Linux 版 (精华区)

发信人: netiscpu (说不如做), 信区: Linux
标  题: [B] Red Hat Linux Unleashed (53)
发信站: 紫 丁 香 (Sat Jul 25 05:03:53 1998), 转信


        Writing Device Drivers
     _________________________________________________________________
                                      
               o Device Drivers
               o Interrupts
               o Anatomy of a Linux Device Driver
                    # Headers
                    # Opening the Device
                    # Closing the Device
                    # Strategy Functions
                    # Write Functions
                    # Read Functions
                    # start and ioctl Routines
               o Using a New Device Driver
               o Summary
       
     _________________________________________________________________
                                      
   53
   
   
   Writing Device Drivers
   
   
   This chapter will look at:
     * What a device driver is
       
     * How Linux uses device drivers
       
     * Interrupts and device drivers
       
     * How a device driver is written
       
   Device drivers provide an interface between the operating system and
   the peripherals attached to the machine. A typical device driver
   consists of a number of functions that accept I/O requests from the
   operating system and instruct the device to perform those requests. In
   this manner, a uniform interface between devices and the operating
   system kernel is provided.
   
   We can't cover everything there is to know about device drivers in a
   single chapter. Indeed, several sizable books have been written on the
   subject. Since device drivers are not written by casual users, but
   mostly by talented programmers, the information supplied here is
   mainly an introduction to the subject.
   
   The code snippets in this chapter were taken from a set of simple
   device drivers written in C. They are portable and designed for a UNIX
   system, but they also execute properly under Linux. Use them only as a
   guide, if you decide you want to write device drivers. Obtain one of
   the specialty books on the subject if you get serious about
   programming device drivers.
   
   Device Drivers
   
   
   Linux uses a device driver for every device attached to the system.
   The basic device driver instructions are part of the kernel or loaded
   during the boot process. By using a device driver, the devices appear
   to the operating system as files that can addressed, redirected, or
   piped as normal files.
   
   Each device attached to the Linux system is described in a device
   driver program file, and some parameters about the device are
   described in a device file which is usually stored in the /dev
   directory. When you add a new peripheral to the system, a device
   driver must either be attached to the Linux operating system to
   control the device, or you must write or supply a device driver. You
   also need a device file in the /dev directory for each device.
   Otherwise, the device can't be used.
   
   Each device file has an assigned device number that uniquely
   identifies the device to the operating system. Linux device numbers
   consist of two parts. The major number identifies what general type
   the device driver handles, while the minor number can specify a
   particular unit for that general type of device. For example, multiple
   hard disk drives will use the same device driver (the same major
   number), but each has unique minor numbers to identify the specific
   drives to the operating system.
   
   There are two major types of device drivers: character mode and block
   mode. Any UNIX device uses one or both of the driver types. Block mode
   drivers are the most common type. They deal with I/O in blocks of data
   to and from the kernel's buffer cache (which copies to memory the data
   from the cache). Originally designed for use with disk drives, block
   mode is used with virtually all mass storage devices, such as disk
   drives, high-capacity tape drives, magneto-optical drives, synchronous
   modems, and some high-speed printers.
   
   Character mode devices differ from block mode devices in two
   significant ways. I/O can be processed directly to and from the
   process's memory space, without using the kernel's cache. In addition,
   I/O requests are usually passed directly to the character mode device.
   Terminals and printers are obvious character mode devices, as are
   asynchronous modems and some tape drives.
   
   Block mode devices perform a "strategy" function that reads or writes
   a block of data to the device. A series of special device control
   functions called ioctl() functions are available with character mode
   devices. In order to use these ioctl() functions, block mode devices
   will sometimes use character mode. An example is a tape drive that can
   use either a character or block mode driver, depending on the type of
   data being written.
   
   Regardless of the type of device driver, the driver itself performs a
   series of basic tasks whenever a request is made of the device. First,
   the device is checked to ensure that it is ready and available for
   use. If so, it is "opened" to allow the calling process access. Read
   or write commands are usually executed, and then the device is
   "closed" to allow other processes access to the device.
   
   Interrupts
   
   
   Interrupts are signals from the devices to the operating system to
   indicate that attention is required. Interrupts are generated whenever
   an I/O is processed and the device is ready for another process. The
   interrupts used by Linux are similar to those used by DOS, so if you
   are familiar with DOS interrupts, you know most of the story already.
   
