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第 9 章 编写 FreeBSD 设备驱动程序

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2023-12-01

9.1. 简介

本章简要介绍了如何为FreeBSD编写设备驱动程序。术语设备在 这儿的上下文中多用于指代系统中硬件相关的东西，如磁盘，打印机， 图形显式器及其键盘。设备驱动程序是操作系统中用于控制特定设备的 软件组件。也有所谓的伪设备，即设备驱动程序用软件模拟设备的行为， 而没有特定的底层硬件。设备驱动程序可以被静态地编译进系统，或者 通过动态内核链接工具‘kld’在需要时加载。

类UNIX®操作系统中的大多数设备都是通过设备节点来访问的，有时也 被称为特殊文件。这些文件在文件系统的层次结构中通常位于 /dev目录下。在FreeBSD 5.0-RELEASE以前的 发行版中, 对devfs(5)的支持还没有被集成到FreeBSD中，每个设备 节点必须要静态创建，并且独立于相关设备驱动程序的存在。系统中大 多数设备节点是通过运行MAKEDEV创建的。

设备驱动程序可以粗略地分为两类，字符和网络设备驱动程序。

9.2. 动态内核链接工具──KLD

kld接口允许系统管理员从运行的系统中动态地添加和删除功能。 这允许设备驱动程序的编写者将他们的新改动加载到运行的内核中， 而不用为了测试新改动而频繁地重启。

kld接口通过下面的特权命令使用：

  • kldload - 加载新内核模块
  • kldunload - 卸载内核模块
  • kldstat - 列举当前加载的模块

内核模块的程序框架

/*
 * KLD程序框架
 * 受Andrew Reiter在Daemonnews上的文章所启发
 */

#include <sys/types.h>
#include <sys/module.h>
#include <sys/systm.h>  /* uprintf */
#include <sys/errno.h>
#include <sys/param.h>  /* kernel.h中用到的定义 */
#include <sys/kernel.h> /* 模块初始化中使用的类型 */

/*
 * 加载处理函数，负责处理KLD的加载和卸载。
 */

static int
skel_loader(struct module *m, int what, void *arg)
{
  int err = 0;

  switch (what) {
  case MOD_LOAD:/* kldload */
    uprintf("Skeleton KLD loaded.\n");
    break;
  case MOD_UNLOAD:
    uprintf("Skeleton KLD unloaded.\n");
    break;
  default:
    err = EOPNOTSUPP;
    break;
  }
  return(err);
}

/* 向内核其余部分声明此模块 */

static moduledata_t skel_mod = {
  "skel",
  skel_loader,
  NULL
};

DECLARE_MODULE(skeleton, skel_mod, SI_SUB_KLD, SI_ORDER_ANY);

9.2.1. Makefile

FreeBSD提供了一个makefile包含文件，利用它你可以快速地编译 你附加到内核的东西。

SRCS=skeleton.c
KMOD=skeleton

.include <bsd.kmod.mk>

简单地用这个makefile运行make就能够创建文件 skeleton.ko，键入如下命令可以把它加载到内核：

# kldload -v ./skeleton.ko

9.3. 访问设备驱动程序

UNIX® 提供了一套公共的系统调用供用户的应用程序使用。当用户访问 设备节点时，内核的上层将这些调用分发到相应的设备驱动程序。脚本 /dev/MAKEDEV为你的系统生成了大多数的设备节点， 但如果你正在开发你自己的驱动程序，可能需要用 mknod创建你自己的设备节点。

9.3.1. 创建静态设备节点

mknod命令需要四个参数来创建设备节点。 你必须指定设备节点的名字，设备的类型，设备的主号码和设备的从号码。

9.3.2. 动态设备节点

设备文件系统，或者说devfs，在全局文件系统名字空间中提供对 内核设备名字空间的访问。这消除了由于有设备驱动程序而没有静态 设备节点，或者有设备节点而没有安装设备驱动程序而带来的潜在问题。 Devfs仍在进展中，但已经能够工作得相当好了。

9.4. 字符设备

字符设备驱动程序直接从用户进程传输数据，或传输数据到用户进程。 这是最普通的一类设备驱动程序，源码树中有大量的简单例子。

这个简单的伪设备例子会记住你写给它的任何值，并且当你读取它的时候 会将这些值返回给你。下面显示了两个版本，一个适用于FreeBSD 4.X， 一个适用于FreeBSD 5.X。

例 9.1. 适用于FreeBSD 4.X的回显伪设备驱动程序实例
/*
 * 简单‘echo’伪设备KLD
 *
 * Murray Stokely
 */

#define MIN(a,b) (((a) < (b)) ? (a) : (b))

#include <sys/types.h>
#include <sys/module.h>
#include <sys/systm.h>  /* uprintf */
#include <sys/errno.h>
#include <sys/param.h>  /* kernel.h中用到的定义 */
#include <sys/kernel.h> /* 模块初始化中使用的类型 */
#include <sys/conf.h>   /* cdevsw结构 */
#include <sys/uio.h>    /* uio结构 */
#include <sys/malloc.h>

