深入理解FreeBSD设备驱动程序开发

章节摘录

第1章构建并运行模块本章概要介绍FreeBSD设备驱动程序。我们将先描述4种不同类型的UNIX设备驱动程序以及它们在FreeBSD中是如何对应的，然后描述建立和运行可加载内核模块的基础知识。本章结束前我们还将介绍字符设备驱动。注意：如果你对上面用到的术语暂时还不理解，请不用着急，本章将会给出它们的具体定义。1.1　设备驱动程序的类型在FreeBSD中，设备（device）是指系统中所有与硬件相关的对象，包括磁盘驱动器、打印机、显卡等，而设备驱动程序（device driver）是指控制或驱动一个或多个设备的计算机程序。在传统的UNIX以及FreeBSD的4.0版本以前，共有4种不同类型的设备驱动程序，它们分别是：字符设备驱动程序（character driver）：控制字符设备。块设备驱动程序（block driver）：控制块设备。网络驱动程序（network driver）：控制网络设备。伪设备驱动程序（pseudo-device driver）：控制伪设备。字符设备（character device）提供的是面向字符流的输入输出接口，这类接口也称为无结构（unstructured）接口或原生（raw）接口（McKusick and Neville-Neil, 2005）。块设备（block device）以固定大小的块传送可随机存取的数据（Corbet et al., 2005）。FreeBSD自发布4.0版以后取消了块设备驱动程序（关于这一点的更多内容请参见1.7节）。网络设备（network device）发送并接收由网络子系统所驱动的数据包（Corbet et al., 2005）。伪设备（pseudo-device）是一个使用纯软件来模拟设备行为的计算机程序。所谓纯软件意味着它不对应任何下层硬件设备。

前言

译者序  驱动程序是各操作系统内核相关编程中最复杂的部分之一，牵涉面甚广，因而也是较难掌握的内容之一。与此同时，作为控制外部设备并与外部设备通信的关键模块，驱动程序又是系统中的重要组成部分。尽管重要，但相关方面的专业书籍却不多，本书则是其中的佼佼者。本书的作者Joseph Kong在FreeBSD系统底层方面有着极深厚的功底和丰富的经验，他通过对大量实例的剖析，深入浅出地向读者介绍了FreeBSD驱动程序开发的方方面面，为读者提供了一本不可多得的优秀入门指南。本书内容丰富、涵盖面宽，涉及了FreeBSD驱动程序编程从基础知识到高级概念的几乎所有内容并配有若干个完整实例的讲解。而且，本书对代码的讲解非常细致，书中每个实例的关键点都很仔细地在代码中标记并详细讲解，这种方式使读者更容易理解代码，进而也能更好地理解书籍的内容。译者本人主要从事自然语言处理与机器翻译的相关研究，同时也对操作系统的底层十分感兴趣。承接本书的翻译有两个目的：一方面是希望把这本优秀的书籍推荐给大家；另一方面是希望通过本书的翻译过程切身体验人工译者的需求和汉英语言的差异。钱锺书先生在《林纾的翻译》一文中通过对“译”字本义的探究，总结出翻译所向往的最高境界是“化”，难以避免的毛病是“讹”，能起的作用是“诱”。对照本书的翻译，尽管译者在翻译过程中一直在为保持原书的原汁原味而努力，但距离达到“化”的境界却还相距很远，反而是受译者本人的水平所限，译书中不可避免地还存在“讹”的毛病，也希望读者能海涵一二并不吝赐教（译者声明：译书中的疏漏都是翻译所造成的，与原著无关）。同时，译者也希望本书能起到“诱”的作用，让读者在看了译书后能有兴趣看原著，特别希望读者在入门后拿原著作为今后驱动程序开发过程中的参考手册。非常感谢机械工业出版社给我翻译本书的机会；感谢吴怡编辑全程的悉心指导；感谢我的家人在我整个翻译过程中所给予的大力支持。没有你们的支持，我将很难完成此书的翻译。【序言】操作系统的多数模块都是由专攻相应系统的人开发和维护的，设备驱动程序却很特别，其开发人员的情况要复杂得多：一些设备驱动程序的作者对某个特定的操作系统很有经验，而另一些则熟知特殊的硬件组件并需跨平台为该组件开发设备驱动程序。而且，设备驱动程序通常是相对独立的，开发人员可以在维护一个设备驱动程序时将系统的其他部分看成黑箱子。  当然，所谓黑箱子还是有接口的，每个操作系统都为设备驱动程序提供了各自的接口集。任何系统上的设备驱动程序都要执行很多通用的操作，例如：发现设备、为连接设备分配资源、管理异步事件等。但每个操作系统在处理这些任务时都有各自的方式，并且提供的高层接口也有所不同。因此，要编写一个健壮且高效的设备驱动程序，关键是理解好特定操作系统所提供接口的特殊细节。   本书是FreeBSD上最通用的设备驱动程序接口的优秀指南。本书的内容同时涵盖低层接口和高层接口：低层接口包括如何连接可选设备以及如何管理设备资源等；高层接口则包括连接网络以及存储栈等。此外，本书还介绍了一些内核环境下可用的API，例如：内存分配、定时器以及同步原语等。这些内容对从事FreeBSD内核相关工作的人员也是很有用的。本书对于FreeBSD设备驱动程序开发人员而言将是一份可喜的参考资料。John Baldwin　　FreeBSD内核资深开发专家

