒可等待隊(duì)列里可中斷進(jìn)程wake_up_sync(wait_queue_head_t *queue);wake_up_interruptible_sync(wait_queue_head_t *queue);這兩個(gè)函數(shù)與前兩個(gè)類似，只是他們

15、讓等待進(jìn)程置入可運(yùn)行隊(duì)列，而不是立刻重新調(diào)度共五十六頁(yè)深入(shnr)等待隊(duì)列驅(qū)動(dòng)程序可以直接操作wait queue簡(jiǎn)單的流程如下：初始化一個(gè)wait_queque_t wait將進(jìn)程當(dāng)前狀態(tài)置為睡眠狀態(tài)將wait加入到等待隊(duì)列中調(diào)用shedule()并開始睡眠當(dāng)前進(jìn)程會(huì)一直睡眠直到外部(wib)改變了當(dāng)前進(jìn)程的運(yùn)行狀態(tài)喚醒后中隊(duì)列中刪除wait共五十六頁(yè)阻塞I/O驅(qū)動(dòng)(q dn)的可重入編寫技巧當(dāng)驅(qū)動(dòng)程序被訪問，并且用戶進(jìn)程進(jìn)入睡眠狀態(tài)以后，我們要求別的進(jìn)程可以繼續(xù)訪問驅(qū)動(dòng)程序在此情況下，我們可以編寫可重入驅(qū)動(dòng)主要的思想是將狀態(tài)量保存在驅(qū)動(dòng)程序?qū)嵗木植孔兞坷?，而非全局變量不?b tn)

16、進(jìn)程訪問驅(qū)動(dòng)程序，其中的局部變量保存在該進(jìn)程的棧當(dāng)中共五十六頁(yè)阻塞(zs)I/O和非阻塞I/O對(duì)比完全(wnqun)功能的讀寫操作包括非阻塞的read和write，使用O_NONBLOCK標(biāo)志打開調(diào)用阻塞read時(shí)，如果沒有數(shù)據(jù)可讀，用戶進(jìn)程就會(huì)進(jìn)入睡眠狀態(tài)知道有數(shù)據(jù)可讀當(dāng)調(diào)用非阻塞read時(shí)，如果沒有數(shù)據(jù)可讀，read馬上返回-EAGAIN，這樣就提供了用戶進(jìn)程查詢?cè)O(shè)備的機(jī)制阻塞與非阻塞I/O只影響open，read，write著三個(gè)函數(shù)共五十六頁(yè)阻塞I/O的實(shí)例(shl)分析例子(l zi)程序scullpipe實(shí)現(xiàn)了上面介紹的技術(shù)Scullpipe的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)如下typedef struc

17、t Scull_Pipe wait_queue_head_t inq, outq; /* read and write queues */char *buffer, *end; /* begin of buf, end of buf */int buffersize; /* used in pointer arithmetic */char *rp, *wp; /* where to read, where to write */int nreaders, nwriters; /* number of openings for r/w */struct fasync_struct *async

18、_queue; /* asynchronous readers */struct semaphore sem; /* mutual exclusion semaphore */devfs_handle_t handle; /* only used if devfs is there */ Scull_Pipe;共五十六頁(yè)阻塞I/O的實(shí)例(shl)分析(2)ssize_t scull_p_read (struct file *filp, char *buf, size_t count,loff_t *f_pos).if (filp-f_flags & O_NONBLOCK)return -EAG

19、AIN;PDEBUG(%s reading: going to sleepn, current-comm);if (wait_event_interruptible(dev-inq, (dev-rp != dev-wp)return -ERESTARTSYS; dev-rp += count;if (dev-rp = dev-end)dev-rp = dev-buffer; /* wrapped */up (&dev-sem);共五十六頁(yè)字符(z f)設(shè)備定位字符設(shè)備定位通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)llseek方法實(shí)現(xiàn)llseek方法修改filp-f_pos來改變?cè)O(shè)備當(dāng)前的定位定位對(duì)有明確(mngqu)數(shù)據(jù)區(qū)

20、的設(shè)備有意義，而對(duì)面向數(shù)據(jù)流的設(shè)備無意義共五十六頁(yè)字符(z f)設(shè)備訪問控制訪問控制可以防止未授權(quán)用戶使用設(shè)備，這種控制通過設(shè)置(shzh)文件系統(tǒng)權(quán)限來實(shí)現(xiàn)最簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)訪問控制是一次只允許一個(gè)進(jìn)程打開設(shè)備用一個(gè)標(biāo)志變量來指示當(dāng)前設(shè)備是否已經(jīng)被打開若已經(jīng)打開則拒絕新的打開操作共五十六頁(yè)全局標(biāo)志的競(jìng)爭(zhēng)(jngzhng)問題在上例中，如果有兩個(gè)進(jìn)程試圖同時(shí)打開(d ki)設(shè)備，則他們有可能同時(shí)測(cè)試全局標(biāo)志，并同時(shí)成功打開(d ki)。為了避免這種情況發(fā)生，我們可以以原子操作的形式修改標(biāo)志使用自旋鎖比較適合此處使用共五十六頁(yè)限制每次只有一個(gè)用戶(yngh)訪問此種實(shí)現(xiàn)允許一個(gè)用戶多次打開設(shè)備維護(hù)數(shù)據(jù)結(jié)

