“操作系統(tǒng)”實驗教學之U盤驅(qū)動程序開發(fā)-文檔資料

“操作系統(tǒng)”實驗教學之Ｕ盤驅(qū)動程序開發(fā)引言設(shè)備管理是操作系統(tǒng)的一個關(guān)鍵內(nèi)容 ,在實際操作系統(tǒng)的開發(fā)中 ,有相當多的代碼是各類設(shè)備的驅(qū)動程序。因此 ,在操作系統(tǒng)實踐環(huán)節(jié)中設(shè)計一個合適的設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)實驗具有非常重要的意義。本文介紹了一個Linux環(huán)境下的U盤驅(qū)動程序開發(fā)實驗的設(shè)計與實施情況。U盤是一個典型的塊設(shè)備,這類設(shè)備種類多、使用廣泛 ,其驅(qū)動程序的開發(fā)也比字符設(shè)備復雜。為了降低復雜性 ,許多相關(guān)的實驗安排都是針對一個虛擬設(shè)備 ,如內(nèi)存盤(RAMdisk)。但這樣做也有它的弊端,即與真實物理設(shè)備的驅(qū)動程序開發(fā)差異很大 ,學生不能更真實地了解設(shè)備管理的實際情況。因此 ,如果能夠設(shè)計一個真實塊設(shè)備(如U盤)的驅(qū)動程序開發(fā)實驗,將能夠彌補上述缺憾。在Linux環(huán)境下,已經(jīng)有一個通用的U盤驅(qū)動程序usb-storage.ko,其源程序放在目錄drivers\usb\storage下(相對于內(nèi)核源碼根目錄)。但這個驅(qū)動的實現(xiàn)相當復雜,它將一個USB設(shè)備模擬成了一個SCSI設(shè)備,進而通過SCSI設(shè)備的接口來訪問,該驅(qū)動程序很難被學生所理解。在我們設(shè)計的實驗中,希望學生開發(fā)一個相對簡單些的U盤驅(qū)動程序,不求高性能,只求結(jié)構(gòu)明朗、清晰易懂 ,主要是讓學生掌握一個實際塊設(shè)備的驅(qū)動方式 ,從而加深對設(shè)備管理原理的理解。事實上,本實驗開發(fā)的驅(qū)動程序應(yīng)該能夠適用于所有基于Bulkonly傳輸協(xié)議的USB大容量存儲設(shè)備(USBMassStorage),比如USB移動硬盤和USB外置光驅(qū),U盤只是其中的一種。由于USB大容量存儲設(shè)備具有容量大、速度快、連接靈活、即插即用、總線供電等優(yōu)點,它們得到了廣泛使用,掌握這類設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)技術(shù)無疑具有很強的實用性。本文第二節(jié)介紹此實驗的內(nèi)容設(shè)計情況,包括實驗過程和思路的描述,第三節(jié)介紹實驗的組織情況和實驗效果分析,最后是小結(jié)。實驗內(nèi)容設(shè)計本實驗要求學生在Linux操作系統(tǒng)下編寫一個U盤驅(qū)動程序,只要求能夠驅(qū)動某個型號的U盤,要能夠支持U盤的常規(guī)操作,如命令hexdump、mke2fs和mount等。同時,要求在系統(tǒng)內(nèi)核日志中顯示出U盤的容量。對于學有余力的學生,可增加多分區(qū)支持功能。2.1實驗基礎(chǔ)和思路在文獻[2]中,講解了如何編寫一個 Ramdisk塊設(shè)備驅(qū)動程序,稱為sbull;也講解了如何編寫一個USB設(shè)備驅(qū)動程序,并以Linux源代碼中的usb-skeleton.c為例。雖然前者驅(qū)動的并不是一個實際的塊設(shè)備,且后者又只是針對USB字符設(shè)備,但是它們提供了一個不錯的基礎(chǔ),通過合并就能基本得到一個支持USB塊設(shè)備的驅(qū)動程序。之所以說基本得到,是因為合并后只是有了塊設(shè)備、USB設(shè)備的驅(qū)動支持框架,但還缺一樣:對U盤(USB塊設(shè)備)的實際訪問操作。USB塊設(shè)備的訪問方法與USB字符設(shè)備區(qū)別很大,有一套復雜的協(xié)議。把這樣一套協(xié)議研究清楚,將花費大量時間,也遠離了驅(qū)動程序開發(fā)的核心。這是一大難點,為此我們專門編寫了一個U盤訪問函數(shù)(my_Bulk_transport),以減輕工作量。2.3節(jié)將進一步介紹該幫助函數(shù)。簡言之,本實驗的思路是:合并sbull 和usb-skeleton 這兩個參考驅(qū)動程序,以構(gòu)造出U盤驅(qū)動程序的整體框架 ;調(diào)用幫助函數(shù)my_Bulk_transport 以實際訪問U盤。從而開發(fā)出一個簡潔的 U盤驅(qū)動程序。下面分別對參考驅(qū)動程序和幫助函數(shù)分別進行簡要介紹。2.2參考驅(qū)動程序文獻[2]第16章以一個Ramdisk設(shè)備為例講解了塊設(shè)備驅(qū)動程序的一般編寫方法。