名人推荐

本书详尽地讲解了FreeBSD上最通用的设备驱动程序的接口，涵盖低层接口和高层接口：低层接口包括如何连接可选设备以及如何管理设备资源等；高层接口包括连接网络以及存储栈等。此外，本书内容还包括了一些内核环境下可用的API，例如：内存分配、定时器以及同步原语等，这些内容对从事FreeBSD内核相关工作的人员也是很有用的。对于FreeBSD设备驱动程序开发人员而言，本书是一份难得的参考资料。 ——John Baldwin 资深FreeBSD内核开发专家

内容概要

Joseph Kong 资深FreeBSD设备驱动编程专家，具有20多年的计算机硬件、软件和驱动程序的设计和开发经验。对信息安全、操作系统理论、逆向工程和安全漏洞评估等技术也有非常深入的研究。此外，他还是一位知名的技术作家和技术顾问，著有《Designing BSD Rootkits》一书，担任过多本与设备驱动程序开发相关图书的技术审稿人，在权威计算机杂志上发表了多篇与设备驱动程序开发相关的文章，深受读者喜爱。

书籍目录

译者序

序言

前言

致谢

第1章构建并运行模块1

1.1　设备驱动程序的类型1

1.2　可加载内核模块2

1.2.1　模块事件处理程序2

1.2.2　DECLARE_MO-DULE宏3

1.3　Hello, world!5

1.4　编译与加载6

1.5　字符设备驱动程序7

1.5.1　d_foo函数8

1.5.2　字符设备开关表8

1.5.3　make_dev函数和des-troy_dev函数9

1.6　实例：内存字符设备驱动程序10

1.6.1　echo_write函数13

1.6.2　echo_read函数14

1.6.3　echo_modevent函数14

1.6.4　DEV_MODULE宏15

1.6.5　试运行16

1.7　块设备驱动程序消失了16

1.8　本章小结17

第2章分配内存18

2.1　内存管理例程18

2.2　malloc_type结构19

2.2.1　MALLOC_DE-FINE宏20

2.2.2　MALLOC_DE-CLARE宏20

2.3　让一切配合起来21

2.4　连续物理内存管理例程23

2.5　一个简单的例子24

2.6　本章小结26

第3章设备通信与控制27

3.1　ioctl接口27

3.2　定义ioctl命令29

3.3　实现ioctl30

3.3.1　echo_write函数34

3.3.2　echo_set_buffer_size函数35

3.3.3　echo_ioctl函数36

3.3.4　echo_modevent函数37

3.3.5　试运行38

3.4　调用ioctl38

3.5　sysctl41

3.6　实现sysctl（第1部分）41

3.7　sysctl上下文管理例程45

3.8　创建动态的sysctl45

3.8.1　SYSCTL_STATIC_CHILDREN宏48

3.8.2　SYSCTL_CHILDREN宏48

3.9　实现sysctl（第2部分）48

3.9.1　sysctl_set_buffer_size函数52

3.9.2　试运行53

3.10　本章小结53

第4章线程同步54

4.1　一个简单的同步问题54

4.2　一个更复杂的同步问题55

4.2.1　race_new函数59

4.2.2　race_find函数59

4.2.3　race_destroy函数60

4.2.4　race_ioctl函数60

4.2.5　race_modevent函数61

4.2.6　问题的根源62

4.3　防止竞态条件66

4.4　互斥锁67

4.4.1　自旋互斥锁67

4.4.2　休眠互斥锁67

4.5　互斥锁管理例程68

4.6　实现互斥锁70

4.6.1　race_modevent函数73

4.6.2　试运行74

4.7　共享/独占锁75

4.8　共享/独占锁管理例程75

4.9　实现共享/独占锁77

4.10　读者/写者锁81

4.11　读者/写者锁管理例程81

4.12　条件变量83

4.13　条件变量管理例程83

4.14　一般性原则85

4.14.1　避免在独占锁上递归85

4.14.2　避免长时间占用独占锁85

