(2) 系统的内核函数都有“sys_”前缀(例如函数sys_init_module),应用程序通过访问设备文件系统来调用这些函数。这一层主要是“devfs”(device filesystem)文件管理机制,它是从普通文件和设备文件抽象出来的一个文件系统层,完成进入具体的设备文件操作之前的准备工作。
(3) 由设备驱动程序提供具体的函数,来完成对硬件设备的各种操作。特别的对于PCI9656来说,就是通过PCI接口对设备的寄存器和存储器进行访问操作,例如调用register_chrdev等函数来初始化芯片内部的状态寄存器和配置寄存器。
3.3 PCI9656芯片的操作流程
PCI总线是目前最常用的外设总线之一,Linux的PCI内核代码为PCI设备驱动程序的开发提供了强大的支持。PCI9656的驱动程序主要包括以下几个方面:设备初始化,为PCI芯片分配内存资源,实现数据的读写功能,中断处理,系统收回内存资源,关闭设备等。
4.Linux2.6内核下内存和中断管理的研究
2.6内核应用了许多新技术来实现对各类外部设备驱动程序的更好支持。下面结合PCI9656驱动程序中的内存和中断管理,进一步分析和研究2.6内核对内存和中断进行的改进和优化。
4.1 内存管理
在Linux内存管理器中,页表保持对进程使用的内存物理页的追踪,它将虚拟页映射到物理页上。系统必须找到映射到该页的每一个进程,将使用较少的页置换出去,这样进程中相应页的页表条目才能被更新。随着在系统中运行的进程数量的增加,将这些页置换出去的工作量也会急剧增加。
为解决此问题,2.6内核引入了反向映射机制(reverse mapping),内存管理器为每一个物理页建立一个链表,包含指向当前映射页的每个进程的页表条目(page-table entry)的指针。该链表叫PTE链,它极大地提高了找到那些映射某个页的进程的速度,如图2所示。驱动程序调用下列内核函数来为PCI9656分配内存空间。
get_free_page(GFP_NOIO,PGD_ORDER);
alloc_pages(gfp_mask,size);
//查找并为PCI9656分配空闲内存物理页
mempool_alloc(pool,gfp_mask);
request_mem_region(pdx->Pci9656);
remap_page_range(*mem_area,PCI9656,kernel_address,mem_size,prot);
//请求分配内存空间,实现PCI9656物理地址到内存地址的映射
mempool_free(*element,pool);//释放内存
2.6内核中将头文件malloc.h改为slab.h,分配标志GFP_BUFFER改为GFP_NOIO和GFP_NOFS,并新增了文件mempool.h。这些变化一起促生了2.6内核中的内存管理器,其设计目标是更高的性能、效率和稳定性。
另一方面,使用反向映射获得性能的提高也要付出代价,即系统不得不占用一些低端内存来保持对所有反向映射的追踪,这势必在32位硬件上成为内存空间的瓶颈。因此2.6内核引入了高端内存页表(Highmem PTE)机制,让页表条目存放在高端内存中,释放出更多的低端内存区给必须放在这里的内核数据结构。同时,较以前版本的内核而言,2.6内核重新构建了一个更为简单的内存管理器,提高了整个系统的稳定性。
4.2 中断处理
Linux处理中断的方式很大程度上与它在用户空间处理信号的方式一样,驱动程序只需为设备所对应的中断注册一个处理程序,并在中断到达时进行正确的处理。
在2.4内核之前,Linux系统一直采用cli和sti函数来禁用和启用中断,然而对于任意某个例程,想要知道在它被调用时中断是否被启用,已变得越来越困难。因而2.6内核定义了函数local_irq_enable和local_irq_disable,用来使能和无效处理器控制的所有中断,定义函数local_irq_save来将当前中断的状态存入flags变量,避免了查询中断的状态信息。
中断处理程序的作用就是将有关中断接收的信息反馈给设备,并根据正在服务的中断的不同含义对数据进行相应的读或写。由于PC机只有0-15的中断号,设备都是以共享的形式申请中断号,2.6内核改进了PCI设备中断请求队列的组织方式,通过设置flags变量中的SA_SHIRQ标志位,并保证内核中所有中断号(dev_id)的唯一性,来实现中断的共享。
