第八章 设备驱动
操作系统的目的之一就是将系统硬件设备细节从用户视线中隐藏起来。例如
虚拟文件系统对各种类型已安装的文件系统提供了统一的视图而屏蔽了具体
底层细节。本章将描叙Linux核心对系统中物理设备的管理。
CPU并不是系统中唯一的智能设备，每个物理设备都拥有自己的控制器。键
盘、鼠标和串行口由一个高级I/O芯片统一管理，IDE控制器控制IDE硬盘而
SCSI控制器控制SCSI硬盘等等。每个硬件控制器都有各自的控制和状态寄存
器（CSR）并且各不相同。例如Adaptec 2940 SCSI控制器的CSR与NCR 810
SCSI控制器完全不一样。这些CSR被用来启动和停止，初始化设备及对设备
进行诊断。在Linux中管理硬件设备控制器的代码并没有放置在每个应用程
序中而是由内核统一管理。这些处理和管理硬件控制器的软件就是设备驱动。
Linux核心设备驱动是一组运行在特权级上的内存驻留底层硬件处理共享库。
正是它们负责管理各个设备。
设备驱动的一个基本特征是设备处理的抽象概念。所有硬件设备都被看成普
通文件；可以通过和操纵普通文件相同的标准系统调用来打开、关闭、读取
和写入设备。系统中每个设备都用一种特殊的设备相关文件来表示(device
special file)，例如系统中第一个IDE硬盘被表示成/dev/hda。块（磁盘）
设备和字符设备的设备相关文件可以通过mknod命令来创建，并使用主从设备
号来描叙此设备。网络设备也用设备相关文件来表示，但Linux寻找和初始化
网络设备时才建立这种文件。由同一个设备驱动控制的所有设备具有相同的
主设备号。从设备号则被用来区分具有相同主设备号且由相同设备驱动控制
的不同设备。例如主IDE硬盘的每个分区的从设备号都不相同。如/dev/hda2表
示主IDE硬盘的主设备号为3而从设备号为2。Linux通过使用主从设备号将包含
在系统调用中的（如将一个文件系统mount到一个块设备）设备相关文件映射
到设备的设备驱动以及大量系统表格中，如字符设备表，chrdevs。
Linux支持三类硬件设备：字符、块及网络设备。字符设备指那些无需缓冲直
接读写的设备，如系统的串口设备/dev/cua0和/dev/cua1。块设备则仅能以块
为单位读写，典型的块大小为512或1024字节。块设备的存取是通过buffer
cache来进行并且可以进行随机访问，即不管块位于设备中何处都可以对其进
行读写。块设备可以通过其设备相关文件进行访问，但更为平常的访问方法是
通过文件系统。只有块设备才能支持可安装文件系统。网络设备可以通过BSD
套接口访问，我们将在网络一章中讨论网络子系统。
Linux核心中虽存在许多不同的设备驱动但它们具有一些共性：
核心代码
设备驱动是核心的一部分，象核心中其它代码一样，出错将导致系统的严
重损伤。一个编写奇差的设备驱动甚至能使系统崩溃并导致文件系统的破
坏和数据丢失。
核心接口
设备驱动必须为Linux核心或者其从属子系统提供一个标准接口。例如终
端驱动为Linux核心提供了一个文件I/O接口而SCSI设备驱动为SCSI子系统
提供了一个SCSI设备接口，同时此子系统为核心提供了文件I/O和buffer
cache接口。
核心机制与服务
设备驱动可以使用标准的核心服务如内存分配、中断发送和等待队列等等。
动态可加载
多数Linux设备驱动可以在核心模块发出加载请求时加载，同时在不再使用
时卸载。这样核心能有效地利用系统资源。
可配置
Linux设备驱动可以连接到核心中。当核心被编译时，哪些核心被连入核心
是可配置的。
动态性
当系统启动及设备驱动初始化时将查找它所控制的硬件设备。如果某个设
备的驱动为一个空过程并不会有什么问题。此时此设备驱动仅仅是一个冗余
的程序，它除了会占用少量系统内存外不会对系统造成什么危害。
8.1 轮询与中断
设备被执行某个命令时，如“将读取磁头移动到软盘的第42扇区上”，设备驱
动可以从轮询方式和中断方式中选择一种以判断设备是否已经完成此命令。
轮询方式意味着需要经常读取设备的状态，一直到设备状态表明请求已经完成
为止。如果设备驱动被连接进入核心，这时使用轮询方式将会带来灾难性后果：
核心将在此过程中无所事事，直到设备完成此请求。但是轮询设备驱动可以通
过使用系统定时器，使核心周期性调用设备驱动中的某个例程来检查设备状态。
定时器过程可以检查命令状态及Linux软盘驱动的工作情况。使用定时器是轮询
方式中最好的一种，但更有效的方法是使用中断。
基于中断的设备驱动会在它所控制的硬件设备需要服务时引发一个硬件中断。
