解释一下linux驱动程序结构框架及工作原理

一、Linux device driver 的概念

系统调用是 *** 作系统内核和应用程序之间的接口，设备驱动程序是 *** 作系统内核和机器硬件之间的接口。设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节，这样在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以象 *** 作普通文件一样对硬件设备进行 *** 作。设备驱动程序是内核的一部分，它完成以下的功能:

1、对设备初始化和释放；

2、把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据；

3、读取应用程序传送给设备文件的数据和回送应用程序请求的数据；

4、检测和处理设备出现的错误。

在Linux *** 作系统下有三类主要的设备文件类型，一是字符设备，二是块设备，三是网络设备。字符设备和块设备的主要区别是:在对字符设备发出读/写请求时，实际的硬件I/O一般就紧接着发生了，块设备则不然，它利用一块系统内存作缓冲区，当用户进程对设备请求能满足用户的要求，就返回请求的数据，如果不能，就调用请求函数来进行实际的I/O *** 作。块设备是主要针对磁盘等慢速设备设计的，以免耗费过多的CPU时间来等待。

已经提到，用户进程是通过设备文件来与实际的硬件打交道。每个设备文件都都有其文件属性(c/b)，表示是字符设备还是块设备?另外每个文件都有两个设备号，第一个是主设备号，标识驱动程序，第二个是从设备号，标识使用同一个设备驱动程序的不同的硬件设备，比如有两个软盘，就可以用从设备号来区分他们。设备文件的的主设备号必须与设备驱动程序在登记时申请的主设备号一致，否则用户进程将无法访问到驱动程序。

最后必须提到的是，在用户进程调用驱动程序时，系统进入核心态，这时不再是抢先式调度。也就是说，系统必须在你的驱动程序的子函数返回后才能进行其他的工作。如果你的驱动程序陷入死循环，不幸的是你只有重新启动机器了，然后就是漫长的fsck。

二、实例剖析

我们来写一个最简单的字符设备驱动程序。虽然它什么也不做，但是通过它可以了解Linux的设备驱动程序的工作原理。把下面的C代码输入机器，你就会获得一个真正的设备驱动程序。

由于用户进程是通过设备文件同硬件打交道，对设备文件的 *** 作方式不外乎就是一些系统调用，如 open，read，write，close…， 注意，不是fopen， fread，但是如何把系统调用和驱动程序关联起来呢?这需要了解一个非常关键的数据结构：

STruct file_operatiONs {

int (*seek) (struct inode * ，struct file *， off_t ，int)

int (*read) (struct inode * ，struct file *， char ，int)

int (*write) (struct inode * ，struct file *， off_t ，int)

int (*readdir) (struct inode * ，struct file *， struct dirent * ，int)

int (*select) (struct inode * ，struct file *， int ，select_table *)

int (*ioctl) (struct inode * ，struct file *， unsined int ，unsigned long)

int (*mmap) (struct inode * ，struct file *， struct vm_area_struct *)

int (*open) (struct inode * ，struct file *)

int (*release) (struct inode * ，struct file *)

int (*fsync) (struct inode * ，struct file *)

int (*fasync) (struct inode * ，struct file *，int)

int (*check_media_change) (struct inode * ，struct file *)

int (*revalidate) (dev_t dev)

}

这个结构的每一个成员的名字都对应着一个系统调用。用户进程利用系统调用在对设备文件进行诸如read/write *** 作时，系统调用通过设备文件的主设备号找到相应的设备驱动程序，然后读取这个数据结构相应的函数指针，接着把控制权交给该函数。这是linux的设备驱动程序工作的基本原理。既然是这样，则编写设备驱动程序的主要工作就是编写子函数，并填充file_operations的各个域。

下面就开始写子程序。

#include <linux/types.h>基本的类型定义

#include <linux/fs.h>文件系统使用相关的头文件

#include <linux/mm.h>

#include <linux/errno.h>

#include <asm/segment.h>

unsigned int test_major = 0

static int read_test(struct inode *inode，struct file *file，char *buf，int count)

{

int left用户空间和内核空间

if (verify_area(VERIFY_WRITE，buf，count) == -EFAULT )

return -EFAULT

for(left = count left >0 left--)

