MurrayStokely&cnproj.written.by; JörgWunsch基础性手册intro(4)： &cnproj.translated.by; device driver(设备驱动程序) pseudo-device(伪设备) 本章简要介绍了如何为FreeBSD编写设备驱动程序。术语设备在 这儿的上下文中多用于指代系统中硬件相关的东西，如磁盘，打印机， 图形显式器及其键盘。设备驱动程序是操作系统中用于控制特定设备的 软件组件。也有所谓的伪设备，即设备驱动程序用软件模拟设备的行为， 而没有特定的底层硬件。设备驱动程序可以被静态地编译进系统，或者 通过动态内核链接工具‘kld’在需要时加载。 device nodes(设备节点) MAKEDEV 类&unix;操作系统中的大多数设备都是通过设备节点来访问的，有时也 被称为特殊文件。这些文件在文件系统的层次结构中通常位于 /dev目录下。在FreeBSD 5.0-RELEASE以前的 发行版中, 对&man.devfs.5;的支持还没有被集成到FreeBSD中，每个设备 节点必须要静态创建，并且独立于相关设备驱动程序的存在。系统中大 多数设备节点是通过运行MAKEDEV创建的。 设备驱动程序可以粗略地分为两类，字符和网络设备驱动程序。 kernel linking(内核链接)dynamic(动态) kernel loadable modules (KLD, 内核可装载模块) kld接口允许系统管理员从运行的系统中动态地添加和删除功能。 这允许设备驱动程序的编写者将他们的新改动加载到运行的内核中， 而不用为了测试新改动而频繁地重启。 kld接口通过下面的特权命令使用： kernel modules(内核模块)loading(装载) kernel modules(内核模块)unloading(卸载) kernel modules(内核模块)listing(列清单) kldload - 加载新内核模块 kldunload - 卸载内核模块 kldstat - 列举当前加载的模块 内核模块的程序框架 /* * KLD程序框架 * 受Andrew Reiter在Daemonnews上的文章所启发 */ #include <sys/types.h> #include <sys/module.h> #include <sys/systm.h> /* uprintf */ #include <sys/errno.h> #include <sys/param.h> /* kernel.h中用到的定义 */ #include <sys/kernel.h> /* 模块初始化中使用的类型 */ /* * 加载处理函数，负责处理KLD的加载和卸载。 */ static int skel_loader(struct module *m, int what, void *arg) { int err = 0; switch (what) { case MOD_LOAD: /* kldload */ uprintf("Skeleton KLD loaded.\n"); break; case MOD_UNLOAD: uprintf("Skeleton KLD unloaded.\n"); break; default: err = EOPNOTSUPP; break; } return(err); } /* 向内核其余部分声明此模块 */ static moduledata_t skel_mod = { "skel", skel_loader, NULL }; DECLARE_MODULE(skeleton, skel_mod, SI_SUB_KLD, SI_ORDER_ANY); FreeBSD提供了一个makefile包含文件，利用它你可以快速地编译 你附加到内核的东西。 SRCS=skeleton.c KMOD=skeleton .include <bsd.kmod.mk> 简单地用这个makefile运行make就能够创建文件 skeleton.ko，键入如下命令可以把它加载到内核： &prompt.root; kldload -v ./skeleton.ko &unix; 提供了一套公共的系统调用供用户的应用程序使用。当用户访问 设备节点时，内核的上层将这些调用分发到相应的设备驱动程序。脚本 /dev/MAKEDEV为你的系统生成了大多数的设备节点， 但如果你正在开发你自己的驱动程序，可能需要用 mknod创建你自己的设备节点。 device nodes(设备节点)static(静态) mknod mknod命令需要四个参数来创建设备节点。 你必须指定设备节点的名字，设备的类型，设备的主号码和设备的从号码。 device nodes(设备节点)dynamic(动态) devfs 设备文件系统，或者说devfs，在全局文件系统名字空间中提供对 内核设备名字空间的访问。这消除了由于有设备驱动程序而没有静态 设备节点，或者有设备节点而没有安装设备驱动程序而带来的潜在问题。 Devfs仍在进展中，但已经能够工作得相当好了。 character devices(字符设备) 字符设备驱动程序直接从用户进程传输数据，或传输数据到用户进程。 这是最普通的一类设备驱动程序，源码树中有大量的简单例子。 这个简单的伪设备例子会记住你写给它的任何值，并且当你读取它的时候 会将这些值返回给你。下面显示了两个版本，一个适用于&os; 4.X， 一个适用于&os; 5.X。 /* * 简单‘echo’伪设备KLD * * Murray Stokely */ #define MIN(a,b) (((a) < (b)) ? (a) : (b)) #include <sys/types.h> #include <sys/module.h> #include <sys/systm.h> /* uprintf */ #include <sys/errno.h> #include <sys/param.h> /* kernel.h中用到的定义 */ #include <sys/kernel.h> /* 模块初始化中使用的类型 */ #include <sys/conf.h> /* cdevsw结构 */ #include <sys/uio.h> /* uio结构 */ #include <sys/malloc.h> #define BUFFERSIZE 256 /* 函数原型 */ d_open_t echo_open; d_close_t echo_close; d_read_t echo_read; d_write_t echo_write; /* 字符设备入口点 */ static struct cdevsw