LDD-Advanced Char Driver Operation

ioctl
ioctl是驱动程序向用户提供的控制设备的接口。用户空间的ioctl系统调用的形式如下：
int ioctl(int fd, unsigned long cmd, ...);
驱动程序的ioctl形式有所不同：
int (*ioctl) (struct inode *inode, struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg);

其中参数inode和filep与系统调用中的fd相对应，cmd和系统调用中的cmd一致，可选的参数为arg。

可以预见的是，ioctl的具体实现中包含大量的switch语句——根据cmd的值来执行不同的操作。
 
Linux的第一个版本采用16bit的cmd，高8位是和设备相关的魔数，低8位是连续的序列号，程序员需要根据include/asm/ioctl.h和Documentation/ioctl-number.txt来获得设备的cmd；这种方法已经被遗弃，但是仍有一些驱动程序采用这种构造方法。
现在cmd由四个bitfield组成，type、number、direction、size，见linux/ioctl.h。asm/ioctl.h中定义了创建cmd的宏，_IO，_IOR，_IOW，_IOWR，及相对的可以实现cmd解码的宏。
 
需要说明的是，内核能够识别一些cmd（预定义cmd）——这些cmd在传送到设备（调用设备自己的文件操作）之前会被解码。也就是说，如果用户自定的ioctl采用了这些cmd，不会有任何请求发出。
预定义cmd根据发送的对象分为三种：发送到任何文件（普通、设备、fifo、套接字）的、发送到普通文件的、发送到特定文件系统的。
下列预定义cmd适用于所有文件：FIOCLEX，FIONCLEX，FIOASYNC，FIOQSIZE，FIONBIO。
 
ioctl通常需要从用户空间接收数据，或者发送数据到用户空间，在传递大量数据时，可以采用copy_from_user和copy_to_user。
如果传送的数据较少（1，2，4，8byte），可以采用速度更快的方法put_user，get_user。
 
由于设备在Linux中以文件的形式管理，对于设备的访问权限控制就是对相应的设备文件的权限控制。内核提供了两个系统调用capget和capset供用户查询和设置文件的访问权限。访问权限的相关定义在linux/capability.h。
 
除了ioctl，可以直接向设备写入控制序列来控制设备，例如控制台驱动通过转义序列来移动光标等等。这种方式不用像ioctl一样，只能通过程序来配置设备，甚至可以从另外一个系统发送控制命令。
 
Blocking I/O
如果用户程序尝试对没有数据的设备进行读操作、或是对还未就绪接收数据的设备进行写操作，驱动程序需要将程序阻塞，直到能够处理程序的请求。
Linux设备驱动可以简单地使一个进程进入休眠状态，但是需要遵循以下规则：不能在互斥上下文中休眠，例如持有自选锁，seqlock，或者RCU lock；不能在关闭中断后休眠。
在程序从休眠状态中恢复时，需要检查所等待的条件确实已经满足——你不直到在休眠时发生了什么。
程序在休眠之前，一定要确定有别的程序会将其唤醒，而且一定要搞清楚什么事件能够将程序唤醒。
内核提供的进入休眠的方法（宏）有：
1 wait_event(queue, condition)
2 //不可中断的sleep
3 wait_event_interruptible(queue, condition)
4 //可中断的sleep
5 wait_event_timeout(queue, condition, timeout)
6 //休眠一段时间
7 wait_event_interruptible_timeout(queue, condition, timeout)
需要注意的是，宏中condition会在等待任何长度的事件后进行判断。
唤醒处于休眠状态的方法有：
void wake_up(wait_queue_head_t *queue);
void wake_up_interruptible(wait_queue_head_t *queue);
 
linux/sched.h中定义进程的状态，通过
void set_current_state(int new_state);
可以设置当前进程的状态。但是并不会将当前的进程置于休眠状态，需要调用schedule()函数，交出CPU，才能真正进入休眠状态。
 
thundering herd：多个进程等待同一个条件，当这个条件满足时，只有一个进程能够继续执行，其他的进程还要继续进入休眠状态；如此循环。
为了解决这个问题，内核提供了互斥的等待（exclusive wait）选项，和普通的休眠有以下区别：
  1. 设置WQ_FLAG_EXCLUSIVE标志的进程，在添加到等待队列时置于队尾，而没有设置该标志位的会置于队首。
  2. 调用wake_up函数时，在唤醒第一个设置WQ_FLAG_EXLCUSIVE的进程后停止执行
wake函数的变体可以参阅文件linux/wait.h。
 