4.15　本章小结85

第5章延迟执行86

5.1　主动上下文切换/休眠86

5.2　实现休眠与条件变量88

5.2.1　sleep_modevent函数92

5.2.2　load函数92

5.2.3　sleep_thread函数93

5.2.4　sysctl_debug_sleep_test函数94

5.2.5　unload函数95

5.2.6　试运行96

5.3　内核事件处理器96

5.4　callout98

5.5　callout和竞态条件100

5.6　任务队列101

5.6.1　全局任务队列101

5.6.2　任务队列管理例程102

5.7　本章小结103

第6章案例研究：虚拟空调制解调器104

6.1　前期基础104

6.2　代码分析105

6.2.1　nmdm_modevent函数107

6.2.2　nmdm_clone函数108

6.2.3　nmdm_alloc函数110

6.2.4　nmdm_outwakeup函数111

6.2.5　nmdm_task_tty函数112

6.2.6　nmdm_inwakeup函数113

6.2.7　nmdm_modem函数114

6.2.8　nmdm_param函数115

6.2.9　nmdm_timeout函数116

6.2.10　bits_per_char函数117

6.2.11　试运行118

6.3　本章小结118

第7章Newbus和资源分配119

7.1　自动配置与Newbus驱动程序119

7.1.1　device_foo函数119

7.1.2　设备方法表121

7.1.3　DRIVER_MO-DULE宏121

7.2　驱动程序示例122

7.2.1　foo_pci_probe函数125

7.2.2　foo_pci_attach函数126

7.2.3　d_foo函数127

7.2.4　foo_pci_detach函数127

7.2.5　试运行128

7.3　硬件资源管理128

7.4　本章小结130

第8章中断处理131

8.1　注册中断处理程序131

8.2　FreeBSD中的中断处理程序132

8.3　实现中断处理程序133

8.3.1　pint_identify函数138

8.3.2　pint_probe函数138

8.3.3　pint_attach函数139

8.3.4　pint_detach函数140

8.3.5　pint_open函数140

8.3.6　pint_close函数142

8.3.7　pint_write函数142

8.3.8　pint_read函数143

8.3.9　pint_intr函数144

8.3.10　试运行144

8.4　生成并口中断145

8.5　本章小结146

第9章案例研究：并口打印机驱动程序147

9.1　代码分析147

9.1.1　lpt_identify函数152

9.1.2　lpt_probe函数152

9.1.3　lpt_detect函数152

9.1.4　lpt_port_test函数153

9.1.5　lpt_attach函数154

9.1.6　lpt_detach函数156

9.1.7　lpt_open函数157

9.1.8　lpt_read函数159

9.1.9　lpt_write函数161

9.1.10　lpt_intr函数163

9.1.11　lpt_timeout函数164

9.1.12　lpt_push_bytes函数165

9.1.13　lpt_close函数166

9.1.14　lpt_ioctl函数167

9.1.15　lpt_request_ppbus函数169

9.1.16　lpt_release_ppbus函数169

9.2　本章小结170

第10章管理与使用资源171

10.1　输入输出端口与输入输出内存171

10.1.1　从输入输出端口和输入输出内存读取数据171

10.1.2　向输入输出端口和输入输出内存写入数据173

10.1.3　流操作175

10.2　内存栅栏178

10.3　让一切配合起来179

10.3.1　led_identify函数183

10.3.2　led_probe函数184

