旅途

圖6示出設(shè)備驅(qū)動(dòng)的分層結(jié)構(gòu)，從中可以看出，處于應(yīng)用層的進(jìn)程通過(guò)文件描述字fd與已打開(kāi)文件的file結(jié)構(gòu)相聯(lián)系。在文件系統(tǒng)層，按照文件系統(tǒng)的操作規(guī)則對(duì)該文件進(jìn)行相應(yīng)處理。

對(duì)于一般文件(即磁盤(pán)文件)，要進(jìn)行空間的映射—從普通文件的邏輯空間映射到設(shè)備的邏輯空間，然后在設(shè)備驅(qū)動(dòng)層做進(jìn)一步映射—從設(shè)備的邏輯空間映射到物理空間(即設(shè)備的物理地址空間)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)底層物理設(shè)備工作。

對(duì)于設(shè)備文件，則文件的邏輯空間通常就等價(jià)于設(shè)備的邏輯空間，然后從設(shè)備的邏輯空間映射到設(shè)備的物理空間，再驅(qū)動(dòng)底層的物理設(shè)備工作。

2.設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和內(nèi)核之間的接口

Linux系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序之間使用標(biāo)準(zhǔn)的交互接口。無(wú)論是字符設(shè)備、塊設(shè)備還是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，當(dāng)內(nèi)核請(qǐng)求它們提供服務(wù)時(shí)，都使用同樣的接口。

Linux 提供了一種全新的機(jī)制，就是“可安裝模塊”。可安裝模塊是可以在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)地安裝和拆卸的內(nèi)核模塊。利用這個(gè)機(jī)制，可以根據(jù)需要在不必對(duì)內(nèi)核重新編譯 連接的條件下，將可安裝模塊動(dòng)態(tài)插入運(yùn)行中的內(nèi)核，成為其中一個(gè)有機(jī)組成部分，或者從內(nèi)核卸載已安裝的模塊。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序或與設(shè)備驅(qū)動(dòng)緊密相關(guān)的部分(如 文件系統(tǒng)) 都是利用可安裝模塊實(shí)現(xiàn)的。

在應(yīng)用程序界面上，利用內(nèi)核提供的系統(tǒng)調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)可安裝模塊的動(dòng)態(tài)安裝和拆卸。但通常情況下，用戶(hù)是利用系統(tǒng)提供的插入模塊工具和移走模塊工具來(lái)裝卸可安裝模塊。插入模塊的工作主要如下：

(1) 打開(kāi)要安裝的模塊，把它讀到用戶(hù)空間。這種“模塊”就是經(jīng)過(guò)編譯但尚未連接的.o文件。

(2) 必須把模塊內(nèi)涉及對(duì)外訪問(wèn)的符號(hào)(函數(shù)名或變量名)連接到內(nèi)核，即把這些符號(hào)在內(nèi)核映像中的地址填入該模塊需要訪問(wèn)這些符號(hào)的指令及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。

(3) 在內(nèi)核創(chuàng)建一個(gè)module數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并申請(qǐng)所需的系統(tǒng)空間。

(4) 最后，把用戶(hù)空間中完成了連接的模塊映像裝入內(nèi)核空間，并在內(nèi)核中“登記”本模塊的有關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(如file_operations結(jié)構(gòu))，其中有指向執(zhí)行相關(guān)操作函數(shù)的指針。

如前所述，Linux系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的操作系統(tǒng)。用戶(hù)根據(jù)工作中的需要，會(huì)對(duì)系統(tǒng)中設(shè)備重新配置，如安裝新的打印機(jī)、卸載老式終端等。這樣，每當(dāng)Linux系統(tǒng)內(nèi)核初啟時(shí)，它都要對(duì)硬件配置進(jìn)行檢測(cè)，很有可能會(huì)檢測(cè)到不同的物理設(shè)備，就需要不同的驅(qū)動(dòng)程序。

在構(gòu)建系統(tǒng)內(nèi)核時(shí)，可以使用配置腳本將設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序包含在系統(tǒng)內(nèi)核中。在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)對(duì)這些驅(qū)動(dòng)程序初始化，它們可能未找到所控制的設(shè)備，而另外的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以在需要時(shí)作為內(nèi)核模塊裝入到系統(tǒng)內(nèi)核中。
為了適應(yīng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序動(dòng)態(tài)連接的特性，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在其初始化時(shí)就在系統(tǒng)內(nèi)核中進(jìn)行登記。Linux系統(tǒng)利用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的登記表作為內(nèi)核與驅(qū)動(dòng)程序接口的一部分，這些表中包括指向有關(guān)處理程序的指針和其它信息。

3.字符設(shè)備

在Linux 系統(tǒng)中，打印機(jī)、終端等字符設(shè)備都作為字符特別文件出現(xiàn)在用戶(hù)面前。用戶(hù)對(duì)字符設(shè)備的使用就和存取普通文件一樣。在應(yīng)用程序中，使用標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)調(diào)用來(lái)打 開(kāi)、關(guān)閉、讀寫(xiě)字符設(shè)備。當(dāng)字符設(shè)備初始化時(shí)，其設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序被添加到由device_struct結(jié)構(gòu)組成的chrdevs結(jié)構(gòu)數(shù)組中。

device_struct 結(jié)構(gòu)由兩項(xiàng)構(gòu)成，一個(gè)是指向已登記的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序名的指針，另一個(gè)是指向file_operations結(jié)構(gòu)的指針。而file_operations結(jié) 構(gòu)的成分幾乎全是函數(shù)指針，分別指向?qū)崿F(xiàn)文件操作的入口函數(shù)。設(shè)備的主設(shè)備號(hào)用來(lái)對(duì)chrdevs數(shù)組進(jìn)行索引，如圖7所示。