{

__put_user(1，buf，1)

buf++

}

return count

}

这个函数是为read调用准备的。当调用read时，read_test()被调用，它把用户的缓冲区全部写1。buf 是read调用的一个参数。它是用户进程空间的一个地址。但是在read_test被调用时，系统进入核心态。所以不能使用buf这个地址，必须用__put_user()，这是kernel提供的一个函数，用于向用户传送数据。另外还有很多类似功能的函数。请参考，在向用户空间拷贝数据之前，必须验证buf是否可用。这就用到函数verify_area。为了验证BUF是否可以用。

static int write_test(struct inode *inode，struct file *file，const char *buf，int count)

{

return count

}

static int open_test(struct inode *inode，struct file *file )

{

MOD_INC_USE_COUNT模块计数加以，表示当前内核有个设备加载内核当中去

return 0

}

static void release_test(struct inode *inode，struct file *file )

{

MOD_DEC_USE_COUNT

}

这几个函数都是空 *** 作。实际调用发生时什么也不做，他们仅仅为下面的结构提供函数指针。

struct file_operations test_fops = {?

read_test，

write_test，

open_test，

release_test，

}

设备驱动程序的主体可以说是写好了。现在要把驱动程序嵌入内核。驱动程序可以按照两种方式编译。一种是编译进kernel，另一种是编译成模块(modules)，如果编译进内核的话，会增加内核的大小，还要改动内核的源文件，而且不能动态的卸载，不利于调试，所以推荐使用模块方式。

int init_module(void)

{

int result

result = register_chrdev(0， "test"， &test_fops)对设备 *** 作的整个接口

if (result <0) {

printk(KERN_INFO "test: can't get major number\n")

return result

}

if (test_major == 0) test_major = result/* dynamic */

return 0

}

在用insmod命令将编译好的模块调入内存时，init_module 函数被调用。在这里，init_module只做了一件事，就是向系统的字符设备表登记了一个字符设备。register_chrdev需要三个参数，参数一是希望获得的设备号，如果是零的话，系统将选择一个没有被占用的设备号返回。参数二是设备文件名，参数三用来登记驱动程序实际执行 *** 作的函数的指针。

如果登记成功，返回设备的主设备号，不成功，返回一个负值。

void cleanup_module(void)

{

unregister_chrdev(test_major，"test")

}

在用rmmod卸载模块时，cleanup_module函数被调用，它释放字符设备test在系统字符设备表中占有的表项。

一个极其简单的字符设备可以说写好了，文件名就叫test.c吧。

下面编译 :

$ gcc -O2 -DMODULE -D__KERNEL__ -c test.c –c表示输出制定名，自动生成.o文件

得到文件test.o就是一个设备驱动程序。

如果设备驱动程序有多个文件，把每个文件按上面的命令行编译，然后

ld ?-r ?file1.o ?file2.o ?-o ?modulename。

驱动程序已经编译好了，现在把它安装到系统中去。

$ insmod ?–f ?test.o

如果安装成功，在/proc/devices文件中就可以看到设备test，并可以看到它的主设备号。要卸载的话，运行 :

$ rmmod test

下一步要创建设备文件。

mknod /dev/test c major minor

c 是指字符设备，major是主设备号，就是在/proc/devices里看到的。

用shell命令

$ cat /proc/devices

就可以获得主设备号，可以把上面的命令行加入你的shell script中去。

minor是从设备号，设置成0就可以了。

我们现在可以通过设备文件来访问我们的驱动程序。写一个小小的测试程序。

#include <stdio.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

#include <fcntl.h>

main()

{

int testdev

int i

char buf[10]

testdev = open("/dev/test"，O_RDWR)

if ( testdev == -1 )

{

printf("Cann't open file \n")

exit(0)

}

read(testdev，buf，10)

for (i = 0i <10i++)

printf("%d\n"，buf[i])

close(testdev)

}

编译运行，看看是不是打印出全1

以上只是一个简单的演示。真正实用的驱动程序要复杂的多，要处理如中断，DMA，I/O port等问题。这些才是真正的难点。上述给出了一个简单的字符设备驱动编写的框架和原理，更为复杂的编写需要去认真研究LINUX内核的运行机制和具体的设备运行的机制等等。希望大家好好掌握LINUX设备驱动程序编写的方法。