   Upon receipt of an interrupt, the operating system suspends whatever
   it was executing and processes the interrupt. In most cases,
   interrupts are handled by the device driver. Interrupts must be
   checked to ensure that they are valid and will not affect operation of
   a process underway, except to suspend it momentarily.
   
   A problem with handling interrupts is that the interrupt should not
   suspend the Linux kernel's operation or that of the device drivers
   themselves, except under controlled conditions. Interrupts that are
   not properly handled or carefully checked can cause suspension of a
   device driver that was processing the I/O that the interrupt
   requested.
   
   The processing of an interrupt is usually suspended during the stages
   where critical operation would be affected. The areas of device driver
   code that should not allow an interrupt to stop their processing are
   termed non-stoppable or critical code. Typically, interrupt suspension
   during critical code segments is performed by raising the CPU priority
   equal to or greater than the interrupt priority level. After critical
   code execution, the CPU priority level is lowered again.
   
   Interrupt priority is usually manipulated with four functions: spl5(),
   spl6(), spl7(), and splx(). Calling one of the first three will cause
   interrupts not to be acknowledged during processing. spl5() disables
   disk drives, printer, and keyboard interrupts. spl6() disables the
   system clock, while spl7() disables all interrupts, including serial
   devices. These three functions always return a code indicating the
   previous value of the interrupt level. splx() is used to restore
   interrupts to their previous values.
   
   Therefore, before processing critical code, embedding the command
   
old_level = spl5();

   in the device driver source disables interrupts until the following
   command is issued:
   
splx(old_level);

   Multiple level changes are combined into device drivers as in the
   following example:

int level_a, level_b;
level_a = spl5();
/* do any code that can't be */
/* interrupted by disk drives */
level_b = spl7();
/* do all code that can't be */
/* interrupted by anything */
splx(level_b);
/* any final code that's not */
/* interrupted by disk drives */
splx(level_a);

   This seemingly awkward method of bouncing between levels is necessary
   to avoid freezing the device driver and kernel, which prevents the
   system from operating normally. The protection mechanisms must be
   invoked only for as short a time as necessary.
   
   It is usually unwise to use the spl6() and spl7() functions. spl6()
   can cause the system clock to lose time in some cases, and spl7()
   causes loss of characters in serial I/O, unless they are used for very
   short time spans. Even then, it is usually sufficient to use spl5()
   for all interrupts in critical code.
   
   Anatomy of a Linux Device Driver
   
   
   Device driver code is similar to normal code in its structure. In
   Linux, drivers are generally written in C, although assembler and C++
   are still occasionally used.
   
   Headers
   
   
   A typical device driver has a header that consists of include
   statements for system functions, device register addresses, content
   definitions, and driver global variable definitions. Most device
   drivers use a standard list of include files, such as:
        param.h Kernel parameters
       
            dir.h Directory parameters
       
            user.h User area definitions
       
            tty.h Terminal and clist definitions
       
            buf.h Buffer header information
       
   The tty.h file is used for character mode drivers, while buf.h is used
   by all block mode devices.
   
   Device registers are defined in the device driver header and are based
   on the device. For a character mode device, these registers commonly
   refer to port addresses, such as I/O address, status bits, and control
   bits. Toggle commands for the device are defined as their device
   codes.
   
   An example of device register's initialization is shown in the device
   driver for a standard screen terminal (UART) device:

/* define the registers */
#define RRDATA 0x01 /* receive */
#define RTDATA 0x02 /* transmit */
#define RSTATUS 0x03 /* status */
#define RCONTRL 0x04 /* control */
...etc
/* define the status registers */
#define SRRDY 0x01 /* received data ready */
#define STRDY 0x02 /* transmitter ready */
#define SPERR 0x08 /* parity error */
#define SCTS 0x40 /* clear to send status */
...etc

   The functions the device driver must perform are dependent on the
   nature of the device. All devices have an open() and close() routine
   that allows the device to perform I/O.
   
   Opening the Device
   
   
   The open() routine must check to ensure a valid device has been
   specified, validate the device request (permission to access the
   device or device not ready), then initialize the device. The open()
   routine is run every time a process uses the device.
   
