于PCI9656設備驅(qū)動程序的Linux2.6內(nèi)核研究

摘要：本文以64位PCI總線接口芯片PCI9656的設備驅(qū)動程序為基礎，比較了Linux2.6內(nèi)核與2.4內(nèi)核的區(qū)別，設計與開發(fā)了在Linux 2.6內(nèi)核下PCI9656設備驅(qū)動程序，進而研究了2.6內(nèi)核的內(nèi)存和中斷管理機制。 
關(guān)鍵字：Linux2.6;設備驅(qū)動程序;PCI9656 

1 引言

Linux操作系統(tǒng)因為其高效、安全、可動態(tài)加載及源代碼開放等特點，深受設備驅(qū)動程序開發(fā)人員的喜愛。系統(tǒng)內(nèi)核大部分獨立于底層硬件運行，用戶無需關(guān)心硬件問題，而用戶操作是通過一組標準化的調(diào)用來完成。設備驅(qū)動程序的任務是將這些調(diào)用映射到作用于實際硬件設備的特定操作上，該編程接口能夠使得驅(qū)動程序獨立于內(nèi)核的其他部分來搭建，在需要時才動態(tài)加載到內(nèi)核。這種模塊化的特點，使得Linux設備驅(qū)動程序的編寫過程變得清晰簡單。

目前，為滿足日益龐大的數(shù)據(jù)處理需要，基于64位PCI總線接口設備的研究開發(fā)顯得尤為重要。因而本文將基于PLX公司推出的PCI總線接口芯片PCI9656，設計開發(fā)在Linux2.6內(nèi)核下的設備驅(qū)動程序，進而對2.6內(nèi)核的內(nèi)存和中斷管理機制進行分析研究。

2 Linux2.6與2.4內(nèi)核的比較

2.1  系統(tǒng)穩(wěn)定性

為了徹底防止對正在被使用的內(nèi)核模塊進行錯誤操作，2.6內(nèi)核在加載和導出內(nèi)核模塊方面都較2.4內(nèi)核進行了改進，避免了用戶執(zhí)行將導致系統(tǒng)崩潰的操作，例如強制刪除模塊等。同時，當驅(qū)動程序需要在多個文件中包含<linux/module.h>頭文件時，不必定義宏__NO_VERSION__來檢查內(nèi)核的版本。

2.2  統(tǒng)一設備模型

統(tǒng)一設備模型的創(chuàng)建是2.6內(nèi)核最重要的變化之一。它促進了模塊接口的標準化，其目的是更好地控制和管理設備，主要包括：更準確地確定系統(tǒng)設備，更高效的進行電源管理以及改進的系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)管理。

2.3  內(nèi)核基礎設施

2.6內(nèi)核為了區(qū)別以.o為擴展名的常規(guī)對象文件，將內(nèi)核模塊的擴展名改為.ko。相對于2.4內(nèi)核下系統(tǒng)所支持的RAM為4GB而言，2.6內(nèi)核下系統(tǒng)支持更大數(shù)量的RAM，在分頁模式下最高可達64GB。同時，2.6內(nèi)核優(yōu)化了I/O調(diào)度器，確保不會有進程駐留在隊列中過長時間等待輸入/輸出操作，使得I/O操作的響應更為迅速。

2.4  外部設備

在2.4內(nèi)核中有約束大型系統(tǒng)的限制，比如支持的每一類設備的最大數(shù)量為256。而2.6內(nèi)核則徹底地打破了這些限制，可以支持4095種主要的設備類型，每一個單獨的類型又可以支持超過一百萬個的子設備。

3 Linux2.6內(nèi)核下PCI設備驅(qū)動程序的設計

3.1  PCI設備驅(qū)動程序中核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在2.6內(nèi)核下使用file_operations數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，來建立設備驅(qū)動程序中的函數(shù)與主設備號(major number)之間的對應關(guān)系。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中包含了指向驅(qū)動程序內(nèi)部大多數(shù)函數(shù)的指針，描述了虛擬文件系統(tǒng)如何操作一個打開的外圍設備。因而file _operations結(jié)構(gòu)是驅(qū)動程序向內(nèi)核其他部分提供的一個統(tǒng)一的標準設備接口。

file結(jié)構(gòu)是設備驅(qū)動程序使用的另一個重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，指示當前系統(tǒng)中已打開的文件。它在C語言庫中定義，在調(diào)用內(nèi)核open函數(shù)時創(chuàng)建，并傳遞給在該設備上進行操作的所有函數(shù)，直到最后的close函數(shù)。file結(jié)構(gòu)中還包含了指向它所擁有的file_operations結(jié)構(gòu)的指針。

inode結(jié)構(gòu)由內(nèi)核自動生成，代表已打開文件的描述符，與每個打開的文件一一對應。它包含了兩個重要的結(jié)構(gòu)成員：dev_t擴展到32位，其中12位主設備號，20位從設備號，而cdev用于存儲一個指向字符設備文件的指針。

3.2  驅(qū)動程序與內(nèi)核和外部設備間的關(guān)系

(1) 通過Linux提供的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)(例如init_module等)進入內(nèi)核，這些函數(shù)在2.6內(nèi)核版本下總共有兩百多個，提供了幾乎所有應用程序進入內(nèi)核所需要執(zhí)行的操作。

(2) 系統(tǒng)的內(nèi)核函數(shù)都有“sys_”前綴（例如函數(shù)sys_init_module），應用程序通過訪問設備文件系統(tǒng)來調(diào)用這些函數(shù)。這一層主要是“devfs”（device filesystem）文件管理機制，它是從普通文件和設備文件抽象出來的一個文件系統(tǒng)層，完成進入具體的設備文件操作之前的準備工作。

(3) 由設備驅(qū)動程序提供具體的函數(shù)，來完成對硬件設備的各種操作。特別的對于PCI9656來說，就是通過PCI接口對設備的寄存器和存儲器進行訪問操作，例如調(diào)用register_chrdev等函數(shù)來初始化芯片內(nèi)部的狀態(tài)寄存器和配置寄存器。

3.3  PCI9656芯片的操作流程

PCI總線是目前最常用的外設總線之一，Linux的PCI內(nèi)核代碼為PCI設備驅(qū)動程序的開發(fā)提供了強大的支持。PCI9656的驅(qū)動程序主要包括以下幾個方面：設備初始化，為PCI芯片分配內(nèi)存資源，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫功能，中斷處理，系統(tǒng)收回內(nèi)存資源，關(guān)閉設備等。

4．Linux2.6內(nèi)核下內(nèi)存和中斷管理的研究

2.6內(nèi)核應用了許多新技術(shù)來實現(xiàn)對各類外部設備驅(qū)動程序的更好支持。下面結(jié)合PCI9656驅(qū)動程序中的內(nèi)存和中斷管理，進一步分析和研究2.6內(nèi)核對內(nèi)存和中斷進行的改進和優(yōu)化。

4.1  內(nèi)存管理

在Linux內(nèi)存管理器中，頁表保持對進程使用的內(nèi)存物理頁的追蹤，它將虛擬頁映射到物理頁上。系統(tǒng)必須找到映射到該頁的每一個進程，將使用較少的頁置換出去，這樣進程中相應頁的頁表條目才能被更新。隨著在系統(tǒng)中運行的進程數(shù)量的增加，將這些頁置換出去的工作量也會急劇增加。