/ 根目录。Linux文件系统的最底层目录。/etc 服务主配置文件目录，像apache网站服务、postfix电子邮局服务等等各种服务的主配置文件全部放在这个目录里。/var 服务运行调用文件和输出文件的存放目录，如mysql数据库服务运行时，库文件存放的目录就在/var下。/boot 系统启动文件存放的目录/root 系统超级管理员用户根目录。root用户登录之后就在这个目录。/home 系统普通用户根目录。所有的普通用户在创建时默认都会在/home下创建相应的根目录，目录名字就是用户名字。/dev 系统认到的所有硬件设备的印象文件和2进制配置文件都在这里/mnt 系统挂载外部文件系统的入口目录，比如光驱，每次放入新的光盘（外部文件系统），要进行挂载才能进入光盘内读取资料，进入光盘就是从/mnt下的cdrom目录进来的，那个cdrom就是光盘的入口。/usr 各种应用程序的安装目录，像windows下的program files

我们一起学习了文件系统和磁盘 I/O 的工作原理，以及相应的性能分析和优化方法。接下来，我们将进入下一个重要模块—— Linux 的网络子系统。

由于网络处理的流程最复杂，跟我们前面讲到的进程调度、中断处理、内存管理以及 I/O 等都密不可分，所以，我把网络模块作为最后一个资源模块来讲解。

同 CPU、内存以及 I/O 一样，网络也是 Linux 系统最核心的功能。网络是一种把不同计算机或网络设备连接到一起的技术，它本质上是一种进程间通信方式，特别是跨系统的进程间通信，必须要通过网络才能进行。随着高并发、分布式、云计算、微服务等技术的普及，网络的性能也变得越来越重要。

说到网络，我想你肯定经常提起七层负载均衡、四层负载均衡，或者三层设备、二层设备等等。那么，这里说的二层、三层、四层、七层又都是什么意思呢？

实际上，这些层都来自国际标准化组织制定的开放式系统互联通信参考模型（Open System Interconnection Reference Model），简称为 OSI 网络模型。

但是 OSI 模型还是太复杂了，也没能提供一个可实现的方法。所以，在 Linux 中，我们实际上使用的是另一个更实用的四层模型，即 TCP/IP 网络模型。

TCP/IP 模型，把网络互联的框架分为应用层、传输层、网络层、网络接口层等四层，其中，

为了帮你更形象理解 TCP/IP 与 OSI 模型的关系，我画了一张图，如下所示：

当然了，虽说 Linux 实际按照 TCP/IP 模型，实现了网络协议栈，但在平时的学习交流中，我们习惯上还是用 OSI 七层模型来描述。比如，说到七层和四层负载均衡，对应的分别是 OSI 模型中的应用层和传输层（而它们对应到 TCP/IP 模型中，实际上是四层和三层）。

OSI引入了服务、接口、协议、分层的概念，TCP/IP借鉴了OSI的这些概念建立TCP/IP模型。

OSI先有模型，后有协议，先有标准，后进行实践；而TCP/IP则相反，先有协议和应用再提出了模型，且是参照的OSI模型。

OSI是一种理论下的模型，而TCP/IP已被广泛使用，成为网络互联事实上的标准。

有了 TCP/IP 模型后，在进行网络传输时，数据包就会按照协议栈，对上一层发来的数据进行逐层处理；然后封装上该层的协议头，再发送给下一层。

当然，网络包在每一层的处理逻辑，都取决于各层采用的网络协议。比如在应用层，一个提供 REST API 的应用，可以使用 HTTP 协议，把它需要传输的 JSON 数据封装到 HTTP 协议中，然后向下传递给 TCP 层。

而封装做的事情就很简单了，只是在原来的负载前后，增加固定格式的元数据，原始的负载数据并不会被修改。

比如，以通过 TCP 协议通信的网络包为例，通过下面这张图，我们可以看到，应用程序数据在每个层的封装格式。

这些新增的头部和尾部，增加了网络包的大小，但我们都知道，物理链路中并不能传输任意大小的数据包。网络接口配置的最大传输单元（MTU），就规定了最大的 IP 包大小。在我们最常用的以太网中，MTU 默认值是 1500（这也是 Linux 的默认值）。

一旦网络包超过 MTU 的大小，就会在网络层分片，以保证分片后的 IP 包不大于 MTU 值。显然，MTU 越大，需要的分包也就越少，自然，网络吞吐能力就越好。

理解了 TCP/IP 网络模型和网络包的封装原理后，你很容易能想到，Linux 内核中的网络栈，其实也类似于 TCP/IP 的四层结构。如下图所示，就是 Linux 通用 IP 网络栈的示意图：

