于PCI9656設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的Linux2.6內(nèi)核研究

摘要：本文以64位PCI總線(xiàn)接口芯片PCI9656的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?yàn)榛�礎(chǔ)，比較了Linux2.6內(nèi)核與2.4內(nèi)核的區(qū)別，設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)了在Linux 2.6內(nèi)核下PCI9656設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，進(jìn)而研究了2.6內(nèi)核的內(nèi)存和中斷管理機(jī)制。 
關(guān)鍵字：Linux2.6;設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序;PCI9656 

1 引言

Linux操作系統(tǒng)因?yàn)槠涓咝�、安全、可�?dòng)態(tài)加載及源代碼開(kāi)放等特點(diǎn)，深受設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)人員的喜愛(ài)。系統(tǒng)內(nèi)核大部分獨(dú)立于底層硬件運(yùn)行，用戶(hù)無(wú)需關(guān)心硬件問(wèn)題，而用戶(hù)操作是通過(guò)一組標(biāo)準(zhǔn)化的調(diào)用來(lái)完成。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的任務(wù)是將這些調(diào)用映射到作用于實(shí)際硬件設(shè)備的特定操作上，該編程接口能夠使得驅(qū)動(dòng)程序獨(dú)立于內(nèi)核的其他部分來(lái)搭建，在需要時(shí)才動(dòng)態(tài)加載到內(nèi)核。這種模塊化的特點(diǎn)，使得Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)過(guò)程變得清晰簡(jiǎn)單。

目前，為滿(mǎn)足日益龐大的數(shù)據(jù)處理需要，基于64位PCI總線(xiàn)接口設(shè)備的研究開(kāi)發(fā)顯得尤為重要。因而本文將基于PLX公司推出的PCI總線(xiàn)接口芯片PCI9656，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)在Linux2.6內(nèi)核下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，進(jìn)而對(duì)2.6內(nèi)核的內(nèi)存和中斷管理機(jī)制進(jìn)行分析研究。

2 Linux2.6與2.4內(nèi)核的比較

2.1  系統(tǒng)穩(wěn)定性

為了徹底防止對(duì)正在被使用的內(nèi)核模塊進(jìn)行錯(cuò)誤操作，2.6內(nèi)核在加載和導(dǎo)出內(nèi)核模塊方面都較2.4內(nèi)核進(jìn)行了改進(jìn)，避免了用戶(hù)執(zhí)行將導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰的操作，例如強(qiáng)制刪除模塊等。同時(shí)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)程序需要在多個(gè)文件中包含<linux/module.h>頭文件時(shí)，不必定義宏__NO_VERSION__來(lái)檢查內(nèi)核的版本。

2.2  統(tǒng)一設(shè)備模型

統(tǒng)一設(shè)備模型的創(chuàng)建是2.6內(nèi)核最重要的變化之一。它促進(jìn)了模塊接口的標(biāo)準(zhǔn)化，其目的是更好地控制和管理設(shè)備，主要包括：更準(zhǔn)確地確定系統(tǒng)設(shè)備，更高效的進(jìn)行電源管理以及改進(jìn)的系統(tǒng)總線(xiàn)結(jié)構(gòu)管理。

2.3  內(nèi)核基礎(chǔ)設(shè)施

2.6內(nèi)核為了區(qū)別以.o為擴(kuò)展名的常規(guī)對(duì)象文件，將內(nèi)核模塊的擴(kuò)展名改為.ko。相對(duì)于2.4內(nèi)核下系統(tǒng)所支持的RAM為4GB而言，2.6內(nèi)核下系統(tǒng)支持更大數(shù)量的RAM，在分頁(yè)模式下最高可達(dá)64GB。同時(shí)，2.6內(nèi)核優(yōu)化了I/O調(diào)度器，確保不會(huì)有進(jìn)程駐留在隊(duì)列中過(guò)長(zhǎng)時(shí)間等待輸入/輸出操作，使得I/O操作的響應(yīng)更為迅速。

2.4  外部設(shè)備

在2.4內(nèi)核中有約束大型系統(tǒng)的限制，比如支持的每一類(lèi)設(shè)備的最大數(shù)量為256。而2.6內(nèi)核則徹底地打破了這些限制，可以支持4095種主要的設(shè)備類(lèi)型，每一個(gè)單獨(dú)的類(lèi)型又可以支持超過(guò)一百萬(wàn)個(gè)的子設(shè)備。

