Linux的設備管理
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Linux的設備管理的主要任務是控制設備完成輸入輸出操作，所以又稱輸入輸出（I/O）子系統。
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它的任務是把各種設備硬件的複雜物理特性的細節屏蔽起來，提供一個對各種不同設備使用統一方式進行操作的接口。
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Linux把設備看作是特殊的文件，系統通過處理文件的接口—虛擬文件系統VFS來管理和控制各種設備。
§6.1 設備管理概述
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Linux設備的分類
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設備被分爲三類，塊設備、字符設備和網絡設備。
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字符設備是以字符爲單位輸入輸出數據的設備，一般不需要使用緩衝區而直接對它進行讀寫。
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塊設備是以一定大小的數據塊爲單位輸入輸出數據的，一般要使用緩衝區在設備與內存之間傳送數據。
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網絡設備是通過通信網絡傳輸數據的設備，一般指與通信網絡連接的網絡適配器（網卡）等。
Linux使用套接口(socket)以文件I/O方式提供了對網絡數據的訪問。
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設備驅動程序
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系統對設備的控制和操作是由設備驅動程序完成的。
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設備驅動程序是由設備服務子程序和中斷處理程序組成。設備服務子程序包括了對設備進行各種操作的代碼，中斷處理子程序處理設備中斷。
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設備驅動程序的主要功能是：
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對設備進行初始化
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啓動或停止設備的運行
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把設備上的數據傳送到內存
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把數據從內存傳送到設備
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檢測設備狀態
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驅動程序是與設備相關的。
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驅動程序的代碼由內核統一管理，
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驅動程序在具有特權級的內核態下運行。
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設備驅動程序是輸入輸出子系統的一部分。
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驅動程序是爲某個進程服務的，其執行過程仍處在進程運行的過程中，即處於進程上下文中。
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若驅動程序需要等待設備的某種狀態，它將阻塞當前進程，把進程加入到該種設備的等待隊列中。。
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Linux的驅動程序分爲兩個基本類型：字符設備驅動程序和塊設備驅動程序。
三．設備的識別
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對設備的識別使用設備類型、主設備號、次設備號
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設備類型：字符設備還是塊設備。
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按照設備使用的驅動程序不同而賦予設備不同的主設備號。主設備號是與驅動程序一一對應的，同時還使用次設備號來區分一種設備中的各個具體設備。次設備號用來區分使用同一個驅動程序的個體設備。
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例如，系統中的塊設備IDE硬盤的主設備號是8，
而多個SCSI硬盤及其各個分區分別賦予次設備號1、2、3…。
[root@localhost /]# ls /dev/sda* -l
brw-r----- 1 root disk 8, 0 11-07 12:31 /dev/sda
brw-r----- 1 root disk 8, 1 11-07 12:31 /dev/sda1
brw-r----- 1 root disk 8, 2 11-07 12:31 /dev/sda2
四．設備文件
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Linux設備管理的基本特點是把物理設備看成文件，採用處理文件的接口和系統調用來管理控制設備。
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從抽象的觀點出發，Linux的設備又稱爲設備文件。
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設備文件也有文件名，設備文件名一般由兩部分組成
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第一部分2～3個字符，表示設備的種類，如串口設備是cu，並口設備是lp，IDE普通硬盤是hd，SCIS硬盤是sd，軟盤是fp等。
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第二部分通常是字母或數字，用於區分同種設備中的單個設備，如hda、hdb、hdc…分別表示第一塊、第二塊、第三塊IED硬盤。而hda1、hda2…表示第一塊硬盤中的第一、第二個磁盤分區。
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設備文件一般置於/dev目錄下，如/dev/hda2、/dev/lp0等。
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Linux使用虛擬文件系統VFS做爲統一的操作接口來處理文件和設備。
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與普通的目錄和文件一樣，每個設備也使用一個VFSinode來描述，其中包含着該種設備的主、次設備號。
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對設備的操作也是通過對文件操作的file_operations結構體來調用驅動程序的設備服務子程序。
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例如，當進程要求從某個設備上輸入數據時，由該設備的
file_operations結構體得到服務子程序的操作函數入口，然後調用其中的read()函數完成數據輸入操作。
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同樣，使用file_operations中的open()、close()、write()
分別完成對設備的啓動、停止設備運行，向設備輸出數據的操作。
§6.2 Linux的I/O控制
Linux的I/O控制方式有三種：查詢等待方式、
中斷方式和DMA(內存直接存取)方式.
