高级字符设备进阶

1.一个完整的IO过程包含以下几个步骤：1应用程序向操作系统发起IO调用请求(系统调用)；2操作系统准备数据，把IO设备的数据加载到内核缓冲区；3操作系统拷贝数据，把内核缓冲区的数据从内核空间拷贝到应用空间。IO模型有阻塞IO、非阻塞IO、IO多路复用、信号驱动IO、异步IO，其中前四个被称之为同步IO，只有最后一种是真正的异步IO，因为无论是多路复用IO还是信号驱动模型，IO操作的第2个阶段都会引起用户线程阻塞，也就是内核进行数据拷贝的过程都会让用户线程阻塞。示意图如下：

• 阻塞IO：

  

• 非阻塞IO：

  

• IO多路复用：IO多路复用可以实现一个进程监视多个文件描述符，一旦其中一个文件描述符准备就绪，就通知应用程序进行相应的操作

  

• 信号驱动IO：信号驱动IO不需要应用程序去查询设备的状态。一旦设备准备就绪，就触发SIGIO信号，该信号会通知应用程序数据已经到来

  

• 异步IO：

  

2.等待队列：等待队列是内核实现阻塞和唤醒的内核机制，等待队列以循环链表为基础结构，链表头和链表项分别为等待队列头和等待队列元素，整个等待队列由等待队列头进行管理。等待队列头使用结构体 wait_queue_head_t来表示， 等待队列头就是一个等待队列的头部，Linux中与等待队列定义在文件include/linux/wait.h里面，如下图：

结构体wait_queue_entry_t表示等待队列项，结构体内容如下：

list_head的结构为：

所以整个等待队列的结构如下图所示：

初始化一个等待队列头的方法有两种：1先定义一个等待队列头wait_queue_head_t head;，然后用void init_waitqueue_head(wait_queue_head_t *q)函数将其初始化；2使用宏定义DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name)一次性定义并初始化一个等待队列头，这里的name的类型是结构体 wait_queue_head_t。等待队列项一般使用宏DECLARE_WAITQUEUE(name, task)来创建，name就是等待队列项的名字，其类型是结构体wait_queue_entry_t。task表示这个等待队列项属于哪个任务(进程)，一般设置为current，在Linux内核中current相当于一个全局变量，表示当前进程。因此DECLARE_WAITQUEUE就是给当前正在运行的进程创建并初始化了一个等待队列项。例如：DECLARE_WAITQUEUE(wait,current);表示给当前正在运行的进行创建一个名为wait的等待队列项，再使用add_wait_queue(&wq,&wait);表示将wait这个等待队列项加到wq这个等待队列当中。void add_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_entry_t *wait)函数可将队列项加入某个队列中，q是待加入队列的等待队列（头），wait是要加入的等待队列项。void remove_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_entry_t *wait)函数用于从等待队列中删除等待队列项，其中q是目标队列的等待队列头，wait是要删除的等待队列项。当设备可以使用的时候就要唤醒进入休眠态的进程，唤醒可以使用如下两个函数：wak_up(wait_queue_head_t *q)函数用于唤醒所有休眠进程；wake_up_interruptible(wait_queue_head_t *q)用于唤醒可中断的休眠进程。等待事件：1 wait_event (wq,condition)宏，不可中断的阻塞等待，让调用进程进入不可中断的睡眠状态, 在等待队列里面睡眠直到condition变成真，被内核唤醒，这里的wq的类型是结构体wait_queue_head_t，在condition为1时该函数不会阻塞而是会立即返回。2 wait_event_interruptible(wq,condition)宏，可中断的阻塞等待，让调用进程（当前进程）进入可中断的睡眠状态，直到condition 变成真被内核唤醒或信号打断唤醒，这里的wq的类型是结构体wait_queue_head_t，在condition为1时该函数不会阻塞而是会立即返回。等待队列的使用方法为：1.初始化等待队列头，并将条件置成假(condition=0)；2.在需要阻塞的地方调用wait_event()，使进程进入休眠；3.当条件满足时，需要解除休眠，先将条件置成真(condition=1)，然后调用wake_up函数唤醒等待队列中的休眠进程（可参考讯为Linux驱动视频第四期P2）。

