Linux 内核驱动接口详解

Linux 内核驱动接口详解,第1张

写作本文档的目的,是为了解释为什么Linux既没有二进制内核接口,也没有稳定 的内核接口。这里所说的内核接口,是指内核里的接口,而不是内核和用户空间 的接口。内核到用户空间的接口,是提供给应用程序使用的系统调用,系统调用 在 历史 上几乎没有过变化,将来也不会有变化。我有一些老应用程序是在0.9版本 或者更早版本的内核上编译的,在使用2.6版本内核的Linux发布上依然用得很好 。用户和应用程序作者可以将这个接口看成是稳定的。

你也许以为自己想要稳定的内核接口,但是你不清楚你要的实际上不是它。你需 要的其实是稳定的驱动程序,而你只有将驱动程序放到公版内核的源代码树里, 才有可能达到这个目的。而且这样做还有很多其它好处,正是因为这些好处使得 Linux能成为强壮,稳定,成熟的 *** 作系统,这也是你最开始选择Linux的原因。

只有那些写驱动程序的“怪人”才会担心内核接口的改变,对广大用户来说,既 看不到内核接口,也不需要去关心它。

既然只谈技术问题,我们就有了下面两个主题:二进制内核接口和稳定的内核源 代码接口。这两个问题是互相关联的,让我们先解决掉二进制接口的问题。

假如我们有一个稳定的内核源代码接口,那么自然而然的,我们就拥有了稳定的 二进制接口,是这样的吗?错。让我们看看关于Linux内核的几点事实:

对于一个特定的内核,满足这些条件并不难,使用同一个C编译器和同样的内核配 置选项来编译驱动程序模块就可以了。这对于给一个特定Linux发布的特定版本提 供驱动程序,是完全可以满足需求的。但是如果你要给不同发布的不同版本都发 布一个驱动程序,就需要在每个发布上用不同的内核设置参数都编译一次内核, 这简直跟噩梦一样。而且还要注意到,每个Linux发布还提供不同的Linux内核, 这些内核都针对不同的硬件类型进行了优化(有很多种不同的处理器,还有不同 的内核设置选项)。所以每发布一次驱动程序,都需要提供很多不同版本的内核 模块。

相信我,如果你真的要采取这种发布方式,一定会慢慢疯掉,我很久以前就有过 深刻的教训…

如果有人不将他的内核驱动程序,放入公版内核的源代码树,而又想让驱动程序 一直保持在最新的内核中可用,那么这个话题将会变得没完没了。 内核开发是持续而且快节奏的,从来都不会慢下来。内核开发人员在当前接口中 找到bug,或者找到更好的实现方式。一旦发现这些,他们就很快会去修改当前的 接口。修改接口意味着,函数名可能会改变,结构体可能被扩充或者删减,函数 的参数也可能发生改变。一旦接口被修改,内核中使用这些接口的地方需要同时 修正,这样才能保证所有的东西继续工作。

举一个例子,内核的USB驱动程序接口在USB子系统的整个生命周期中,至少经历 了三次重写。这些重写解决以下问题:

这和一些封闭源代码的 *** 作系统形成鲜明的对比,在那些 *** 作系统上,不得不额 外的维护旧的USB接口。这导致了一个可能性,新的开发者依然会不小心使用旧的 接口,以不恰当的方式编写代码,进而影响到 *** 作系统的稳定性。 在上面的例子中,所有的开发者都同意这些重要的改动,在这样的情况下修改代 价很低。如果Linux保持一个稳定的内核源代码接口,那么就得创建一个新的接口 ;旧的,有问题的接口必须一直维护,给Linux USB开发者带来额外的工作。既然 所有的Linux USB驱动的作者都是利用自己的时间工作,那么要求他们去做毫无意 义的免费额外工作,是不可能的。 安全问题对Linux来说十分重要。一个安全问题被发现,就会在短时间内得到修 正。在很多情况下,这将导致Linux内核中的一些接口被重写,以从根本上避免安 全问题。一旦接口被重写,所有使用这些接口的驱动程序,必须同时得到修正, 以确定安全问题已经得到修复并且不可能在未来还有同样的安全问题。如果内核 内部接口不允许改变,那么就不可能修复这样的安全问题,也不可能确认这样的 安全问题以后不会发生。 开发者一直在清理内核接口。如果一个接口没有人在使用了,它就会被删除。这 样可以确保内核尽可能的小,而且所有潜在的接口都会得到尽可能完整的测试 (没有人使用的接口是不可能得到良好的测试的)。