一．查詢等待方式
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查詢等待方式又稱輪詢方式（polling mode）。
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對於不支持中斷方式的機器只能採用這種方式來控制I/O過程，所以Linux中也配備了查詢等待方式。
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例如，並行接口的驅動程序中默認的控制方式就是查詢等待方式。
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如函數lp_char_polled()就是以查詢等待方式向與並口連接的設備輸出一個字符。
static inline int lp_char_polled(char lpchar, int minor)
{
int status, wait = 0;
unsigned long count = 0;
struct lp_stats *stats;
do { /* 查詢等待循環 */
status = LP_S(minor);
count ++;
if(need_resched)
schedule();
} while(!LP_READY(minor,status) && count < LP_CHAR(minor));
if (count == LP_CHAR(minor)) { /* 超時退出 */
return 0;
}
outb_p(lpchar, LP_B(minor)); /* 向設備輸出字符 */
．
．
二．中斷方式
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在硬件支持中斷的情況下，驅動程序可以使用中斷方式控制I/O過程。
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對I/O過程控制使用的中斷是硬件中斷，當某個設備需要服務時就向CPU發出一個中斷脈衝信號，CPU接收到信號後根據中斷請求號IRQ啓動中斷服務例程。
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在中斷方式中，Linux設備管理的一個重要任務就是在CPU接收到中斷請求後，能夠執行該設備驅動程序的中斷服務例程。
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爲此，Linux設置了名字爲irq_action的中斷例程描述符表：
static struct irqaction *irq_action[NR_IRQS+1];
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NR_IRQS表示中斷源的數目。
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irq_action［］是一個指向irqaction結構的指針數組，它指向的irqaction結構是各個設備中斷服務例程的描述符。
struct irqaction {
void (*handler)(int, void *, struct pt_regs *); /* 指向中斷服務例程 */
unsigned long flags; /* 中斷標誌 */
unsigned long mask; /* 中斷掩碼 */
void *dev_id; /*
struct irqaction *next; /* 指向下一個描述符 */
};
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在驅動程序初始化時，調用函數request_irq（）建立該驅動程序
的irqaction結構體，並把它登記到irq_action[]數組中。
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request_irq（）函數的原型如下：
int request_irq(unsigned int irq,
void (*handler)(int, void *, struct pt_regs *),
unsigned long irqflags,
const char * devname,
void *dev_id);
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參數irq是設備中斷求號，在向irq_action[]數組登記時，它做爲數組的下標。
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把中斷號爲irq的irqaction結構體的首地址寫入irq_action[irq]。這樣就把設備的中斷請求號與該設備的服務例程聯繫在一起了。
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當CPU接收到中斷請求後，根據中斷號就可以通過irq_action[]找到該設備的中斷服務例程。
§6.3 字符設備與塊設備管理
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在Linux中，一個設備在使用之前必須向系統進行註冊，設備註冊是在設備初始化時完成的。
一．字符設備管理
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在系統內核保持着一張字符設備註冊表，每種字符設備佔用一個表項。
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字符設備註冊表是結構數組chrdevs[]：
#define MAX_CHRDEV 128
static struct device_struct chrdevs[MAX_CHRDEV];
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註冊表的表項是device_struct結構：
struct device_struct {
const char * name; /* 指向設備名字符串 */
struct file_operations * fops; /* 指向文件操作函數的指針 */
};
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在字符設備註冊表中，每個表項對應一種字符設備的驅動程序。所以字符設備註冊表實質上是驅動程序的註冊表。
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使用同一個驅動程序的每種設備有一個唯一的主設備號。所以註冊表的每個表項與一個主設備號對應。
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在Linux中正是使用主設備號來對註冊表數組進行索引， 即chrdevs[]數組的下標值就是主設備號。
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device_struct結構中有指向file_operations結構的指針f_ops。file_operations結構中的函數指針指向設備驅動程序的服務例程。
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在打開一個設備文件時，由主設備號就可以找到設備驅動程序。
二．塊設備管理
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塊設備在使用前也要向系統註冊。
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塊設備註冊在系統的塊設備註冊表中,塊設備註冊表是結構數組blkdevs[]
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它的元素也是device_struct結構
static struct device_struct blkdevs[MAX_BLKDEV]
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在塊設備註冊表中，每個表項對應一種塊設備，
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註冊表blkdevs[]數組的的下標是主設備號。
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塊設備是以塊爲單位傳送數據的，設備與內存之間的數據傳送必須經過緩衝。
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當對設備讀寫時，首先把數據置於緩衝區內，應用程序需要的數據由系統在緩衝區內讀寫。
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只有在緩衝區內已沒有要讀的數據，或緩衝區已滿而無寫入的空間時，才啓動設備控制器進行設備與緩衝區之間的數據交換。
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設備與緩衝區的數據交換是通過blk_dev[]數組實現的：
struct blk_dev_struct blk_dev[MAX_BLKDEV];
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每個塊設備對應數組中的一項，數組的下標值與主設備號對應。
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數組元素是blk_dev_struct結構：
struct blk_dev_struct {
void (*request_fn)(void);
struct request * current_request;
struct request plug;
struct tq_struct plug_tq;
};
request_fn ：指向設備讀寫請求函數的指針
current_request：指向request結構的指針。
當緩衝區需要與設備進行數據交換時，
緩衝機制就在blk_dev_struct中加入一個request結構。
每個request結構對應一個緩衝區對設備的讀寫請求。
在request結構中有一個指向緩衝區信息的指針，
由它決定緩衝區的位置和大小等。