3.应用程序可以使用如下所示示例代码来实现阻塞访问：fd=open("/dev/xxx_dev”，0RDWR);，ret =read(fd,&data,sizeof(data));，可以看出对于设备驱动文件的默认读取方式就是阻塞式的。如果应用程序要采用非阻塞的方式来访问驱动设备文件，可以使用如下所示代码：fd =open("/dev/xxx_dev",O_RDWR|O_NONBLOCK);、ret = read(fd, &data, sizeof(data))，上述代码在使用open数打开“/dev/xxx_dev”设备文件的时候添加了参数“O_NONBLOCK”表示以非阻塞方式打开设备，这样从设备中读取数据的时候就是非阻塞方式的了。在驱动程序中的读写函数里面，他们的参数中有一个struct file *file，这个结构体有一个成员file->flags用来记录打开文件时传入的O_RDWR|O_NONBLOCK，可以在驱动程序中根据这个来判断是否是以非阻塞方式实现IO（可参考讯为Linux驱动视频第四期P3）。

4.在应用层使用select（int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds,fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);）和poll（int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);）等系统调用会触发设备驱动中的poll()函数被执行，file_operations结构体中有一个函数指针成员poll：__poll_t (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);，一般在驱动程序中将其绑定到驱动程序中自定义的poll函数以实现应用层和驱动层的互通。驱动中poll函数要进行两项工作，第一项工作：对可能引起设备文件状态变化的等待队列调用poll_wait（void poll_wait(struct file *filp, wait_queue_head_t *queue, poll_table *wait);），该函数将对应的等待队列头添加到poll_table，等待特定事件的发生（如设备准备好读取或写入数据），poll_table 结构用于跟踪该进程的等待状态。poll_wait 函数本身是非阻塞的，它只是将当前进程加入到等待队列中，实际上阻塞当前进程的工作是在内核中的内核中的其他函数（do_poll）中完成的，事件发生时需要调用wake_up_interruptible等函数来唤醒被阻塞的进程。当应用层调用 poll 时，内核会依次检查文件描述符对应的设备是否已经准备好（例如是否可以读取数据，当应用层调用poll()函数时，它会遍历传入的文件描述符集合，并将每个文件描述符对应的设备驱动的poll()函数调用一遍）。如果设备尚未准备好（例如没有数据可读），进程会被加入到等待队列中，并且会进入阻塞状态。第二项工作：返回表示是否能对设备进行无阻塞读写访问的掩码。Linux中与poll有关的定义在include/linux/poll.h中。如下图所示（可参考讯为Linux驱动视频第四期P4，及实验18_poll）：

5.应用程序使用信号驱动IO的步骤：1注册信号处理函数，应用程序使用signal函数（sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);）来注册SIGIO信号的信号处理函数，SIGIO信号用于通知进程与IO相关的事件。这是一个事件驱动信号，通常用于告知进程，某个文件描述符已经准备好进行IO操作（例如，数据可以读取或可以写入），使得进程可以在不阻塞的情况下处理IO操作；2设置能够接收这个信号的进程，通过fcntl(fd,F_SETOWN,getpid());实现，这句的作用是将指定的文件描述符fd的IO操作的信号通知目标设置为当前进程。这意味着，当该文件描述符上的IO事件（如可读、可写等）发生时，操作系统会发送一个信号（通常是SIGIO）给指定的进程；3开启信号驱动IO，通常使用fcnt1的F_SETFL命令打开FASYNC标志，如：flags=fcntl(fd,F_GETFD);，fcntl(fd,F_SETFL,flags|FASYNC);。驱动程序中要执行以下步骤：1当应用程序开启信号驱动IO时，会触发驱动中的fasync函数，所以首先将file_operations结构体中的成员fasync（int (*fasync) (int, struct file *, int);）绑定到在驱动程序中自定义的fasync函数。2在自定义的fasync函数中调用fasync_helper函数来操作fasync_struct结构体，fasync_helper函数原型为int fasync_helper(int fd, struct file * filp, int on, struct fasync_struct **fapp)，该函数用于管理与文件描述符相关的IO事件，它根据文件描述符的标志位，控制是否将IO事件的信号（如SIGIO）发送给进程，fasync_helper会在文件描述符注册时，通过fasync_struct将文件描述符与进程进行绑定，确保在文件描述符准备好时，能够通知进程（通过发送SIGIO信号）。其中fd是这是需要设置IO的文件描述符，filp是指向struct file结构体的指针，该结构体代表一个已经打开的文件，filp是内核中的文件句柄，用于表示内核中的文件对象，on参数指定是否启用IO，fapp是一个指向fasync_struct指针的指针，fasync_struct用于存储与IO相关的数据，如进程的异步通知队列。3当设备准备好的时候，驱动程序需要调用kill_fasync函数通知应用程序，此时应用程序的SIGIO信号处理函数就会被执行，kill_fasync负责发送指定的信号。函数原型为void kill_fasync(struct fasync_struct **fp, int sig, int band);，其中fp是要操作的fasync_struct，sig是要发送的信号，band在可读的时候设置成POLLIN，可写的时候设置成POLLOUT（可参考讯为Linux驱动视频第四期P5）。