echo_cdevsw = { echo_open, echo_close, echo_read, echo_write, noioctl, nopoll, nommap, nostrategy, "echo", 33, /* 为lkms保留 - /usr/src/sys/conf/majors */ nodump, nopsize, D_TTY, -1 }; typedef struct s_echo { char msg[BUFFERSIZE]; int len; } t_echo; /* 变量 */ static dev_t sdev; static int count; static t_echo *echomsg; MALLOC_DECLARE(M_ECHOBUF); MALLOC_DEFINE(M_ECHOBUF, "echobuffer", "buffer for echo module"); /* * 这个函数被kld[un]load(2)系统调用来调用， * 以决定加载和卸载模块时需要采取的动作。 */ static int echo_loader(struct module *m, int what, void *arg) { int err = 0; switch (what) { case MOD_LOAD: /* kldload */ sdev = make_dev(&echo_cdevsw, 0, UID_ROOT, GID_WHEEL, 0600, "echo"); /* kmalloc分配供驱动程序使用的内存 */ MALLOC(echomsg, t_echo *, sizeof(t_echo), M_ECHOBUF, M_WAITOK); printf("Echo device loaded.\n"); break; case MOD_UNLOAD: destroy_dev(sdev); FREE(echomsg,M_ECHOBUF); printf("Echo device unloaded.\n"); break; default: err = EOPNOTSUPP; break; } return(err); } int echo_open(dev_t dev, int oflags, int devtype, struct proc *p) { int err = 0; uprintf("Opened device \"echo\" successfully.\n"); return(err); } int echo_close(dev_t dev, int fflag, int devtype, struct proc *p) { uprintf("Closing device \"echo.\"\n"); return(0); } /* * read函数接受由echo_write()存储的buf，并将其返回到用户空间， * 以供其他函数访问。 * uio(9) */ int echo_read(dev_t dev, struct uio *uio, int ioflag) { int err = 0; int amt; /* * 这个读操作有多大？ * 与用户请求的大小一样，或者等于剩余数据的大小。 */ amt = MIN(uio->uio_resid, (echomsg->len - uio->uio_offset > 0) ? echomsg->len - uio->uio_offset : 0); if ((err = uiomove(echomsg->msg + uio->uio_offset,amt,uio)) != 0) { uprintf("uiomove failed!\n"); } return(err); } /* * echo_write接受一个字符串并将它保存到缓冲区，用于以后的访问。 */ int echo_write(dev_t dev, struct uio *uio, int ioflag) { int err = 0; /* 将字符串从用户空间的内存复制到内核空间 */ err = copyin(uio->uio_iov->iov_base, echomsg->msg, MIN(uio->uio_iov->iov_len, BUFFERSIZE - 1)); /* 现在需要以null结束字符串，并记录长度 */ *(echomsg->msg + MIN(uio->uio_iov->iov_len, BUFFERSIZE - 1)) = 0; echomsg->len = MIN(uio->uio_iov->iov_len, BUFFERSIZE); if (err != 0) { uprintf("Write failed: bad address!\n"); } count++; return(err); } DEV_MODULE(echo,echo_loader,NULL); /* * 简单‘echo’伪设备 KLD * * Murray Stokely * * 此代码由Søren (Xride) Straarup转换到5.X */ #include <sys/types.h> #include <sys/module.h> #include <sys/systm.h> /* uprintf */ #include <sys/errno.h> #include <sys/param.h> /* kernel.h中用到的定义 */ #include <sys/kernel.h> /* 模块初始化中使用的类型 */ #include <sys/conf.h> /* cdevsw结构 */ #include <sys/uio.h> /* uio结构 */ #include <sys/malloc.h> #define BUFFERSIZE 256 /* 函数原型 */ static d_open_t echo_open; static d_close_t echo_close; static d_read_t echo_read; static d_write_t echo_write; /* 字符设备入口点 */ static struct cdevsw echo_cdevsw = { .d_version = D_VERSION, .d_open = echo_open, .d_close = echo_close, .d_read = echo_read, .d_write = echo_write, .d_name = "echo", }; typedef struct s_echo { char msg[BUFFERSIZE]; int