3 Linux2.6內(nèi)核下PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

3.1  PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在2.6內(nèi)核下使用file_operations數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，來(lái)建立設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中的函數(shù)與主設(shè)備號(hào)(major number)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中包含了指向驅(qū)動(dòng)程序內(nèi)部大多數(shù)函數(shù)的指針，描述了虛擬文件系統(tǒng)如何操作一個(gè)打開(kāi)的外圍設(shè)備。因而file _operations結(jié)構(gòu)是驅(qū)動(dòng)程序向內(nèi)核其他部分提供的一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備接口。

file結(jié)構(gòu)是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序使用的另一個(gè)重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，指示當(dāng)前系統(tǒng)中已打開(kāi)的文件。它在C語(yǔ)言庫(kù)中定義，在調(diào)用內(nèi)核open函數(shù)時(shí)創(chuàng)建，并傳遞給在該設(shè)備上進(jìn)行操作的所有函數(shù)，直到最后的close函數(shù)。file結(jié)構(gòu)中還包含了指向它所擁有的file_operations結(jié)構(gòu)的指針。

inode結(jié)構(gòu)由內(nèi)核自動(dòng)生成，代表已打開(kāi)文件的描述符，與每個(gè)打開(kāi)的文件一一對(duì)應(yīng)。它包含了兩個(gè)重要的結(jié)構(gòu)成員：dev_t擴(kuò)展到32位，其中12位主設(shè)備號(hào)，20位從設(shè)備號(hào)，而cdev用于存儲(chǔ)一個(gè)指向字符設(shè)備文件的指針。

3.2  驅(qū)動(dòng)程序與內(nèi)核和外部設(shè)備間的關(guān)系

(1) 通過(guò)Linux提供的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)(例如init_module等)進(jìn)入內(nèi)核，這些函數(shù)在2.6內(nèi)核版本下總共有兩百多個(gè)，提供了幾乎所有應(yīng)用程序進(jìn)入內(nèi)核所需要執(zhí)行的操作。

(2) 系統(tǒng)的內(nèi)核函數(shù)都有“sys_”前綴（例如函數(shù)sys_init_module），應(yīng)用程序通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)設(shè)備文件系統(tǒng)來(lái)調(diào)用這些函數(shù)。這一層主要是“devfs”（device filesystem）文件管理機(jī)制，它是從普通文件和設(shè)備文件抽象出來(lái)的一個(gè)文件系統(tǒng)層，完成進(jìn)入具體的設(shè)備文件操作之前的準(zhǔn)備工作。

(3) 由設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供具體的函數(shù)，來(lái)完成對(duì)硬件設(shè)備的各種操作。特別的對(duì)于PCI9656來(lái)說(shuō)，就是通過(guò)PCI接口對(duì)設(shè)備的寄存器和存儲(chǔ)器進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)操作，例如調(diào)用register_chrdev等函數(shù)來(lái)初始化芯片內(nèi)部的狀態(tài)寄存器和配置寄存器。

3.3  PCI9656芯片的操作流程

PCI總線(xiàn)是目前最常用的外設(shè)總線(xiàn)之一，Linux的PCI內(nèi)核代碼為PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)提供了強(qiáng)大的支持。PCI9656的驅(qū)動(dòng)程序主要包括以下幾個(gè)方面：設(shè)備初始化，為PCI芯片分配內(nèi)存資源，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)功能，中斷處理，系統(tǒng)收回內(nèi)存資源，關(guān)閉設(shè)備等。

4．Linux2.6內(nèi)核下內(nèi)存和中斷管理的研究

2.6內(nèi)核應(yīng)用了許多新技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各類(lèi)外部設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的更好支持。下面結(jié)合PCI9656驅(qū)動(dòng)程序中的內(nèi)存和中斷管理，進(jìn)一步分析和研究2.6內(nèi)核對(duì)內(nèi)存和中斷進(jìn)行的改進(jìn)和優(yōu)化。

4.1  內(nèi)存管理

在Linux內(nèi)存管理器中，頁(yè)表保持對(duì)進(jìn)程使用的內(nèi)存物理頁(yè)的追蹤，它將虛擬頁(yè)映射到物理頁(yè)上。系統(tǒng)必須找到映射到該頁(yè)的每一個(gè)進(jìn)程，將使用較少的頁(yè)置換出去，這樣進(jìn)程中相應(yīng)頁(yè)的頁(yè)表?xiàng)l目才能被更新。隨著在系統(tǒng)中運(yùn)行的進(jìn)程數(shù)量的增加，將這些頁(yè)置換出去的工作量也會(huì)急劇增加。