我们从上到下来看这个网络栈，你可以发现，

这里我简单说一下网卡。网卡是发送和接收网络包的基本设备。在系统启动过程中，网卡通过内核中的网卡驱动程序注册到系统中。而在网络收发过程中，内核通过中断跟网卡进行交互。

再结合前面提到的 Linux 网络栈，可以看出，网络包的处理非常复杂。所以，网卡硬中断只处理最核心的网卡数据读取或发送，而协议栈中的大部分逻辑，都会放到软中断中处理。

我们先来看网络包的接收流程。

当一个网络帧到达网卡后，网卡会通过 DMA 方式，把这个网络包放到收包队列中；然后通过硬中断，告诉中断处理程序已经收到了网络包。

接着，网卡中断处理程序会为网络帧分配内核数据结构（sk_buff），并将其拷贝到 sk_buff 缓冲区中；然后再通过软中断，通知内核收到了新的网络帧。

接下来，内核协议栈从缓冲区中取出网络帧，并通过网络协议栈，从下到上逐层处理这个网络帧。比如，

最后，应用程序就可以使用 Socket 接口，读取到新接收到的数据了。

为了更清晰表示这个流程，我画了一张图，这张图的左半部分表示接收流程，而图中的粉色箭头则表示网络包的处理路径。

了解网络包的接收流程后，就很容易理解网络包的发送流程。网络包的发送流程就是上图的右半部分，很容易发现，网络包的发送方向，正好跟接收方向相反。

首先，应用程序调用 Socket API（比如 sendmsg）发送网络包。

由于这是一个系统调用，所以会陷入到内核态的套接字层中。套接字层会把数据包放到 Socket 发送缓冲区中。

接下来，网络协议栈从 Socket 发送缓冲区中，取出数据包；再按照 TCP/IP 栈，从上到下逐层处理。比如，传输层和网络层，分别为其增加 TCP 头和 IP 头，执行路由查找确认下一跳的 IP，并按照 MTU 大小进行分片。

分片后的网络包，再送到网络接口层，进行物理地址寻址，以找到下一跳的 MAC 地址。然后添加帧头和帧尾，放到发包队列中。这一切完成后，会有软中断通知驱动程序：发包队列中有新的网络帧需要发送。

最后，驱动程序通过 DMA ，从发包队列中读出网络帧，并通过物理网卡把它发送出去。

多台服务器通过网卡、交换机、路由器等网络设备连接到一起，构成了相互连接的网络。由于网络设备的异构性和网络协议的复杂性，国际标准化组织定义了一个七层的 OSI 网络模型，但是这个模型过于复杂，实际工作中的事实标准，是更为实用的 TCP/IP 模型。

TCP/IP 模型，把网络互联的框架，分为应用层、传输层、网络层、网络接口层等四层，这也是 Linux 网络栈最核心的构成部分。

我结合网络上查阅的资料和文章中的内容，总结了下网卡收发报文的过程，不知道是否正确：

当发送数据包时，与上述相反。链路层将数据包封装完毕后，放入网卡的DMA缓冲区，并调用系统硬中断，通知网卡从缓冲区读取并发送数据。

了解 Linux 网络的基本原理和收发流程后，你肯定迫不及待想知道，如何去观察网络的性能情况。具体而言，哪些指标可以用来衡量 Linux 的网络性能呢？

实际上，我们通常用带宽、吞吐量、延时、PPS（Packet Per Second）等指标衡量网络的性能。

除了这些指标，网络的可用性（网络能否正常通信）、并发连接数（TCP 连接数量）、丢包率（丢包百分比）、重传率（重新传输的网络包比例）等也是常用的性能指标。

分析网络问题的第一步，通常是查看网络接口的配置和状态。你可以使用 ifconfig 或者 ip 命令，来查看网络的配置。我个人更推荐使用 ip 工具，因为它提供了更丰富的功能和更易用的接口。

以网络接口 eth0 为例，你可以运行下面的两个命令，查看它的配置和状态：

你可以看到，ifconfig 和 ip 命令输出的指标基本相同，只是显示格式略微不同。比如，它们都包括了网络接口的状态标志、MTU 大小、IP、子网、MAC 地址以及网络包收发的统计信息。

第一，网络接口的状态标志。ifconfig 输出中的 RUNNING ，或 ip 输出中的 LOWER_UP ，都表示物理网络是连通的，即网卡已经连接到了交换机或者路由器中。如果你看不到它们，通常表示网线被拔掉了。