len; } t_echo; /* 变量 */ static struct cdev *echo_dev; static int count; static t_echo *echomsg; MALLOC_DECLARE(M_ECHOBUF); MALLOC_DEFINE(M_ECHOBUF, "echobuffer", "buffer for echo module"); /* * 这个函数被kld[un]load(2)系统调用来调用, * 以决定加载和卸载模块时需要采取的动作. */ static int echo_loader(struct module *m, int what, void *arg) { int err = 0; switch (what) { case MOD_LOAD: /* kldload */ echo_dev = make_dev(&echo_cdevsw, 0, UID_ROOT, GID_WHEEL, 0600, "echo"); /* kmalloc分配供驱动程序使用的内存 */ echomsg = malloc(sizeof(t_echo), M_ECHOBUF, M_WAITOK); printf("Echo device loaded.\n"); break; case MOD_UNLOAD: destroy_dev(echo_dev); free(echomsg, M_ECHOBUF); printf("Echo device unloaded.\n"); break; default: err = EOPNOTSUPP; break; } return(err); } static int echo_open(struct cdev *dev, int oflags, int devtype, struct thread *p) { int err = 0; uprintf("Opened device \"echo\" successfully.\n"); return(err); } static int echo_close(struct cdev *dev, int fflag, int devtype, struct thread *p) { uprintf("Closing device \"echo.\"\n"); return(0); } /* * read函数接受由echo_write()存储的buf，并将其返回到用户空间， * 以供其他函数访问。 * uio(9) */ static int echo_read(struct cdev *dev, struct uio *uio, int ioflag) { int err = 0; int amt; /* * 这个读操作有多大？ * 等于用户请求的大小，或者等于剩余数据的大小。 */ amt = MIN(uio->uio_resid, (echomsg->len - uio->uio_offset > 0) ? echomsg->len - uio->uio_offset : 0); if ((err = uiomove(echomsg->msg + uio->uio_offset, amt, uio)) != 0) { uprintf("uiomove failed!\n"); } return(err); } /* * echo_write接受一个字符串并将它保存到缓冲区, 用于以后的访问. */ static int echo_write(struct cdev *dev, struct uio *uio, int ioflag) { int err = 0; /* 将字符串从用户空间的内存复制到内核空间 */ err = copyin(uio->uio_iov->iov_base, echomsg->msg, MIN(uio->uio_iov->iov_len, BUFFERSIZE - 1)); /* 现在需要以null结束字符串，并记录长度 */ *(echomsg->msg + MIN(uio->uio_iov->iov_len, BUFFERSIZE - 1)) = 0; echomsg->len = MIN(uio->uio_iov->iov_len, BUFFERSIZE); if (err != 0) { uprintf("Write failed: bad address!\n"); } count++; return(err); } DEV_MODULE(echo,echo_loader,NULL); 在&os; 4.X上安装此驱动程序，你将首先需要用如下命令在 你的文件系统上创建一个节点： &prompt.root; mknod /dev/echo c 33 0 驱动程序被加载后，你应该能够键入一些东西，如： &prompt.root; echo -n "Test Data" > /dev/echo &prompt.root; cat /dev/echo Test Data 真正的硬件设备在下一章描述。 补充资源 Dynamic Kernel Linker (KLD) Facility Programming Tutorial - Daemonnews October 2000 How to Write Kernel Drivers with NEWBUS - Daemonnews July 2000 block devices(块设备) 其他&unix;系统支持另一类型的磁盘设备，称为块设备。块设备是内核 为它们提供缓冲的磁盘设备。这种缓冲使得块设备几乎没有用，或者说非常 不可靠。缓冲会重新安排写操作的次序，使得应用程序丧失了在任何时刻及时 知道准确的磁盘内容的能力。这导致对磁盘数据结构（文件系统，数据库等）的 可预测的和可靠的崩溃恢复成为不可能。由于写操作被延迟，内核无法向应用 程序报告哪个特定的写操作遇到了写错误，这又进一步增加了一致性问题。 由于这个原因，真正的应用程序从不依赖于块设备，事实上，几乎所有访问 磁盘的应用程序都尽力指定总是使用字符（或raw）设备。 由于实现将每个磁盘（分区）同具有不同语义的两个设备混为一谈，从而致使 相关内核代码极大地复杂化，作为推进磁盘I/O基础结构现代化的一部分，&os; 抛弃了对带缓冲的磁盘设备的支持。 network devices(网络设备) 访问网络设备的驱动程序不需要使用设备节点。选择哪个驱动程序是 基于内核内部的其他决定而不是调用open()，对网络设备的使用通常由 系统调用socket(2)引入。 更多细节， 请参见 ifnet(9) 联机手册、 回环设备的源代码， 以及 Bill Paul 撰写的网络驱动程序。