#define BUFFERSIZE 256

/* 函数原型 */
d_open_t	echo_open;
d_close_t	echo_close;
d_read_t	echo_read;
d_write_t	echo_write;

/* 字符设备入口点 */
static struct cdevsw echo_cdevsw = {
	echo_open,
	echo_close,
	echo_read,
	echo_write,
	noioctl,
	nopoll,
	nommap,
	nostrategy,
	"echo",
	33,      /* 为lkms保留 - /usr/src/sys/conf/majors */
	nodump,
	nopsize,
	D_TTY,
	-1
};

typedef struct s_echo {
	char msg[BUFFERSIZE];
	int len;
} t_echo;

/* 变量 */
static dev_t sdev;
static int count;
static t_echo *echomsg;

MALLOC_DECLARE(M_ECHOBUF);
MALLOC_DEFINE(M_ECHOBUF, "echobuffer", "buffer for echo module");

/*
 * 这个函数被kld[un]load(2)系统调用来调用，
 * 以决定加载和卸载模块时需要采取的动作。
 */

static int
echo_loader(struct module *m, int what, void *arg)
{
	int err = 0;

	switch (what) {
	case MOD_LOAD:/* kldload */
		sdev = make_dev(&echo_cdevsw,
		    0,
		    UID_ROOT,
		    GID_WHEEL,
		    0600,
		    "echo");
		/* kmalloc分配供驱动程序使用的内存 */
		MALLOC(echomsg, t_echo *, sizeof(t_echo), M_ECHOBUF, M_WAITOK);
		printf("Echo device loaded.\n");
		break;
	case MOD_UNLOAD:
		destroy_dev(sdev);
		FREE(echomsg,M_ECHOBUF);
		printf("Echo device unloaded.\n");
		break;
	default:
		err = EOPNOTSUPP;
		break;
	}
	return(err);
}

int
echo_open(dev_t dev, int oflags, int devtype, struct proc *p)
{
	int err = 0;

	uprintf("Opened device \"echo\" successfully.\n");
	return(err);
}

int
echo_close(dev_t dev, int fflag, int devtype, struct proc *p)
{
	uprintf("Closing device \"echo.\"\n");
	return(0);
}

/*
 * read函数接受由echo_write()存储的buf，并将其返回到用户空间，
 * 以供其他函数访问。
 * uio(9)
 */

int
echo_read(dev_t dev, struct uio *uio, int ioflag)
{
	int err = 0;
	int amt;

	/*
	 * 这个读操作有多大？
	 * 与用户请求的大小一样，或者等于剩余数据的大小。
	 */
	amt = MIN(uio->uio_resid, (echomsg->len - uio->uio_offset > 0) ?
	    echomsg->len - uio->uio_offset : 0);
	if ((err = uiomove(echomsg->msg + uio->uio_offset,amt,uio)) != 0) {
		uprintf("uiomove failed!\n");
	}
	return(err);
}

/*
 * echo_write接受一个字符串并将它保存到缓冲区，用于以后的访问。
 */

int
echo_write(dev_t dev, struct uio *uio, int ioflag)
{
	int err = 0;

	/* 将字符串从用户空间的内存复制到内核空间 */
	err = copyin(uio->uio_iov->iov_base, echomsg->msg,
	    MIN(uio->uio_iov->iov_len, BUFFERSIZE - 1));

	/* 现在需要以null结束字符串，并记录长度 */
	*(echomsg->msg + MIN(uio->uio_iov->iov_len, BUFFERSIZE - 1)) = 0;
	echomsg->len = MIN(uio->uio_iov->iov_len, BUFFERSIZE);

	if (err != 0) {
		uprintf("Write failed: bad address!\n");
	}
	count++;
	return(err);
}

DEV_MODULE(echo,echo_loader,NULL);

例 9.2. 适用于FreeBSD 5.X回显伪设备驱动程序实例
/*
 * 简单‘echo’伪设备 KLD
 *
 * Murray Stokely
 *
 * 此代码由Søren (Xride) Straarup转换到5.X
 */

#include <sys/types.h>
#include <sys/module.h>
#include <sys/systm.h>  /* uprintf */
#include <sys/errno.h>
#include <sys/param.h>  /* kernel.h中用到的定义 */
#include <sys/kernel.h> /* 模块初始化中使用的类型 */
#include <sys/conf.h>   /* cdevsw结构 */
#include <sys/uio.h>    /* uio结构 */
#include <sys/malloc.h>

#define BUFFERSIZE 256


/* 函数原型 */
static d_open_t      echo_open;
static d_close_t     echo_close;
static d_read_t      echo_read;
static d_write_t     echo_write;

/* 字符设备入口点 */
static struct cdevsw echo_cdevsw = {
	.d_version = D_VERSION,
	.d_open = echo_open,
	.d_close = echo_close,
	.d_read = echo_read,
	.d_write = echo_write,
	.d_name = "echo",
};

typedef struct s_echo {
	char msg[BUFFERSIZE];
	int len;
} t_echo;