21、構(gòu)的完整性由用戶來完成用戶第一次打開設(shè)備時(shí)授權(quán)，并記錄下設(shè)備的屬主。該用戶可以(ky)對(duì)此打開設(shè)備其他用戶試圖再打開設(shè)備時(shí)，UID檢查結(jié)果會(huì)拒絕打開，并返回-EBUSY，指示設(shè)備忙共五十六頁(yè)用阻塞(zs)open代替EBUSY有些情況下，設(shè)備忙時(shí)最好讓用戶稍延遲一會(huì)兒而不是返回失敗可以用阻塞型的open來實(shí)現(xiàn)當(dāng)用戶試圖打開設(shè)備時(shí)，如果設(shè)備忙，則把當(dāng)前進(jìn)程置入等待隊(duì)列當(dāng)前一個(gè)用戶使用完設(shè)備，使用計(jì)數(shù)(j sh)減到0時(shí)，下一個(gè)用戶睡眠的進(jìn)程將被喚醒共五十六頁(yè)Ioctl簡(jiǎn)介(jin ji)驅(qū)動(dòng)程序支持除了標(biāo)準(zhǔn)的操作，往往還需要支持各種控制命令由此引入和一個(gè)重要(zhngyo)的命令操作機(jī)制ioct

22、lIoctl相對(duì)于使用標(biāo)準(zhǔn)I/O來控制設(shè)備有很多好處比如，不用保留特殊關(guān)鍵字符作控制控制處理代碼編寫明晰，驅(qū)動(dòng)程序和用戶程序同時(shí)受益于此共五十六頁(yè)怎樣(znyng)使用ioctl用戶應(yīng)用程序調(diào)用int ioctl(int fd, int cmd, .);設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序里實(shí)現(xiàn)ioctl方法(fngf)int (*ioctl) (struct inode *inode, struct file *filp,unsigned int cmd, unsigned long arg);編碼上容易采用switchcase實(shí)現(xiàn)各種不同的命令處理共五十六頁(yè)Ioctl命令(mng lng)實(shí)例CDROMEJECT

23、CDROM_SET_SPEEDHDIO_SET_DMAHDIO_GET_DMA串口的ioctl，TIO族TIOCMIWAIT等等(dn dn)共五十六頁(yè)Ioctl參數(shù)(cnsh)用法如果參數(shù)是整數(shù)，在驅(qū)動(dòng)的ioctl方法里面可以直接使用如果參數(shù)是指針，驅(qū)動(dòng)程序首先要檢查指針的合法性我們(w men)可以使用int access_ok(int type, const void *addr, unsigned long size);檢查通過后，我們可以使用put_user(datum, ptr)put_user(datum, ptr)這兩個(gè)宏用來訪問用戶傳遞來的指針共五十六頁(yè)Ioctl權(quán)能(qun

24、nng)和受限操作驅(qū)動(dòng)程序的訪問控制采用(ciyng)linux文件系統(tǒng)的權(quán)限機(jī)制驅(qū)動(dòng)程序采用權(quán)能機(jī)制來控制特殊的操作權(quán)限驅(qū)動(dòng)程序通過int capable(int capability);函數(shù)來確定調(diào)用進(jìn)程是否有權(quán)執(zhí)行操作共五十六頁(yè)驅(qū)動(dòng)程序當(dāng)中(dngzhng)如何實(shí)現(xiàn)ioctlioctl(,int cmd,)cmd變量存儲(chǔ)了IOCTL命令處理代碼直接判斷cmd里面的內(nèi)容，來決定(judng)程序處理分支。共五十六頁(yè)用ioctl控制驅(qū)動(dòng)程序?qū)嵗?shl)分析int scull_ioctl(struct inode *inode, struct file *filp, unsigned int

25、 cmd, unsigned long arg)int err = 0, tmp;int retval = 0; if (_IOC_TYPE(cmd) != SCULL_IOC_MAGIC) return -ENOTTY;if (_IOC_NR(cmd) SCULL_IOC_MAXNR) return -ENOTTY;if (_IOC_DIR(cmd) & _IOC_READ)err = !access_ok(VERIFY_WRITE, (void _user *)arg, _IOC_SIZE(cmd);else if (_IOC_DIR(cmd) & _IOC_WRITE)err = !access_ok(VERIFY_READ, (void _user *)arg, _IOC_SIZE(cmd);if (err) return -EFAULT;共五十六頁(yè)用ioctl控