操作系统--7Linux驱动程序编写基础

用户通过加载内核模块可以方便地给内核添加功能，也可以通过内核模块将内核不需要用的功能卸载。

现代的操作系统的内核主要分为单内核和微内核两种。单内核操作系统内部可以划分成层次或模块，但运行时时一个大的二进制映像，模块间的交互通过直接调用其他模块中的函数来实现。微内核操作系统内核中仅包含资源控制与通信功能，其他功能都在内核，由用户态下运行的服务进程实现，通过微内核提供的消息传递机制完成进程之间的通信。

LINUX操作系统是一种单内核结构的操作系统，但是在其基础上引入了模块机制，克服了单内核的缺点，一定程度上解决了单内核功能的适应性、灵活性和可伸缩性问题。

Linux提供的模块机制的完整叫法是动态可加载内核模块（LKM），一般简称为内核模块或模块。内核模块是一个目标文件，其代码可以在运行时链接到内核或从内核中解除链接。利用内核模块的主要优点如下：

1）模块化方法

2）平台无关性

3）节省内存使用

4）无性能损失

内核在管理内核模块时，主要有两个任务：一是符号表管理，二是维护内核模块引用计数。

内核提供了init_module()和delete_module()两个系统调用实现内核模块的动态安装和卸载。LINUX系统限制只包含CAP_SYS_MODULE权限的用户才能对内核模块进行安装和卸载。linux系统也提供了insmod、rmmod和modprope三个命令行工具供用户在命令行下对内核模块进行操作。

7.3中断服务例程

驱动程序可以采用两种方式等待外设完成操作。一种是查询方式，驱动程序在提交命令后就开始查询设备的状态寄存器，当状态寄存器表明操作完成时，驱动程序才继续后续的处理。另一种是利用中断，驱动程序提交命令后立即进入休眠状态，设备结束操作之后，产生中断信号，操作系统则根据设备的中断信号负责唤醒驱动程序。

在LINUX中，多个设备可以共享同一个中断。对于一个中断，内核维护了一个中断服务例程（ISR）的链表。当中断到来时，该中断的每一个中断服务例程都会被一次调用。内核允许设备驱动将自己的中断服务例程插入响应中断的队列。

7.3.1概述

由于受中断向量数量较少的硬件限制，不能给每一个外设分配一根单独的中断号。为了解决这个问题，一些外设必须共享同一个中断号。共享同一个中断号的多个外设发出的中断信号是相同的。当共享中断号的任何一个外设产生中断，处理器都会转跳到同一个中断处理程序。为了使每个设备能够有独立的中断处理程序，LINUX引入了中断服务例程的概念。

中断处理程序与中断服务例程是两个不同的概念。

中断处理程序相当于某个中断的总处理程序，并不服务于任何特定的设备。当发生中断后，中断处理程序的主要工作是做一些通用的现场保护，并把该中断所包含的所有的ISR依次运行一遍。

中断服务例程：ISR是为某一个具体设备服务的程序。每个外设都有各自的ISR与之对应。

为了使整个中断处理过程的时间尽可能缩短，每一个ISR被运行时，ISR要检测该中断是不是由ISR所对应设备发出的，如果不是，ISR应立即退出。

7.4上半部和下半部

当中断发生时，中断服务例程被串行化执行。为了提高内核处理中断的吞吐量，提高内核的响应速度，把中断服务例程分成上半部和下半部。上半部会立即被内核执行，下半部分会被推迟执行。下半部的执行并不需要指明一个确切的时间，只要把这些任务推迟，让它们在系统不太繁忙并且中断恢复后执行就可以。

LINUX提供的下半部实现机制主要有软中断、tasklet和工作队列。软中断只能被静态定义，执行的速度快，一般用于对时间要求非常严格的场合；tasklet是下半部处理的首选机制，能够动态被创建，但它在执行过程中不能睡眠；工作队列在一个内核线程的上下文中执行，在工作队列中的任务是能够睡眠的，并且工作队列中的任务还可以在指定延时后才被执行。

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系统调用是操作系统内核和应用程序之间的接口，设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间的接口。设备驱动程序的本质是实现逻辑设备到物理设备的转换，启动相应的I/O设备，发出I/O命令，完成相应的I/O操作，它是内核与外围设备数据交流的核心代码。在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以像操作普通文件一样对硬件设备进行操作。

LINUX2.6内核开发了全新的设备模型，采用sysfs文件系统，该文件系统类似proc文件系统的特殊文件系统，用于将系统中的设备组织成层次结构，并向用户模式程序提供详细的内核数据结构信息。

LINUX2.6引入新的设备管理机制kobject，通过这个数据结构使所有设备在底层都具有统一接口，提供基本的对象管理，是构成linux2.6设备模型的核心机构，与sysfs文件系统紧密关联，每个在内核中注册的kobject对象都对应于sysfs文件系统中的一个目录。

LINUX中的任一设备在设备模型中都有一个device对象描述，对应数据结构struct device.

系统中的每个驱动程序都由一个device_driver对象描述，对应的数据结构使struct device_driver.