1 IO端口映射

IO端口与CPU直连，CPU读取IO端口时需要一个地址，就是IO端口物理地址的映射。

IO映射有两种方式：

  • 内存映射：ARM架构芯片只有一个物理地址空间，因此IO端口直接被内存的一部分，内核像访问内存一样访问端口
  • IO空间映射：X86架构有专门的IO空间，CPU通过设立专门的I/O指令（如X86的IN和OUT指令）来访问这一空间中的地址单元（也即I/O端口）

 

 

2 IO端口模型

2.1 IO端口寄存器

内核对IO编程提供统一的方法，每个设备的IO端口都被组织成一组专用寄存器：

  • 控制寄存器
  • 状态寄存器
  • 输入寄存器
  • 输出寄存器

 

2.2 IO设备树

IO设备驱动程序使用资源（struct resource）记录分配给每个硬件的IO端口，以免资源冲突！

  • char *name：资源拥有者的描述
  • unsigned long start：资源范围的开始
  • unsigned long end：资源范围的结束
  • unsigned long flags：各种标志
  • struct resource *parent：指向资源树中的父节点
  • struct resource *parent：指向资源树中的兄弟节点
  • struct resource *parent：指向资源树中的子节点，子节点的范围（start->end）一定包含在主节点范围内

主节点和子节点的地址范围类似harden和subdev、subdev和component的关系。

可以从/proc/ioports文件中获取当前分配给IO设备的所有IO地址树。比如这里：

 

 

3 IO接口

3.1 概念

IO端口就是带有地址的port口，IO接口则是处于一组IO端口和对应设备控制器之间的一种硬件电路；

它起到翻译作用：

  • IO端口的值 -> IO接口 -> 设备需要的数据和命令
  • 设备状态变化 -> IO接口 -> 更新IO端口寄存器

IO接口还可以通过一条IRQ线把电路连接到可编程中断控制器，代表硬件设备发起中断请求。

 

3.2 分类

① 专用IO接口：键盘接口，图形接口（GPU），磁盘接口，总线鼠标接口，网络接口，等

② 通用IO接口：并口，串口，PCMCIA接口，SCSI接口，通用串行总线（USB），等

 

 

4 设备驱动程序模型的组成

Linux2.6提供了一些数据结构和辅助函数，为系统中所有总线、设备以及驱动程序提供了一个统一的视图 —— 设备驱动程序模型。在/sys目录下有：

  • block：块设备
  • devices：被内核识别的硬件设备
  • bus：系统中用于连接设备的总线
  • class：系统中设备的类型（声卡、网卡、显卡等）
  • power：处理一些硬件设备电源状态的文件
  • firmwarm：处理一些硬件设备的固件的文件

 

 

5 struct kobject和kset容器

5.1 struct kobject

  • char *k_name：容器名称
  • struct kref：容器的引用计数
  • struct kset *kset：kobject嵌入的容器
  • struct kobj_type *ktype：指向kobject的类型描述符
  • struct list_head entry：kobject所插入链表的指针
  • struct kobject *parent：指向父kobject

每个kobject对应于sysfs文件系统中的一个目录！kobject被嵌入一个叫做容器的更大的对象中：这个容器叫做kset，kset是具有相同类型的kobject的集合。kobject是一个抽象的结构体，并不包含任何实际的设备信息，它被嵌入容器中，其他重要结构体（struct device或struct device_driver）包含kobject，用于结构体本身的层级描述，比如device的层级关系描述存放在其包含的kobject中。

设备驱动模型之Kobject和Kset详解

 

5.2 struct kset

  • struct subsystem *subsys：指向subsystem描述符
  • struct kobj_type *ktype：指向set的kobject类型描述符（kset->ktype == kset->kobj->ktype）
  • struct list_head list：包含在kset中的kobject链表的首部
  • struct kobject *kobj：嵌入的kobject结构
  • struct kset_hotplug_ops *hotplug_ops：只想用于处理kobject结构的过滤和热插拔操作的回到函数表

kset最重要的是建立上层(sub-system)和下层的(kobject)的关联性。kset是一组kobject的集合，当某一件事发生时，可以同时由kset通知到集合中的kobject。

 

 

