Unix操作系统设备驱动程序的基本结构

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在Unix操作系统里,对用户程序而言,设备程序隐藏了设备的具体细节,对各种不同设备提供了一致的接口,一般来说是把设备映射为一个特殊的设备文件,用户程序可以象对其它文件一样对此设备文件进行操作。

学习了很多关于Unix操作系统的知识,今天我们来讲解下Unix操作系统设备驱动程序的基本结构的知识。在Unix操作系统里,对用户程序而言,设备程序隐藏了设备的具体细节,对各种不同设备提供了一致的接口,一般来说是把设备映射为一个特殊的设备文件,用户程序可以象对其它文件一样对此设备文件进行操作。

Unix操作系统对设备支持两个标准接口:块特别设备文件和字符特别设备文件,通过块(字符)特别设备文件存取的设备称为块(字符)设备或具有块(字符)设备接口。

块设备接口仅支持面向块的I/O操作,所有I/O操作都通过在内核地址空间中的I/O缓冲区进行,它可以支持几乎任意长度和任意位置上的I/O请求,即提供随机存取的功能。字符设备接口支持面向字符的I/O操作,它不经过Unix操作系统的快速缓存,所以它们负责管理自己的缓冲区结构。字符设备接口只支持顺序存取的功能,一般不能进行任意长度的I/O请求,而是限制I/O请求的长度必须是设备要求的基本块长的倍数。

显然,本程序所驱动的串行卡只能提供顺序存取的功能,属于是字符设备,因此后面的讨论在两种设备有所区别时都只涉及字符型设备接口。设备由一个主设备号和一个次设备号标识。主设备号唯一标识了设备类型,即设备驱动程序类型,它是块设备表或字符设备表中设备表项的索引。次设备号仅由设备驱动程序解释,一般用于识别在若干可能的硬件设备中,I/O请求所涉及到的那个设备。

Unix操作系统设备驱动程序可以分为三个主要组成部分:

1 自动配置和初始化子程序,负责检测所要驱动的硬件设备是否存在和是否能正常工作。如果该设备正常,则对这个设备及其相关的、设备驱动程序需要的软件状态进行初始化。这部分驱动程序仅在初始化的时候被调用一次。

2 服务于I/O请求的子程序,又称为驱动程序的上半部分。调用这部分是由于系统调用的结果。这部分程序在执行的时候,系统仍认为是和进行调用的进程属于同一个进程,只是由用户态变成了核心态,具有进行此Unix操作系统调用的用户程序的运行环境,因此可以在其中调用sleep等与进程运行环境有关的函数。

3 中断服务子程序,又称为驱动程序的下半部分。在Unix操作系统中,并不是直接从中断向量表中调用设备驱动程序的中断服务子程序,而是由Unix操作系统来接收硬件中断,再由系统调用中断服务子程序。

中断可以产生在任何一个进程运行的时候,因此在中断服务程序被调用的时候,不能依赖于任何进程的状态,也就不能调用任何与进程运行环境有关的函数。因为设备驱动程序一般支持同一类型的若干设备,所以一般在系统调用中断服务子程序的时候,都带有一个或多个参数,以唯一标识请求服务的设备。

在Unix操作系统内部,I/O设备的存取通过一组固定的入口点来进行,这组入口点是由每个设备的设备驱动程序提供的。一般来说,字符型设备驱动程序能够提供如下几个入口点:

1 open入口点。打开设备准备I/O操作。对字符特别设备文件进行打开操作,都会调用设备的open入口点。open子程序必须对将要进行的I/O操作做好必要的准备工作,如清除缓冲区等。如果设备是独占的,即同一时刻只能有一个程序访问此设备,则open子程序必须设置一些标志以表示设备处于忙状态。

2 close入口点。关闭一个设备。当***一次使用设备终结后,调用close子程序。独占设备必须标记设备可再次使用。

3 read入口点。从设备上读数据。对于有缓冲区的I/O操作,一般是从缓冲区里读数据。对字符特别设备文件进行读操作将调用read子程序。

4 write入口点。往设备上写数据。对于有缓冲区的I/O操作,一般是把数据写入缓冲区里。对字符特别设备文件进行写操作将调用write子程序。

5 ioctl入口点。执行读、写之外的操作。

6 select入口点。检查设备,看数据是否可读或设备是否可用于写数据。select系统调用在检查与设备特别文件相关的文件描述符时使用select入口点。如果设备驱动程序没有提供上述入口点中的某一个,系统会用缺省的子程序来代替。对于不同的Unix操作系统,也还有一些其它的入口点。

好了,关于Unix操作系统设备驱动程序的基本结构的知识,我们今天就讲解到这里,以后希望有更多的机会来和大家来探讨。

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责任编辑:小霞
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