   The open() routine presented here is for a generic terminal device,
   td.

tdopen(device,flag)
int device,flag;
{
/* definitions for local variables ignored */
/* details and definitions ignored in code */
/* check device number */
if (UNMODEM(device) >= NTDEVS)
{
seterror(ENXIO);
return;
}
/* check if device in use */
/* if so, see if superuser (suser) for override */
tp = &td_tty[UNMODEM(device)];
address = td_address[UNMODEM(device)];
if((tp->t_lflag & XCLUDE) && !suser())
{
seterror(EBBUSY);
return;
}
/* if not open, initialize by calling ttinit() */
if((tp->t_state & (ISOPEN|WOPEN)) == 0)
{
ttinit(tp);
/* initialize flags, and call tdparam() to set line */
tdparam(device);
}
/* if a modem is used, check carrier status */
/* if direct, set carrier detect flags */
/* set interrupt priority to avoid overwrite */
/* wait for carrier detect signal */
/* code eliminated from example */

   
   Closing the Device
   
   
   The close() routine is used only after the process is finished with
   the device. The routine disables interrupts from the device and issues
   any shut-down commands. All internal references to the device will be
   reset. close() routines are not usually required in many device
   drivers because the device is treated as being available throughout.
   Exceptions are removable media and exclusive-use devices. Some modems
   require closing (close()) to allow the line to be hung up.
   
   Again, the terminal device example is used for the close() routine
   sample:

tdclose(device)
{
register struct tty *tp;
tp = &td_tty[UNMODEM(device)];
(*linesw[tp->t_line].l_close)(tp);
if(tp->t_cflag & HUPCL)
tdmodem(device,TURNOFF);
/* turn off exclusive flag bit */
ip->t_lflag & =~XCLUDE
}

   
   Strategy Functions
   
   
   Strategy functions (block mode devices only) are issued with a
   parameter to the kernel buffer header. The buffer header contains the
   instructions for a read or write along with a memory location for the
   operation to occur to or from. The size of the buffer is usually fixed
   at installation and varies from 512 to 1024 bytes. It can be examined
   in the file param.h as the BSIZE variable. A device's block size may
   be smaller than the buffer block size, in which case, the driver
   executes multiple reads or writes.
   
   The strategy function can be illustrated in a sample device driver for
   a hard disk. No code is supplied, but the skeleton explains the
   functions of the device driver in order:

int hdstrategy(bp)
register struct buf *bp;
{
/* initialize drive and partition numbers */
/* set local variables */
/* check for valid drive & partition */
/* compute target cylinder */
/* disable interrupts */
/* push request into the queue */
/* check controller: if not active, start it */
/* reset interrupt level */
}

   
   Write Functions
   
   
   Character mode devices employ a write() instruction that checks the
   arguments of the instruction for validity, and then copies the data
   from the process memory to the device driver buffer. When all data is
   copied, or the buffer is full, I/O is initiated to the device until
   the buffer is empty, at which point the process is repeated. Data is
   read from the process memory using a simple function (cpass) that
   returns a -1 when end of memory is reached. The data is written to
   process memory using a complementary function (passc). The write()
   routine is illustrated for the terminal device:

tdwrite(device)
{
register struct tty *tp;
tp=&td_tty[UNMODEM(device)];
(*linesw[tp->t_line].l_write)(tp);
}

   Large amounts of data are handled by a process called copyio which
   takes the addresses of source and destination, a byte count, and a
   status flag as arguments.
   
   Read Functions
   
   
   The read() operation for character mode devices transfers data from
   the device to the process memory. The operation is analogous to that
   of the write procedure. For the terminal device, the read() code
   becomes:

tdread(device)
{
register struct tty *tp;
tp=&td_tty[UNMODEM(device)];
(*linesw[tp->t_line].l_read)(tp);
}

   A small buffer is used when several characters are to be copied at
   once by read() or write(), rather than continually copying single
   characters. clist implements a small buffer used by character mode
   devices as a series of linked lists that use getc and putc to move
   characters on and off the buffer respectively. A header for clist
   maintains a count of the contents.
   
   start and ioctl Routines
   
   
   A start routine is usually used for both block and character mode
   devices. It takes requests or data from device queues and sends them
   in order to the device. Block mode devices queue data with the
   strategy routine, while character mode devices use clist. The start
   routine maintains busy flags automatically as instructions are passed
   to the device. When a device has finished its process, it executes an
   intr routine which reinitializes the device for the next process.
   
   The character mode ioctl() routine provides a special series of
   instructions to drivers. These include changes in the communications
   method between the driver and the operating system, as well as
   device-dependent operations (tape load or rewind, or memory
   allocation, for example).
   