如果你写了一个Linux内核驱动,但是它还不在Linux源代码树里,作为一个开发 者,你应该怎么做?为每个发布的每个版本提供一个二进制驱动,那简直是一个 噩梦,要跟上永远处于变化之中的内核接口,也是一件辛苦活。 很简单,让你的驱动进入内核源代码树(要记得我们在谈论的是以GPL许可发行 的驱动,如果你的代码不符合GPL,那么祝你好运,你只能自己解决这个问题了, 你这个吸血鬼把Andrew和Linus对吸血鬼的定义链接到这里>)。当你的代码加入 公版内核源代码树之后,如果一个内核接口改变,你的驱动会直接被修改接口的 那个人修改。保证你的驱动永远都可以编译通过,并且一直工作,你几乎不需要 做什么事情。

把驱动放到内核源代码树里会有很多的好处:

GRLB 加载了内核之后,内核首先会再进行二次系统的自检,而不一定使用 BIOS 检测的硬件信息。这时内核终于开始替代 BIOS 接管 Linux 的启动过程了。

内核完成再次系统自检之后,开始采用动态的方式加载每个硬件的模块,这个动态模块大家可以想象成硬件的驱动(默认 Linux 硬件的驱动是不需要手工安装的,如果是重要的功能,则会直接编译到内核当中;如果是非重要的功能,比如硬件驱动会编译为模块,则在需要时由内核调用。不过,如果没有被内核硬件,要想驱动,就需要手工安装个硬件的硬块了。具体的安装方法会在后续章节中介绍)。

那么,Linux 的内核到底放在了哪里呢?当然是 /boot 的启动目录中了,我们来看看这个目录下的内容吧。

[root@localhost ~]#ls /boot/

config-2.6.32-279.el6.i686

#内核的配置文件,内核编译时选择的功能与模块

efi

#可扩展固件接口,为英特尔为全新PC固件的体系结构、接口和服务提出的建议标准

grub

#启动引导程GTUB的数据目录

initramfe-2.6.32-279.el6.i686.img

#虚拟文件系统(CentOS 6.x 中用initramfs替代了initrd,但功能是一样的)

lost+found

故boot分区的备份目录

symvers-2_6.32-279.el6.i686.gz

#模块符号信息

System.map-2.6.32-279.el6.i686

#内核功能和内存地址的对应列表

vmlinuz-2.6.32-279.el6.i686

#用于启动的Linux内核。这个文件是一个压缩的内核镜像

我们已经知道,Linux 会把不重要的功能编译成内核模块,在需要时再调用,从而保证了内核不会过大。在多数 Linux 中,都会把硬件的驱动程序编译为模块, 这些模块保存在 /lib/modules/ 目录中。常见的 USB、SATA 和 SCSI 等硬盘设备的驱动,还有一些特殊的文件系统(如 LVM、RAID 等)的驱动,都是以模块的方式来保存的。

如果 Linux 安装在 IDE 硬盘之上,并且采用的是默认的 ext3/4 文件系统,那么内核启动后加载根分区和模块的加载都没有什么问题,系统会顺利启动。但是如果 Linux 安装在 SCSI 硬盘之上,或者采用的是 LVM 文件系统,那么内核(内核加载入内存是启动引导程序 GRUB 调用的,并不存在硬盘驱动不识别的问题)在加载根目录之前是需要加载 SCSI 硬盘或 LVM 文件系统的驱动的。

SCSI 硬盘和 LVM 文件系统的驱动都放在硬盘的 /lib/modules/ 目录中,既然内核没有办法识别 SCSI 硬盘或 LVM 文件系统,那怎么可能读取 /lib/modules/ 目录中的驱动呢?Linux 给出的解决办法是使用 initramfs 这个虚拟文件系统来处理这个问题。

initramfe虚拟文件系统

CentOS 6.x 中使用 initramfs 虚拟文件系统取代了 CentOS 5.x 中的 initrd RAM Disk。它们的作用类似,可以通过启动引导程序加载到内存中,然后会解压缩并在内存中仿真成一个根目录,并且这个仿真的文件系统能够提供一个可执行程序,通过该程序来加载启动过程中所需的内核模块,比如 USB、SATA. SCSI 硬盘的驱动和 LVM、RAID 文件系统的驱动。