/* 变量 */
static struct cdev *echo_dev;
static int count;
static t_echo *echomsg;

MALLOC_DECLARE(M_ECHOBUF);
MALLOC_DEFINE(M_ECHOBUF, "echobuffer", "buffer for echo module");

/*
 * 这个函数被kld[un]load(2)系统调用来调用,
 * 以决定加载和卸载模块时需要采取的动作.
 */

static int
echo_loader(struct module *m, int what, void *arg)
{
	int err = 0;

	switch (what) {
	case MOD_LOAD:/* kldload */
		echo_dev = make_dev(&echo_cdevsw,
		    0,
		    UID_ROOT,
		    GID_WHEEL,
		    0600,
		    "echo");
		/* kmalloc分配供驱动程序使用的内存 */
		echomsg = malloc(sizeof(t_echo), M_ECHOBUF, M_WAITOK);
		printf("Echo device loaded.\n");
		break;
	case MOD_UNLOAD:
		destroy_dev(echo_dev);
		free(echomsg, M_ECHOBUF);
		printf("Echo device unloaded.\n");
		break;
	default:
		err = EOPNOTSUPP;
		break;
	}
	return(err);
}

static int
echo_open(struct cdev *dev, int oflags, int devtype, struct thread *p)
{
	int err = 0;

	uprintf("Opened device \"echo\" successfully.\n");
	return(err);
}

static int
echo_close(struct cdev *dev, int fflag, int devtype, struct thread *p)
{
	uprintf("Closing device \"echo.\"\n");
	return(0);
}

/*
 * read函数接受由echo_write()存储的buf，并将其返回到用户空间，
 * 以供其他函数访问。
 * uio(9)
 */

static int
echo_read(struct cdev *dev, struct uio *uio, int ioflag)
{
	int err = 0;
	int amt;

	/*
	 * 这个读操作有多大？
	 * 等于用户请求的大小，或者等于剩余数据的大小。
	 */
	amt = MIN(uio->uio_resid, (echomsg->len - uio->uio_offset > 0) ?
	     echomsg->len - uio->uio_offset : 0);
	if ((err = uiomove(echomsg->msg + uio->uio_offset, amt, uio)) != 0) {
		uprintf("uiomove failed!\n");
	}
	return(err);
}

/*
 * echo_write接受一个字符串并将它保存到缓冲区, 用于以后的访问.
 */

static int
echo_write(struct cdev *dev, struct uio *uio, int ioflag)
{
	int err = 0;

	/* 将字符串从用户空间的内存复制到内核空间 */
	err = copyin(uio->uio_iov->iov_base, echomsg->msg,
	    MIN(uio->uio_iov->iov_len, BUFFERSIZE - 1));

	/* 现在需要以null结束字符串，并记录长度 */
	*(echomsg->msg + MIN(uio->uio_iov->iov_len, BUFFERSIZE - 1)) = 0;
	echomsg->len = MIN(uio->uio_iov->iov_len, BUFFERSIZE);

	if (err != 0) {
		uprintf("Write failed: bad address!\n");
	}
	count++;
	return(err);
}

DEV_MODULE(echo,echo_loader,NULL);

在FreeBSD 4.X上安装此驱动程序，你将首先需要用如下命令在 你的文件系统上创建一个节点：

# mknod /dev/echo c 33 0

驱动程序被加载后，你应该能够键入一些东西，如：

# echo -n "Test Data" > /dev/echo
# cat /dev/echo
Test Data

真正的硬件设备在下一章描述。

补充资源

9.5. 块设备(消亡中)

其他UNIX®系统支持另一类型的磁盘设备，称为块设备。块设备是内核 为它们提供缓冲的磁盘设备。这种缓冲使得块设备几乎没有用，或者说非常 不可靠。缓冲会重新安排写操作的次序，使得应用程序丧失了在任何时刻及时 知道准确的磁盘内容的能力。这导致对磁盘数据结构（文件系统，数据库等）的 可预测的和可靠的崩溃恢复成为不可能。由于写操作被延迟，内核无法向应用 程序报告哪个特定的写操作遇到了写错误，这又进一步增加了一致性问题。 由于这个原因，真正的应用程序从不依赖于块设备，事实上，几乎所有访问 磁盘的应用程序都尽力指定总是使用字符（或“raw”）设备。 由于实现将每个磁盘（分区）同具有不同语义的两个设备混为一谈，从而致使 相关内核代码极大地复杂化，作为推进磁盘I/O基础结构现代化的一部分，FreeBSD 抛弃了对带缓冲的磁盘设备的支持。

9.6. 网络设备驱动程序

访问网络设备的驱动程序不需要使用设备节点。选择哪个驱动程序是 基于内核内部的其他决定而不是调用open()，对网络设备的使用通常由 系统调用socket(2)引入。

更多细节， 请参见 ifnet(9) 联机手册、 回环设备的源代码， 以及 Bill Paul 撰写的网络驱动程序。

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