6 设备和设备驱动程序

6.1 设备struct device

  • struct kobject *kobj：内嵌的kobject结构
  • struct device_driver *driver：指向控制设备驱动程序的指针

device对象全部收集在device_subsys子系统中，对应的目录为/sys/devices；

每个设备驱动程序都保持一个device对象链表，链接了所有可被管理的设备；

 

6.2 设备驱动程序struct device_driver

  • char *name：设备驱动程序的名称
  • struct kobject kobj：内嵌的kobject结构
  • struct list_head devices：驱动程序支持的所有设备的链表
  • struct module *owner：标识实现设备驱动程序的模块
  • int (*)(struct device *) probe：探测设备的方法
  • int (*)(struct device *) remove：移走设备的方法
  • int (*)(struct device *) suspend：设置设备低功率状态的方法
  • int (*)(struct device *) resume：设备恢复正常时所调用的方法

device_driver被嵌入到一个更大的描述符中，比如相机驱动程序由数据结构vcam_driver描述，其包含一个device_driver对象；

device_register()/device_unregister()：往设备驱动模型中插入/移除一个新的device_driver。

设备驱动程序注册的时机：静态被编译进内核，则在内核初始化的时候进行；如果作为一个内核模块（ko），则在模块装入（insmod）的时候注册。

设备驱动程序可以早些注册，方便用户态程序使用，但是需要尽可能晚的初始化（分配内存，IRQ等资源），以节省资源。

 

 

7 总线

7.1 struct bus_type

  • char *name：总线类型的名称
  • struct subsustem subsys：与总线类型相关的kobject子系统，与/sys/bus/*是对应的，比如/sys/bus/pci表示总线类型为pci，子系统就是pci总线子系统
  • struct kset drivers：驱动程序的kobject集合，包含描述符struct device_driver
  • struct kset devices：设备的kobject集合，包含描述符struct device

内核所支持的每一种总线类型都由bus_type对象描述。

 

 

8 设备文件

设备文件的索引节点包含硬件设备的标识符，对应字符或块设备；

设备标识符 = 设备类型 + 主设备号 + 次设备号，具有相同设备类型（字符设备或块设备）和主设备号的所有设备文件可以由同一个设备驱动程序处理，次设备号标识了具体的设备。

早期版本Linux主设备号和次设备号都是8位长，Linux2.6增加了设备号的位长：主12位 + 次20位.

动态分配主次设备号：alloc_chrdev_region()注册设备，传入次设备号、分配设备数量和设备名；该函数会把分配的到的设备号保存在dev中。cdev_init()和cdev_add()注册设备到驱动设备模型，输入参数需要cdev而不是设备号，与动态分配设备号呼应。

动态创建设备文件：udev工具集扫描/sys/class子目录寻找dev文件，在/dev目录下创建对应的设备文件。这样/dev目录下只会创建系统内核支持的设备文件，没有其他多余文件。

创建时机：加载设备驱动程序，或热拔插设备。

普通文件和设备文件在用户层看来没有区别，是因为VFS屏蔽了操作细节，并根据设备类型实现不同函数的调用（open，read，write，lseek，ioctl）。

Linux字符驱动中动态分配设备号与动态生成设备节点

 

 

9 DMA

CPU可以读写RAM，所以RAM和IO设备通信的时候需要CPU参与；DMA电路就是替代CPU实现RAM和IO设备通信的电路。

DMA一旦被激活，可以自行传输数据，当传输完成，会触发一个中断；

当CPU和DMA同时访问RAM，由内存仲裁器解决冲突。

DMA的设置时间比较长，因此传输数据量较少时不如直接使用CPU效率高。

 

 

10 内核对设备驱动程序的支持

① 内核不识别端口：使用in/out 汇编语言 + 端口物理地址 可以直接与设备的IO端口交互

② 内核仅识别端口：把IO接口视为能够读写的字符流的顺序设备；只有某些操作系统的并口和串口使用了这种方法

③ 内核识别设备文件：通过对设备文件的VFS接口操作设备

 

 

11 字符设备驱动程序

字符设备驱动程序描述符：struct cdev

  • struct kobject kobj： 内嵌的object
  • struct module *owner： 驱动程序模块指针
  • struct file_operations *ops： 驱动程序文件操作表指针
  • struct list_head list： 相同字符设备驱动所对应的字符设备文件的链表
  • dev_t dev： 初始主设备号和次设备号
  • unsigned int count：设备号范围