6.Linux内核定时器是一种基于未来时间点的计时方式，基于未来时间点的计时是以当前时刻为计时开始的时间点，以未来的某一时刻为计时的终点。比如，现在是早上7点，我用手机定时五分钟，定时时间就是7点+5分钟=7点5分。内核定时器的精度不高，所以不能作为高精度定时器使用，并且内核定时器不是周期性运行的，到计时终点后会自动关闭。如果想要实现周期性定时，就需要定时处理函数中重新开启定时器。Linux内核使用timer_list结构体表示内核定时器（这个定时器只能用在内核，用户空间的定时器相关函数是timer_create()、timer_settime()等），timer_list定义在include/linux/timer.h头文件当中，定义如下：

在timer_list结构体中，expires为计时终点的时间，单位是节拍数。Linux内核中有一个宏HZ，这个宏用来表示一秒钟对应的节拍的数量，利用这个宏就可以把时间转换成节拍数。比如定时一秒钟换成节拍数就是expires=jiffies+5*HZ，其中jiffies为系统当前时间对应的节拍数。宏HZ的值是可以设置的，也就是说一秒钟对应多少个节拍数是可以设置的。进入内核源码目录，打开menuconfig图形化配置界面，按照->Kernel Features->Timer frequency(<choice>[=y])就可以设置。全局变量jiffies用来记录自系统启动以来产生的节拍的总数。系统启动时，内核将该变量初始化为0，此后每次时钟中断处理程序都会增加该变量的值。 因为一秒内时钟中断的次数为HZ(节拍数)，所以jiffies一秒内增加的值也就为HZ(节拍数)，系统运行时间以秒为单位计算， 就等于 jiffies/HZ。jiffies=seconds*HZ。jiffies定义在文件include/linux/jiffies.h 中，定义如下（jiffies_64和jiffies分别对应64和32位系统）:

与全局变量jiffies相关的转换函数如下图：

内核定时器的使用步骤为：1初始化内核定时器（struct timer_list），可以直接使用宏DEFINE_TIMER(_name, _function)来初始化内核定时器（对应于5以上的内核版本），其中_name为定时器名字，_function为回调函数，然后用_name.expires=jiffies_64 +msecs_to_jiffies(ms);来设置定时时间。2调用void add_timer(struct timer_list *timer)函数向Linux内核注册定时器。3在驱动出口函数中调用int del_timer(struct timer_list * timer)删除定时器。4如果想修改定时时间，可以调用int mod_timer(struct timer_list *timer, unsigned long expires)进行修改（可参考讯为Linux驱动视频第四期P7、P8）。

7.Linux中的dmesg命令用于显示内核的环形缓冲区（ring buffer）中的消息，这些消息通常是内核在系统启动时、驱动加载时、硬件设备初始化时等阶段产生的日志信息。通过dmesg命令，可以查看到系统启动过程中的各种硬件设备识别、驱动加载以及其他内核层面的信息。dmesg命令的参数如下图所示：

在ubuntu中直接执行insmod命令安装内核模块是看不到打印信息的，而cat /proc/kmsg 命令用于查看 Linux 系统中的内核日志，它直接从 /proc/kmsg 文件读取内核缓冲区中的日志消息，实时显示系统运行时内核产生的实时日志输出在终端。所以可以开启两个终端在其中一个中执行cat /proc/kmsg 命令，在另一个终端进行内核模块的安装就能看到打印信息了。

8.Linux内核日志的打印是有打印等级的，可以通过调整内核的打印等级来控制打印日志的输出，使用命令cat /proc/sys/kernel/printk可以查看默认的打印等级。如下图所示：

打印等级有四个数字，这四个数字分别代表console_loglevel(当前控制台日志等级，它控制了内核消息被输出到控制台的最低日志等级)、default_message_loglevel(默认消息等级，若没指定输出日志的等级，内核将使用这个默认值)、minimum_console_loglevel(控制台日志等级可被设置的最小值(最高优先级))、default_console_loglevel(默认控制台日志的等级)。这四个等级定义在kernel/printk/printk.c文件当中，如下图所示：