10.3.3　led_attach函数184

10.3.4　led_detach函数185

10.3.5　led_open函数186

10.3.6　led_close函数186

10.3.7　led_read函数187

10.3.8　led_write函数188

10.4　本章小结188

第11章案例研究：智能平台管理接口驱动189

11.1　代码分析189

11.1.1　ipmi_pci_probe函数191

11.1.2　ipmi_pci_match函数192

11.1.3　ipmi_pci_attach函数192

11.1.4　ipmi2_pci_probe函数195

11.1.5　ipmi2_pci_attach函数195

11.2　本章小结197

第12章直接内存访问198

12.1　实现DMA198

12.1.1　初始化DMA数据传输200

12.1.2　取消DMA201

12.2　创建DMA标签201

12.3　销毁DMA标签203

12.4　DMA映射管理例程（第1部分）204

12.5　将（DMA）缓冲区载入DMA映射204

12.5.1　bus_dma_segment结构205

12.5.2　bus_dmamap_load函数205

12.5.3　bus_dmamap_load_mbuf函数206

12.5.4　bus_dmamap_load_mbuf_sg函数207

12.5.5　bus_dmamap_load_uio函数207

12.5.6　bus_dmamap_unload函数207

12.6　DMA映射管理例程（第2部分）207

12.7　一个简单的例子208

12.8　同步DMA缓冲区210

12.9　本章小结210

第13章存储驱动211

13.1　disk结构211

13.1.1　描述性字段212

13.1.2　存储设备方法字段212

13.1.3　必需的媒体特性字段213

13.1.4　可选的媒体特性字段213

13.1.5　驱动程序私有数据字段213

13.2　disk结构管理例程214

13.3　块输入输出结构214

13.4　块输入输出队列216

13.5　让一切配合起来217

13.5.1　at45d_attach函数222

13.5.2　at45d_delayed_attach函数223

13.5.3　at45d_get_info函数224

13.5.4　at45d_wait_for_device_ready函数224

13.5.5　at45d_get_status函数225

13.5.6　at45d_strategy函数225

13.5.7　at45d_task函数226

13.6　块输入输出完成例程228

13.7　本章小结228

第14章通用存取方法229

14.1　CAM是如何工作的230

14.2　一个（略为）简单的例子231

14.2.1　mfip_attach函数239

14.2.2　mfip_detach函数240

14.2.3　mfip_action函数240

14.2.4　mfip_poll函数243

14.2.5　mfip_start函数243

14.2.6　mfip_done函数245

14.3　SIM注册例程246

14.3.1　cam_simq_alloc函数247

14.3.2　cam_sim_alloc函数247

14.3.3　xpt_bus_register函数248

14.4　动作例程248

14.4.1　XPT_PATH_INQ常量248

14.4.2　XPT_RESET_BUS常量250

14.4.3　XPT_GET_TRAN_SETTINGS常量251

14.4.4　XPT_SET_TRAN_SETTINGS常量254

14.4.5　XPT_SCSI_IO常量255

14.4.6　XPT_RESET_DEV常量260

14.5　本章小结261

第15章USB驱动262

15.1　关于USB设备262

15.2　关于USB设备的更多信息263

15.3　USB配置结构264

15.3.1　必需的字段265

15.3.2　可选的字段265

15.3.3　USB传送标志266