   The ioctl() function can be illustrated with the terminal device
   example. The ioctl() routine, in this case, calls another function
   that sets the device parameters. No code is supplied for the called
   function, but the skeleton explains the process of the device driver
   in order:

tdioctl(device,cmd,arg,mode) int device;
int cmd;
int mode;
faddr_t arg;
{
if(ttiocom(&td_tty[UNMODEM(device)],cmd,arg,mode))
tdparam(device)
}
tdparam(device)
{
/* initialize variables */
/* get address and flags for referenced line */
addr=td_addr[UNMODEM(device)];
cflag=td_tty[UNMODEM(device].t_cflag;
/* check speed: if zero hang up line */
/* set up speed change */
/* set up line control */
/* manage interrupts */
}

   
   Using a New Device Driver
   
   
   Drivers are added to Linux systems in a series of steps. First the
   interrupt handler is identified, and then the device driver entry
   points (such as open) are added to a driver entry point table. The
   entire driver is compiled and linked to the kernel, and then placed in
   the /dev directory. (See Chapter 52, "Working with the Kernel," for
   more information on adding to the Linux kernel.) Finally, the system
   is rebooted and the device driver tested. Obviously, changes to the
   driver require the process to be repeated, so device driver debugging
   is an art that minimizes the number of machine reboots!
   
       ______________________________________________________________
                                      
     
     NOTE: Two basic don'ts are important for device driver programming.
     Don't use sleep() or seterror() during interrupt suspensions, and
     don't use floating-point operations.
     Interrupt suspensions must be minimized, but they must be used to
     avoid corruption of clist (or other buffer) data. Finally, it is
     important to minimize stack space.
     
     
       ______________________________________________________________
                                      
   You can simplify debugging device drivers in many cases by using
   judicious printf or getchar statements to another device, such as the
   console. Statements like printf and getchar enable you to set up code
   that traces the execution steps of the device driver. If you are
   testing the device when logged in as root, the adb debugger can be
   used to allow examination of the kernel's memory while the device
   driver executes. Careful use of adb allows direct testing of minor
   changes in variables or addresses, but be careful as incorrect use of
   adb may result in system crashes!
   
   One of the most common problems with device drivers (other than faulty
   coding) is the loss of interrupts or the suspension of a device while
   an interrupt is pending. This causes the device to hang. A time-out
   routine is included in most device drivers to prevent this. Typically,
   if an interrupt is expected and has not been received within a
   specified amount of time, the device is checked directly to ensure the
   interrupt was not missed. If an interrupt was missed, it can be
   simulated by code. You can use the spl functions during debugging
   usually helps to isolate these problems.
   
   Block mode-based device drivers are generally written using
   interrupts. However, more programmers are now using polling for
   character mode devices. Polling means the device driver checks at
   frequent intervals to determine the device's status. The device driver
   doesn't wait for interrupts but this does add to the CPU overhead the
   process requires. Polling is not suitable for many devices, such as
   mass storage systems, but for character mode devices it can be of
   benefit. Serial devices generally are polled to save interrupt
   overhead.
   
   A 19,200 baud terminal will cause approximately 1,920 interrupts per
   second, causing the operating system to interrupt and enter the device
   driver that many times. By replacing the interrupt routines with
   polling routines, the interval between CPU demands can be decreased by
   an order of magnitude, using a small device buffer to hold
   intermediate characters generated to or from the device. Real time
   devices also benefit from polling, since the number of interrupts does
   not overwhelm the CPU. If you want to use polling in your device
   drivers, you should read one of the books dedicated to device driver
   design, as this is a complex subject.
   
   Summary
   
   
   Most Linux users will never have to write a device driver, as most
   devices you can buy already have a device driver available. If you
   acquire brand new hardware, or have the adventurous bug, you may want
   to try writing a driver, though. Device drivers are not really
   difficult to write (as long as you are comfortable coding in a
   high-level language like C), but drivers tend to be very difficult to
   debug. The device driver programmer must at all times be careful of
   impacting other processes or devices. However, there is a peculiar
   sense of accomplishment when a device driver executes properly.
   

--

                              Enjoy Linux!
                          -----It's FREE!-----

※ 修改:.netiscpu 于 Jul 25 06:06:44 修改本文.[FROM: mtlab.hit.edu.cn]
※ 来源:.紫 丁 香 bbs.hit.edu.cn.[FROM: fengyun.hit.edu.]
[百宝箱] [返回首页] [上级目录] [根目录] [返回顶部] [刷新] [返回]
Powered by KBS BBS 2.0 (http://dev.kcn.cn)
页面执行时间:201.358毫秒