Linux内核提供了8中不同的日志级别，分别对应0到7，数字越小级别就越高，定义在include/linux/kern_levels.h文件当中。如下图：

在内核打印的时候，只有数值小于(级别高)当前系统的设置的打印等级，打印信息才可以被显示到控制台上，大于或者等于(级别低)的打印信息不会被显示到终端上。可以用以下三种方法来修改Linux内核打印等级：1通过make menuconfig图形化配置界面修改默认的日志级别default_console_loglevel，menuconfig图形化配置界面路径：Kernel hacking ->printk and dmesg options ->Default message log level()；2在调用printk的时候设置打印等级，例如printk(KERN_EMERG "hello!\n”);；3使用echo直接修改打印等级，具体步骤为：首先可以用命令cat /proc/sys/kernel/printk查看内核打印等级，然后按需求修改控制台打印等级。例如要屏蔽所有打印，只需要将第一个数值调整到0即可，使用命令为echo 0 4 1 7 >/proc/sys/kernel/printk。再如要打开控制台的所有打印，使用命令为echo 7 4 1 7 >/proc/sys/kernel/printk。

9.用户空间的lseek函数：off_t lseek(int fd,off_t offset,int whence)其中，fd为文件描述符，offset为偏移量（单位为字节，可正可负），whence的值可为SEEK_SET、SEEK_CUR、SEEK_END分别表示文件开头、文件当前偏移位置、文件结尾，这个函数可以用来改变文件的当前偏移位置，若成功返回文件当前相对于文件开头的偏移量失败则返回-1，同一个文件“读”和“写”使用的是同一偏移位置（lseek函数还可以用来查询当前文件的大小，如lseek(fd,0,SEEK_END)返回的就是当前文件大小，还可以用此函数拓展文件大小，但是要想真正拓展文件大小，必须引起IO操作）。在用户空间中调用lseek函数会调用驱动中的file_operations结构体中的成员loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);，可以在驱动程序中自定义llseek函数并将其绑定到file_operations的成员llseek，如下图：

同时需要对驱动中的read和write进行修改，驱动中的read函数原型为ssize_t (*read)(struct file *filp,char __user *buffer,size_t size,loff_t *p);，其中file指向打开的文件，buffer为存放数据的缓冲区，size为要读取的数据长度，p为读的位置，也就是相对于文件的开头的偏移，在读完数据以后，这个指针要进行移动，动的值为读取信息的长度。file结构体中有一个成员file-> f_pos指向文件当前偏移量。一个read函数示例如下图：

驱动中的write函数原型为ssize_t (*write)(struct file *filp, const char __user *buffer, size_t count, loff_t *ppos);，其中file指向打开的文件，buffer为写入数据的缓冲区，size为要写入的数据长度，p为写的位置，也就是相对于文件的开头的偏移。下图是一个例子（可参考讯为Linux驱动视频第四期P11）：

10.Linux中对非数据的操作通常通过ioctl操作来实现。应用层的ioctl函数在头文件sys/ioctl.h中定义，函数原型为int ioctl(int fd,unsigned int cmd, unsigned long request, ...);，其中fd为打开设备节点获得的文件描述符，cmd为给驱动传递的命令，后面为可变参数，该函数调用成功返回0失败返回-1。调用用户空间的ioctl最终会调用驱动程序中file_operations结构体中的成员long (*unlocked_ioctl) (struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg);，unlocked_ioctl的三个参数和ioctl的参数是对应的。ioctl或unlocked_ioctl函数中参数cmd命令的格式如下图：

上图中，设备类型代表一类设备，一般用一个字母或者一个8bit的数字来表示；序列号代表的是这类设备的第几个命令；方向表示命令的方向，如：只读(10)、只写(01)、写读(11)、无数据(00)；数据大小表示用户数据的大小，注意这里传递的不是数字，而是数据类型，比如要传递四个字节，就可以写入int。Linux定义了几个宏来构建和分解上面的cmd，ioctl的参数cmd的合成宏包括：合成没有数据传递的命令的宏_IO(type,nr)、合成从驱动中读取数据的命令的宏_IOR(type,nr,size)、合成向驱动中写数据的命令的宏_IOW(type,nr,size)、合成先写入数据再读取数据的命令的宏_IOWR(type,nr,size)，其中type为设备类型，nr为序列号，size为数据尺寸。ioctl的参数cmd的分解宏包括：获取方向的宏_IOC_DIR(nr)、获取设备类型的宏_IOC_TYPE(nr)、获取序列号的宏_IOC_NR(nr)、获取数据尺寸的宏_IOC_SIZE(nr)，其中nr为前面合成的cmd命令。当想要通过ioctl函数传递多个参数时，可以将这些参数封装成一个结构体，然后传入结构体的地址即可（可参考讯为Linux驱动视频第四期P15）。