15.4　USB传输（针对FreeBSD）267

15.5　USB配置结构管理例程269

15.6　USB方法结构270

15.7　让一切配合起来271

15.7.1　ulpt_probe函数276

15.7.2　ulpt_attach函数276

15.7.3　ulpt_detach函数278

15.7.4　ulpt_open函数279

15.7.5　ulpt_reset函数279

15.7.6　unlpt_open函数280

15.7.7　ulpt_close函数281

15.7.8　ulpt_ioctl函数282

15.7.9　ulpt_watchdog函数282

15.7.10　ulpt_start_read函数282

15.7.11　ulpt_stop_read函数283

15.7.12　ulpt_start_write函数283

15.7.13　ulpt_stop_write函数284

15.7.14　ulpt_write_callback函数284

15.7.15　ulpt_read_callback函数285

15.7.16　ulpt_status_callback函数287

15.8　本章小结288

第16章网络驱动程序I：数据结构289

16.1　网络接口结构289

16.2　网络接口结构管理例程292

16.2.1　ether_ifattach函数293

16.2.2　ether_ifdetach函数294

16.3　网络接口媒体结构295

16.4　网络接口媒体结构管理例程295

16.5　Hello, world297

16.6　mbuf结构300

16.7　消息驱动中断300

16.8　实现MSI301

16.9　MSI管理例程303

16.10　 本章小结304

第17章网络驱动程序II：包的接收与传输305

17.1　数据包接收305

17.1.1　em_rxeof函数305

17.1.2　em_handle_rx函数309

17.2　数据包发送310

17.2.1　em_start_locked函数310

17.2.2　em_txeof函数311

17.3　后数据包发送314

17.4　本章小结315

参考文献316

编辑推荐

《深入理解FreeBSD设备驱动程序开发》编辑推荐：资深FreeBSD设备驱动编程专家20余年工作经验结晶，FreeBSD内核开发专家鼎力推荐。从程序员的视角出发，以实际的驱动开发为案例，系统全面地讲解了FreeBSD设备驱动开发的各个方面，为编写健壮高效的驱动程序提供优秀指导。

作者简介

本书是FreeBSD设备驱动开发领域的经典著作，由具有20余年从业经验的资深FreeBSD设备驱动编程专家撰写，FreeBSD内核开发专家鼎力推荐！本书从宏观上讲解了FreeBSD设备驱动程序的框架结构，从微观上讲解了FreeBSD与驱动程序相关的各个接口和模块的作用及工作原理，而且还从源码实现的角度分析了设备驱动程序的内核机制。本书面向的读者是驱动开发程序员，更注重实践而非理论，通过真实的驱动开发案例为编写健壮高效的驱动程序提供优秀指导。

本书共17章：第1章介绍了设备驱动程序的类型、可加载内核模块的编译与加载；第2章介绍了内核的分配与管理；第3章讲解了在用户空间下如何控制设备驱动程序并与之通信；第4章讨论了与多线程编程和并发执行有关的问题和解决方案；第5章解析了延迟代码执行和异步代码执行等机制并解释了这些机制的深层原因；第6章介绍了虚拟空调制解调器的实际应用；第7章讲解了FreeBSD用作管理系统中硬件设备的底层基本结构；第8章讨论FreeBSD的中断处理；第9章全面讲解了并口打印机的驱动程序；第10章讲解了端口映射和内存映射的输入输出；第11章分析了智能平台管理接口驱动程序；第12章讲解了如何在FreeBSD中使用直接内存访问机制；第13章介绍了如何管理存储设备，其中包括磁盘驱动器、闪存等；第14章概述通用存取方法；第15章讲解了如何管理USB设备；第16章描述了网络驱动程序所使用的数据结构，以及对消息驱动中断机制的介绍；第17章详细介绍了em(4)的包接收与传输组件。

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