Linux 的輸出入系統

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文章 Linux 的輸出入系統會透過硬體模組介面，以管理各式各樣的驅動程式。Linux 將硬體裝置分為『區塊、字元、網路』等三種類型，這三種類型的驅動程式都必須支援檔案存取的介面，因為在 Linux 當中裝置是以檔案的方式呈現的。像是 /dev/hda1, /dev/sda1, /dev/tty1 等，程式可以透過開檔 open()、讀檔 read()、寫檔 write() 的方式存取裝置，就像存取一個檔案一樣。 因此，所有的驅動程式必須支援檔案 (file) 的操作 (file_operations)，以便將裝置偽裝成檔案，以供作業系統與應用程式進行呼叫。這種將裝置偽裝成檔案的的方式，是從 UNIX 所承襲下來的一種相當成功的模式。 字元類的裝置 (Character Device) 是較為簡單的，常見的字元裝置有鍵盤、滑鼠、印表機等，這些裝置所傳遞的並非一定要是字元訊息，只要可以用串流型式表式即可。因此字元裝置又被稱為串流裝置 (Stream Device)。字元裝置必須支援基本的檔案操作，像是 open(), read(), ioctl() 等。 區塊裝置式形成檔案系統的基礎，除了基本的檔案操作外，區塊裝置還必須支援區塊性的操作 (block_device_operations)。而網路裝置由於必須支援網路定址等特性，因此成為一類獨立的裝置。舉例而言，網路裝置通常必須支援 TCP/IP，以形成網路子系統，因此具有獨特且複雜的操作。像是必須支援封包傳送機制、網路位址的ARP, RARP 協定、MAC Address 等，所以網路裝置的驅動程式也是最複雜的。 由於2.6 版的 Linux 採用模組 (module) 的方式掛載驅動程式，因此必須先透過 module_init(xxx_init_module) 與 module_exit(xxx_cleanup_module) 的方式，將驅動程式掛載到 Linux 中。這種掛載的機制仍然是一種『註冊-反向呼叫機制』，但由於核心程式乃是先編譯好的，因此必須透過一個動態載入器將模組掛載到核心中，原理並不困難，但細節卻很繁瑣。範例 1 顯示了一個最基本的模組 HelloModule.c，該模組透過 module_init(hello_init) 與 module_exit(hello_exit) 兩行巨集，將hello_init() 與 hello_exit() 函數包裝成 linux 可使用的模組介面形式，讓模組載入器得以順利載入該模組。 範例 1. 最基本的模組 (Module) 程式範例 – HelloModule.c #include <linux/init.h> 引用檔案 #include <linux/module.h> #include <linux/kernel.h> static int __init hello_init(void) { 模組起始函數 printk(KERN_ALERT "hello_init()"); 印出 hello_init() return 0; } static void __exit hello_exit(void) { 模組結束函數 printk(KERN_ALERT "hello_exit()"); 印出 hello_exit() } module_init(hello_init); 模組掛載(巨集) module_exit(hello_exit); 模組清除(巨集) 當您在 Linux 中撰寫了一個模組織之後，可以利用 gcc 編譯該模組，編譯成功後再利用 insmod指令將該模組掛載到核心中，最後透過 rmmod 指令將該模組從核心中移除。範例 2 顯示了這個操作過程。 範例 2 模組的編譯、掛載與清除過程 gcc -c -O -W -DMODULE -D__KERNEL__ HelloModule.c -o HelloModule.ko insmod ./helloModule.ko hello_init() rmmod ./helloModule hello_exit() Linux 的驅動程式是一個具有特定結構的模組，必需將裝置的存取函數包裝成檔案存取的形式，讓裝置的存取就像檔案的存取一般。在驅動程式的內部，仍然必須採用『註冊-反向呼叫』機制，將這些存取函數掛載到檔案系統當中，然後就可以透過檔案操作的方式讀取 (read) 或寫入 (write) 這些裝置，或者透過 ioctl() 函數操控這些裝置。範例 3 顯示了 Linux 當中裝置驅動程式的結構，該範例是一個字元裝置 device1 的驅動程式片段，其中的 Linux 中的cdev 是字元裝置結構 (struct)，該驅動程式必需實作出 device1_read(), device1_write(), device1_ioctl(), device1_open(), device1_release() 等檔案操作函數，然後封裝在 file_operations 結構的 device1_fops 變數中，透過指令 cdev_init(&dev->cdev, &device1_fops) 向 Linux 註冊，以將這些實作函數掛載到 Linux 系統中。 範例 3 Linux 中裝置驅動程式的結構範例 int device1_init_module(void) { 模組掛載函數 register_chrdev_region(dev, 1, "device1"); 設定裝置代號 … device1_devices = kmalloc(…); 分配記憶體(slab) … cdev_init(&dev->cdev, &device1_fops); 註冊檔案操作函數群fops dev->cdev.owner = THIS_MODULE; dev->cdev.ops = &device1_fops; err = cdev_add (&dev->cdev, devno, 1); … fail: device1_cleanup_module(); 若掛載失敗則執行清除函數 } int device1_open(struct inode *inode, struct file *filp) {...} 裝置開啟函數 int device1_release(struct inode *inode, struct file *filp) {...} 裝置釋放函數 ssize_t device1_read(struct file *filp, …){...} 裝置讀取函數 ssize_t device1_write(struct file *filp,…) {...} 裝置寫入函數 int device1_ioctl(struct inode *inode, struct file *filp…) {…} 裝置控制函數 struct file_operations device1_fops = { 裝置的檔案操作函數群， .owner = THIS_MODULE, 包含 read(), write(), ioctl(), .read = device1_read, open(), release() 等。 .write = device1_write, .ioctl = device1_ioctl, .open = device1_open, .release = device1_release, }; module_init(device1_init_module); 模組掛載(巨集) module_exit(device1_cleanup_module); 模組清除(巨集) 走筆至此，我們已經介紹完 Linux 中的行程管理、記憶體管理、輸出入系統與檔案系統，完成了我們對 Linux 作業系統的介紹。但是 Linux 是個龐大的系統，筆者無法進行太詳細與深入的介紹，有興趣的讀者請進一步參考相關書籍。 Facebook 留言 Facebook Wikidot Post preview: Close preview or Sign in as Wikidot user (will not be published) - + Help: wiki text quick reference 授權 本網頁的作者、授權與引用方式 作者 陳鍾誠，於金門大學資訊工程系，電子郵件：wt.ude.uqn|ccc#wt.ude.uqn|ccc，網站：http://ccckmit.wikidot.com。 授權 本文採用創作共用 (Creative Common) 3.0 版的 姓名標示─非商業性─相同方式分享 授權條款，歡迎轉載或修改使用，但若做為商業使用時必須取得授權，引用本文時請參考下列格式。 中文版 (APA格式) 陳鍾誠 (12 Jan 2010 07:36)，(網頁標題) Linux 的輸出入系統，(網站標題) 陳鍾誠的網站，取自 http://ccckmit.wikidot.com/lk:io ，網頁修改第 5 版。 英文版 (APA格式) Chung-Chen Chen (12 Jan 2010 07:36), Retrieved from http://ccckmit.wikidot.com/lk:io , Page Revision 5.