也就是说,通过 initramfs 虚拟文件系统在内存中模拟出一个根目录,然后在这个模拟根目录中加载 SCSI 等硬件的驱动,就可以加载真正的根目录了,之后才能调用 Linux 的第一个进程 /sbin/init。

Initramfs 虚拟文件系统主要有以下优点:

initramfs 随着其中数据的増减自动増减容量。

在 initramfs 和页面缓存之间没有重复数据。

initramfs 重复利用了 Linux caching 的代码,因此几乎没有増加内核尺寸,而 caching 的代码已经经过良好测试,所以 initramfs 的代码质量也有保证。

不需要额外的文件系统驱动。

其实大家只需要知道 initramfs 是为了在内核中建立一个模拟根目录,这个模拟根目录是为了可以调用 USB、SATA、SCSI、LVM、RAID 等硬盘接口或文件系统的驱动模块,加载了驱动模块后才可以加载真正的系统根目录。我们可以通过示意图 1 来表示这个过程。

图 1 内核启动流程

那么既然 initramfs 是一个仿真根目录,那么我们是否可以看看这个仿真根目录中到底是什么样子的呢?当然可以,命令如下:

[root@localhost ~]# mkdir /tmp/initramfs

#建立测试目录

[root@localhost ~]# cp/boot/

initramfs-2.6.32-279.el6.i686.img/tmp/initramfs/

#复制initramfs文件

[root@localhost ~]# cd /tmp/initramfs/

[root@localhost initramfs]# file

initramfs-2.6.32-279.el6.i686.img

initramfe-2.6.32-279.el6.i686.img:gzip compressed

data,from Unix,last modified:

Wed Apr 10 21:49:34 2013, max compression

#查看文件类型,发现这个文件是一个使用gzip命令打包的压缩包

[root@localhost initramfs]# mv initramfs-2.6.32-279.el6.i686.imginitramfs-2.6.32-279.el6.i686.img.gz

#修改文件的扩展名为.gz

[root@localhost initramfs]# gunzip

initramfs-2.6.32-279.el6.i686.img.gz

#解压缩

[root@localhost initramfs]# ls

initramfs-2.6.32-279.el6.i686.img

[root@localhost initramfs]# file

initramfs-2.6.32-279.el6.i686.img

initramfe-2.6.32-279.el6.i686.img: ASCII cpio archive (SVR4withnoCRC)

#查看文件类型,使用cpio命令的压缩文件

[root@localhost initramfs]# cpio -ivcdu <initramfs-2.6.32-279.el6.i686.img

#解压缩

[root@localhost initramfs]#ll

总用量34512

drwxr-xr-x. 2 root root 4096 4月 2412:10 bin

drwxr-xr-x. 2 root root 4096 4 月 24 12:10 cmdline

drwxr-xr-x. 3 root root 4096 4月 24 12:10 dev

-rw-r--r--. 1 root root 19 4 月 24 12:10 dracut-004-283.el6

drwxr-xr-x. 2 root root 4096 4 月 24 12:10 emergency

drwxr-xr-x. 7 root root 4096 4月 24 12:10 etc

-rwxr-xr-x. 1 root root 8962 4月 24 12:10 init

drwxr-xr-x. 2 root root 4096 4 月 24 12:10 initqueue

drwxr-xr-x. 2 root root 4096 4 月 24 12:10 initqueue-finished

drwxr-xr-x. 2 root root 4096 4 月 24 12:10 initqueue-settled

drwxr-xr-x. 2 root root 4096 4 月 24 12:10

initqueue-timeout

-rw-r--r--. 1 root root 35235328 4 月 24 12:09 initramfs-2.6.32-279.el6.i686.img

drwxr-xr-x. 9 root root 4096 4月 2412:10 lib

…省略部分输出…

#这就是initramfs虚拟文件系统中的内容,和根目录是不是很像

关机或者某些进程停止,对应的内核模块就会结束。更多知识请百度《Linux就该这么学》

我们知道若要给Linux内核添加模块(驱动)有如下两种方式: (1)动态方式:采用insmod命令来给运行中的linux加载模块。 (2)静态方式:修改linux的配置菜单,添加模块相关文件到源码对应目录


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原文地址: http://outofmemory.cn/yw/8481920.html

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