poll and select
采用非阻塞I/O的程序通常采用poll，select，epoll系统调用来判断是否可以对一个打开的文件进行非阻塞的读写；这些系统调用也可以将进程阻塞，直到文件可以读写。
驱动程序需要实现poll函数来支持这些系统调用：
unsigned int (*poll) (struct file *filp, poll_table *wait);
驱动程序的poll函数通常包含两个步骤：
  1. 对表明poll状态改变的等待队列调用poll_wait，如果此时I/O没有可用的文件描述符，内核使进程进入等待状态
  2. 返回一个指明可以立刻执行的不被阻塞的操作的掩码
struct poll_table定义在linux/pull.h，驱动可以调用poll_wait，将一个等待队列添加到poll_table。
void poll_wait(struct file *filep, wait_queue_head_t *wait_queue, poll_table *wait);
操作码的定义也在文件linux/pull.h中。
 
poll和select是为了提前判断I/O操作是否会被阻塞，作为读写操作的补充。三个操作的实现，对于驱动程序的正常工作十分重要，总结起来：
  1. 读操作：
    • 如果缓冲区有数据，立即返回；poll报告POLLIN|POLLRDNORM
    • 如果缓冲区没有数据，默认情况下阻塞，直到有数据到来；如果O_NONBLOCK标志设置，立即返回-EAGAIN。poll报告当前设备不可读
    • 如果到达文件末尾，返回0，无论是否设置O_NONBLOCK；poll报告POLLHUP
  2. 写操作：
    • 如果缓冲区有空间，立即返回；poll报告POLLOUT|POLLWRNORM
    • 如果缓冲区已满，默认阻塞写操作，直到有空间可用；如果设置O_NONBLOCK，立即返回-EAGAIN，poll报告文件不可写。如果设备不能接收更多的数据，无论O_NONBLOCK是否设置，返回-ENOSPC
    • "Never make a write call wait for data transmission before returning, even if O_NONBLOCK is clear."这是因为许多程序调用select来判断写操作是否会被阻塞，如果设备被报告是可写的，调用不能被阻塞
  3. Flushing pending output：
    • 系统调用fsync会调用设备驱动的fsync很熟，将数据写入到设备中
int (*fsync) (struct file *file, struct dentry *dentry, int datasync);
用户程序调用poll、select、或者epoll_ctl时，内核会调用所有该系统调用引用的文件的poll方法（ the kernel invokes the poll method of all files referenced by the system call），传递相同的poll_table参数。poll_table是poll_table_entry的链表，每个链表项包含一个struct file和一个指向wait_queue_head_t指针。整个链表由内核维护。
poll函数返回时，poll_table会被销毁，所有添加到等待队列的项也会被删除。
如果系统中的文件过多，在调用poll函数时需要生成巨量的数据结构，函数完成后又会释放，导致开销十分大。epoll族函数能够一次创建这个内核数据结构，使用多次。
 
Asynchronous Notification
考虑以下场景：一个优先级较低的应用要执行一个周期很长的计算操作，还要尽可能快的处理新到的数据。如果采用阻塞的I/O，由于其优先级较低，可能等待的事件很长。如果采用轮询的方法，需要定时地调用poll函数，性能开销大。
异步通知的方法，能够实现程序需要的数据可用时，收到一个信号将其唤醒，尽可能快的进入运行状态。
只需两步即可激活异步通知功能：
  1. 将一个进程设为要接收通知的文件的所有者：调用fcntl系统调用将进程的ID保存到filp->f_owner，告知内核文件有新数据到来时应该通知谁
  2. 通过fcntl系统调用设置设备文件的FASYNC标志
这样，新数据到来时，内核会发送SIGIO信号给相应的进程。
通常情况下，socket和tty支持异步通知。如果某个进程在多个文件上都激活了异步通知功能，还需要调用poll或者select函数来确定发出通知的文件。
 
驱动程序要实现异步通知功能，可以借助于内核linux/fs.h中提供的函数：
int fasync_helper(int fd, struct file *filp, int mode, struct fasync_struct **fa);
void kill_fasync(struct fasync_struct **fa, int sig, int band);

 

llseek
为了保证读写函数能够正常工作，驱动程序还需要提供llseek函数。如果设备不支持seek操作，例如串口设备，需要在驱动的open方法里调用nonseekable_open，
int nonseekable_open(struct inode *inode, struct file *filp);
将传入filp标记为nonseekable，并在file_operations中的llseek域设为no_llseek辅助函数。
 
Access Control on a Device File
只能由一个进程使用的设备文件：在驱动程序的open函数内添加一个原子变量来控制使用该文件的进程的数量。
只能由一个用户使用的设备文件：在设备的数据结构内添加用户的ID和设备打开的计数
虚拟设备：对于没有绑定到特定硬件对象的设备，可以创建一个软件的副本
 
 
志：Linux将所有设备都抽象为文件进行管理，于是对于设备权限的管理就是对于相对应文件的权限的管理。
      系统调用是操作系统提供给用户的与内核交互的接口，而驱动是和设备交互的接口——于是用户程序调用系统调用时，最后都会由内核发送给驱动程序进行处理，调用驱动程序对应的函数。
posted @ 2018-11-09 17:54  glob  阅读(157)  评论(0)  编辑  收藏  举报