第二，MTU 的大小。MTU 默认大小是 1500，根据网络架构的不同（比如是否使用了 VXLAN 等叠加网络），你可能需要调大或者调小 MTU 的数值。

第三，网络接口的 IP 地址、子网以及 MAC 地址。这些都是保障网络功能正常工作所必需的，你需要确保配置正确。

第四，网络收发的字节数、包数、错误数以及丢包情况，特别是 TX 和 RX 部分的 errors、dropped、overruns、carrier 以及 collisions 等指标不为 0 时，通常表示出现了网络 I/O 问题。其中：

ifconfig 和 ip 只显示了网络接口收发数据包的统计信息，但在实际的性能问题中，网络协议栈中的统计信息，我们也必须关注。你可以用 netstat 或者 ss ，来查看套接字、网络栈、网络接口以及路由表的信息。

我个人更推荐，使用 ss 来查询网络的连接信息，因为它比 netstat 提供了更好的性能（速度更快）。

比如，你可以执行下面的命令，查询套接字信息：

netstat 和 ss 的输出也是类似的，都展示了套接字的状态、接收队列、发送队列、本地地址、远端地址、进程 PID 和进程名称等。

其中，接收队列（Recv-Q）和发送队列（Send-Q）需要你特别关注，它们通常应该是 0。当你发现它们不是 0 时，说明有网络包的堆积发生。当然还要注意，在不同套接字状态下，它们的含义不同。

当套接字处于连接状态（Established）时，

当套接字处于监听状态（Listening）时，

所谓全连接，是指服务器收到了客户端的 ACK，完成了 TCP 三次握手，然后就会把这个连接挪到全连接队列中。这些全连接中的套接字，还需要被 accept() 系统调用取走，服务器才可以开始真正处理客户端的请求。

与全连接队列相对应的，还有一个半连接队列。所谓半连接是指还没有完成 TCP 三次握手的连接，连接只进行了一半。服务器收到了客户端的 SYN 包后，就会把这个连接放到半连接队列中，然后再向客户端发送 SYN+ACK 包。

类似的，使用 netstat 或 ss ，也可以查看协议栈的信息：

这些协议栈的统计信息都很直观。ss 只显示已经连接、关闭、孤儿套接字等简要统计，而 netstat 则提供的是更详细的网络协议栈信息。

比如，上面 netstat 的输出示例，就展示了 TCP 协议的主动连接、被动连接、失败重试、发送和接收的分段数量等各种信息。

接下来，我们再来看看，如何查看系统当前的网络吞吐量和 PPS。在这里，我推荐使用我们的老朋友 sar，在前面的 CPU、内存和 I/O 模块中，我们已经多次用到它。

给 sar 增加 -n 参数就可以查看网络的统计信息，比如网络接口（DEV）、网络接口错误（EDEV）、TCP、UDP、ICMP 等等。执行下面的命令，你就可以得到网络接口统计信息：

这儿输出的指标比较多，我来简单解释下它们的含义。

其中，Bandwidth 可以用 ethtool 来查询，它的单位通常是 Gb/s 或者 Mb/s，不过注意这里小写字母 b ，表示比特而不是字节。我们通常提到的千兆网卡、万兆网卡等，单位也都是比特。如下你可以看到，我的 eth0 网卡就是一个千兆网卡：

其中，Bandwidth 可以用 ethtool 来查询，它的单位通常是 Gb/s 或者 Mb/s，不过注意这里小写字母 b ，表示比特而不是字节。我们通常提到的千兆网卡、万兆网卡等，单位也都是比特。如下你可以看到，我的 eth0 网卡就是一个千兆网卡：

我们通常使用带宽、吞吐量、延时等指标，来衡量网络的性能；相应的，你可以用 ifconfig、netstat、ss、sar、ping 等工具，来查看这些网络的性能指标。

小狗同学问到： 老师，您好 ss —lntp 这个 当session处于listening中 rec-q 确定是 syn的backlog吗？

A: Recv-Q为全连接队列当前使用了多少。 中文资料里这个问题讲得最明白的文章： https://mp.weixin.qq.com/s/yH3PzGEFopbpA-jw4MythQ

看了源码发现，这个地方讲的有问题.关于ss输出中listen状态套接字的Recv-Q表示全连接队列当前使用了多少,也就是全连接队列的当前长度,而Send-Q表示全连接队列的最大长度

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