包括用到的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) (如下圖所示)和關(guān)鍵函數(shù)(如register_blkdev 、add_disk和blk_init_queue 等)。從中可以知道如何向操作系統(tǒng)登記一個塊設(shè)備、 以及操作系統(tǒng)是如何調(diào)用所提供的相關(guān)函數(shù)來支持塊設(shè)備的打開、關(guān)閉、讀寫、控制等操作的。這些是塊設(shè)備驅(qū)動程序編寫的基礎(chǔ)知識。尤其需要說明的是 ,該驅(qū)動程序針對的并不是一個真實物理設(shè)備 ,而是一個Ramdisk設(shè)備。所謂Ramdisk,是指使用計算機內(nèi)存作為存儲介質(zhì)的盤。一旦加載該驅(qū)動 ,就會從內(nèi)存中劃分出一些空間 ,虛擬出幾個磁盤,并且可以對這個虛擬磁盤進行格式化、文件復制和查看等操作。因此 ,這個驅(qū)動程序只是提供了塊設(shè)備驅(qū)動程序的一般框架。如果要驅(qū)動實際的 U盤,還需要給學生提供一些其他知識。文獻[2]的第13章講述了USB字符設(shè)備驅(qū)動程序的一般編寫方法。所用的例子是 Linux內(nèi)核源碼目錄中的文件driver/usb/usb-skeleton.c 。它提供了一個最基礎(chǔ)的 USB字符驅(qū)動程序,稱為USB骨架。其中包括了對 USB字符設(shè)備的注冊、打開、關(guān)閉、讀寫等操作的支持。特別地 ,usb_register 、probe、disconnect和usb_unregister這幾個函數(shù)是USB設(shè)備才有的,支持熱插拔等操作。其中的其它一些函數(shù),如skel_read、skel_write、skel_open和skel_release, 是針對字符設(shè)備的,并不適用于U盤驅(qū)動程序。因此,需要與前一個參考驅(qū)動程序合并考慮 ,才能構(gòu)造出USB塊設(shè)備的驅(qū)動程序。2.3U盤驅(qū)動的幫助函數(shù)在參考驅(qū)動程序usb-skeleton.c 中,當需要對USB設(shè)備進行讀寫的時候,調(diào)用了usb_bulk_msg和usb_submit_urb等函數(shù)。要使用它們來操作U盤,需要對USB大規(guī)模存儲設(shè)備的相關(guān)協(xié)議非常清楚 ,會涉及到大量底層細節(jié),對于本科學生而言,需要花大量時間,會非常困難。為此,我們以Linux下的通用USB驅(qū)動程序usb-storage 為基礎(chǔ),整理出了一個粒度更大的 U盤訪問函數(shù),稱為my_Bulk_transport 。主要借鑒了如下幾個文件 :drivers/usb/storage/transport.cdrivers/usb/storage/transport.hdrivers/scsi/scsi.h該函數(shù)的原型如下所示 :intmy_Bulk_transport(structusb_device*udev,structusb_interface*interface,structcmnd_struct*cs,unsignedchar*bulk_buffer,intbulk_size,__u8bulk_in_endpointAddr,__u8bulk_out_endpointAddr);其功能是向USB設(shè)備(udev)的接口(interface) 發(fā)送一個命令(cs),進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳遞(bulk_buffer),并獲取狀態(tài)反饋信息。內(nèi)部封裝了復雜的USB大規(guī)模存儲設(shè)備的傳輸協(xié)議,學生只需要掌握命令的格式和一些基本的USB設(shè)備知識即可,從而有效控制了實驗的復雜性。教學組織及效果本實驗一人一組,課內(nèi)安排8個學時的上機時間,學生需要在課外查閱一些相關(guān)資料。要求提交實驗上機報告和驅(qū)動程序源程序 ,實驗成績由現(xiàn)場上機檢查成績和上機報告成績兩部分構(gòu)成。在2007年和2008年秋季學期的“操作系統(tǒng)課程設(shè)計課”中 ,本實驗作為一個實驗單元進行了教學實踐。從實驗效果看 ,有約15%的學生能夠比較獨立地完成實驗 ,實現(xiàn)U盤的掛載、讀寫、容量信息讀取操作;有約60%的學生在老師進一步給出參考驅(qū)動程序的合并雛形后,能夠順利完成合并,并實現(xiàn)部分功能,如容量信息的讀取;剩下的大概25%只能進行部分合并工作,不能完成U盤驅(qū)動的有效功能。此外,對于fdisk操作和多分區(qū)功能的支持,很少有學生能夠?qū)崿F(xiàn)?？傮w來看,雖然有U盤幫助函數(shù)的輔助,本實驗仍然具有較高的難度,其主要困難在于:(1)許多學生對Linux下的程序開發(fā)、調(diào)試不熟悉,對于內(nèi)核模塊更是如此;(2)參考資料支持不夠,這方面的參考資料比較分散,且大部分都是英文資料。完成情況好的學生,大都比較積極主動,自學能力