11.可以通过静态库将驱动程序进行封装，提供API函数供应用层使用（可参考讯为Linux驱动视频第四期P17）。静态库的制作及使用：首先把将要制作成静态库的.c文件转换成.o文件：如gcc -c add.c -o add.o，然后使用ar工具制作静态库：如ar -rcs libname.a add.o sub.o div.o（-r选项会将指定的目标文件add.o、sub.o、div.o插入到 libname.a文件中。如果这些目标文件已经存在于该文件中，则会被更新，如果libname.a文件不存在，则使用-c将创建一个新的文件，-s表示创建文件时加入符号表，该符号表用于链接时解析符号引用），最后编译静态库到可执行文件中：如gcc test.c libname.a -o a.out（注意在命令中静态链接库位于源程序后面，否则编译不成功，这与链接器工作时的算法有关，源程序用到的静态库函数需要声明，否则会报警告，一般可以写入头文件来声明）（静态库都以.a结尾，默认库名以lib开头，如果在生成可执行文件中没有加入静态库，而源程序需要用到静态库的某些函数，则编译时会在链接阶段报错，一般程序编译过程中只会在4个步骤中的编译阶段或链接阶段报错，前者有报错的行号后者没有）。

12.优化驱动的稳定性和效率：通过在一些函数调用后面添加错误处理可以增加程序的稳定性，但这样会导致增加许多if条件分支。现在的CPU都有I-Cache和流水线机制，运行当前的指令时，I-Cache会预读取后面的指令，从而提升效率。但是如果条件分支的结果是跳转到了其他指令，那预取下一条指令就浪费时间了。如果使用likely和unlikely来让编译器总是将大概率执行的代码放在靠前的位置，就可以提高效率。likely(condition)表示 condition 这个条件是大概率为真的，即程序流大概率会走到这个分支。unlikely(condition)表示 condition 这个条件是大概率为假的，即程序流大概率不会走到这个分支。如下图是一个例子：

access_ok(addr, size)函数可用于检查用户空间指针是否可用，其中addr为用户空间的指针变量，指向一个要检查的内存块的开始，size是要检查的内存块的大小，如果待检查用户空间的内存块可用该函数返回真，否则返回假。

13.内核驱动程序中添加调试信息的几种方法：

• 使用printk函数进行打印
• 使用dump_stack()函数：dump_stack() 会打印出当前执行栈的调用信息，显示从当前函数到栈顶的所有函数调用路径
• 使用WARN(condition, fmt...) 和 WARN_ON(condition)：这是Linux内核中的调试宏，主要用于在代码中进行条件检查，当某个条件不满足时，向内核日志输出警告信息，并可以触发调试处理。其中condition是要检查的条件，如果条件为真，宏会打印警告信息。fmt...为可变参数，用于格式化打印的消息，类似 printf 的格式。这两个宏的打印信息内容与dump_stack()函数类似。WARN_ON(condition)的返回值是true或false，具体取决于条件condition是否为真
• 使用BUG()和BUG_ON(condition)函数：它们都是 Linux 内核中的调试宏，用于在遇到严重错误时触发内核的调试功能，主要目的是标识和报告致命的错误，并在发生错误时终止内核的执行。BUG() 宏用于在发生严重错误时立即触发内核崩溃，并生成一个内核 panic，它没有条件检查，因此它总是会执行，并且不会返回。BUG_ON(condition) 是一个带有条件检查的宏，用于在给定条件condition为真时触发内核崩溃。这两个宏会将寄存器、堆栈等内容都打印出来
• 使用panic(fmt...)函数：用于在发生严重错误时触发内核崩溃，它输出一条格式化的错误信息，并终止内核的执行。panic() 的调用通常标志着程序进入了一个不可恢复的错误状态，系统会停止执行，并且可能会生成一个内核转储供后续分析