圖7 字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序示意圖

前面講過(guò)，每個(gè)VFS索引節(jié)點(diǎn)都和一系列文件操作相聯(lián)系，并且這些文件操作隨索引節(jié)點(diǎn)所代表的文件類(lèi)型不同而不同。每當(dāng)一個(gè)VFS索引節(jié)點(diǎn)所代表的字符設(shè)備文件創(chuàng)建時(shí)，它的有關(guān)文件的操作就設(shè)置為默認(rèn)的字符設(shè)備操作。

默認(rèn)的文件操作只包含一個(gè)打開(kāi)文件的操作。當(dāng)打開(kāi)一個(gè)代表字符設(shè)備的特別文件以后，就得到相應(yīng)的VFS索引節(jié)點(diǎn)，其中包括該設(shè)備的主設(shè)備號(hào)和次設(shè)備號(hào)。

利用主設(shè)備號(hào)就可以檢索chrdevs數(shù)組，進(jìn)而可以找到有關(guān)此設(shè)備的各種文件操作。這樣，應(yīng)用程序中的文件操作就會(huì)映射到字符設(shè)備的文件操作調(diào)用中。

4.塊設(shè)備

對(duì)塊設(shè)備的存取和對(duì)文件的存取方式一樣，其實(shí)現(xiàn)機(jī)制也和字符設(shè)備使用的機(jī)制相同。Linux系統(tǒng)中有一個(gè)名為blkdevs的結(jié)構(gòu)數(shù)組，它描述了一系列在系統(tǒng)中登記的塊設(shè)備。

數(shù)組blkdevs也使用設(shè)備的主設(shè)備號(hào)作為索引，其元素類(lèi)型是device_struct結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)中包括指向已登記的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序名的指針和指向block_device_operations結(jié)構(gòu)的指針。

在block_device_operations結(jié)構(gòu)中包含指向有關(guān)操作的函數(shù)指針。所以，該結(jié)構(gòu)就是連接抽象的塊設(shè)備操作與具體塊設(shè)備類(lèi)型的操作之間的樞紐。

與字符設(shè)備不一樣，塊設(shè)備有幾種類(lèi)型，例如SCSI設(shè)備和IDE設(shè)備。每類(lèi)塊設(shè)備都在Linux系統(tǒng)內(nèi)核中登記，并向內(nèi)核提供自己的文件操作。

為了把各種塊設(shè)備的操作請(qǐng)求隊(duì)列有效地組織起來(lái)，內(nèi)核中設(shè)置了一個(gè)結(jié)構(gòu)數(shù)組blk_dev，該數(shù)組中的元素類(lèi)型是blk_dev_struct結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)由三個(gè)成分組成，其主體是執(zhí)行操作的請(qǐng)求隊(duì)列request_queue，還有一個(gè)函數(shù)指針queue。

當(dāng) 這個(gè)指針不為0時(shí)，就調(diào)用這個(gè)函數(shù)來(lái)找到具體設(shè)備的請(qǐng)求隊(duì)列。這是考慮到多個(gè)設(shè)備可能具有同一主設(shè)備號(hào)，該指針在設(shè)備初始化時(shí)被設(shè)置好。通常當(dāng)它不為0 時(shí)，還要使用該結(jié)構(gòu)中的另一個(gè)指針data，用來(lái)提供輔助性信息，幫助該函數(shù)找到特定設(shè)備的請(qǐng)求隊(duì)列。每一個(gè)請(qǐng)求數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都代表一個(gè)來(lái)自緩沖區(qū)的請(qǐng)求。

每當(dāng)緩沖區(qū)要和一個(gè)登記過(guò)的塊設(shè)備交換數(shù)據(jù)，它都會(huì)在blk_dev_struct中添加一個(gè)請(qǐng)求數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如圖8所示。



圖8 塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖

每 一個(gè)請(qǐng)求都有一個(gè)指針指向一個(gè)或多個(gè)buffer_head數(shù) 據(jù)結(jié)構(gòu)，而該結(jié)構(gòu)都是一個(gè)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)塊的請(qǐng)求。每一個(gè)請(qǐng)求結(jié)構(gòu)都在一個(gè)靜態(tài)鏈表all_requests中。若干請(qǐng)求是添加到一個(gè)空的請(qǐng)求鏈表中，則調(diào)用設(shè) 備驅(qū)動(dòng)程序的請(qǐng)求函數(shù)，開(kāi)始處理該請(qǐng)求隊(duì)列。否則，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序就簡(jiǎn)單地處理請(qǐng)求隊(duì)列中的每一個(gè)請(qǐng)求。

當(dāng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序完成了一個(gè)請(qǐng)求后，就把buffer_head結(jié)構(gòu)從request結(jié)構(gòu)中移走，并標(biāo)記buffer_head結(jié)構(gòu)已更新，同時(shí)解鎖，這樣，就可以喚醒相應(yīng)的等待進(jìn)程。