如以太网设备驱动从网络上接收到一个以太数据报时都将引起中断。Linux核
心需要将来自硬件设备的中断传递到相应的设备驱动。这个过程由设备驱动向
核心注册其使用的中断来协助完成。此中断处理例程的地址和中断号都将被记
录下来。在/proc/interrupts文件中你可以看到设备驱动所对应的中断号及类
型：
0: 727432 timer
1: 20534 keyboard
2: 0 cascade
3: 79691 + serial
4: 28258 + serial
5: 1 sound blaster
11: 20868 + aic7xxx
13: 1 math error
14: 247 + ide0
15: 170 + ide1
对中断资源的请求在驱动初始化时就已经完成。作为IBM
PC体系结构的遗产，系统中有些中断已经固定。例如软盘控制器总是使用中断6。
其它中断，如PCI设备中断，在启动时进行动态分配。设备驱动必须在取得对此
中断的所有权之前找到它所控制设备的中断号（IRQ）。Linux通过支持标准的PCI
BIOS回调函数来确定系统中PCI设备的中断信息，包括其IRQ号。
如何将中断发送给CPU本身取决于体系结构，但是在多数体系结构中，中断以
一种特殊模式发送同时还将阻止系统中其它中断的产生。设备驱动在其中断处
理过程中作的越少越好，这样Linux核心将能很快的处理完中断并返回中断前的
状态中。为了在接收中断时完成大量工作，设备驱动必须能够使用核心的底层处
理例程或者任务队列来对以后需要调用的那些例程进行排队。
8.2 直接内存访问 (DMA)
数据量比较少时，使用中断驱动设备驱动程序能顺利地在硬件设备和内存之
间交换数据。例如波特率为9600的modem可以每毫秒传输一个字符。如果硬件
设备引起中断和调用设备驱动中断所消耗的中断时延比较大（如2毫秒）则
系统的综合数据传输率会很低。则9600波特率modem的数据传输只能利用0.002%
的CPU处理时间。高速设备如硬盘控制器或者以太网设备数据传输率将更高。
SCSI设备的数据传输率可达到每秒40M字节。
直接内存存取（DMA）是解决此类问题的有效方法。DMA控制器可以在不受处
理器干预的情况下在设备和系统内存之间高速传输数据。PC机的ISA DMA控
制器有8个DMA通道，其中七个可以由设备驱动使用。每个DMA通道具有一个
16位的地址寄存器和一个16位的记数寄存器。为了初始化数据传输，设备驱
动将设置DMA通道地址和记数寄存器以描叙数据传输方向以及读写类型。然
后通知设备可以在任何时候启动DMA操作。传输结束时设备将中断PC。在传
输过程中CPU可以转去执行其他任务。
设备驱动使用DMA时必须十分小心。首先DMA控制器没有任何虚拟内存的概念，
它只存取系统中的物理内存。同时用作DMA传输缓冲的内存空间必须是连续物
理内存块。这意味着不能在进程虚拟地址空间内直接使用DMA。但是你可以将
进程的物理页面加锁以防止在DMA操作过程中被交换到交换设备上去。另外DMA
控制器所存取物理内存有限。DMA通道地址寄存器代表DMA地址的高16位而页面
寄存器记录的是其余8位。所以DMA请求被限制到内存最低16M字节中。
DMA通道是非常珍贵的资源，一共才有7个并且还不能够在设备驱动间共享。
与中断一样，设备驱动必须找到它应该使用那个DMA通道。有些设备使用固
定的DMA通道。例如软盘设备总使用DMA通道2。有时设备的DMA通道可以由跳
线来设置，许多以太网设备使用这种技术。设计灵活的设备将告诉系统它将
使用哪个DMA通道，此时设备驱动仅需要从DMA通道中选取即可。
Linux通过dma_chan（每个DMA通道一个）数组来跟踪DMA通道的使用情况。
dma_chan结构中包含有两个域，一个是指向此DMA通道拥有者的指针，另一
个指示DMA通道是否已经被分配出去。当敲入cat/proc/dma打印出来的结果
就是dma_chan结构数组。
8.3 内存
设备驱动必须谨慎使用内存。由于它属于核心,所以不能使用虚拟内存。系
统接收到中断信号时或调度底层任务队列处理过程时，设备驱动将开始运行，
而当前进程会发生改变。设备驱动不能依赖于任何运行的特定进程，即使当
前是为该进程工作。与核心的其它部分一样，设备驱动使用数据结构来描叙
它所控制的设备。这些结构被设备驱动代码以静态方式分配，但会增大核心
而引起空间的浪费。多数设备驱动使用核心中非页面内存来存储数据。
Linux为设备驱动提供了一组核心内存分配与回收过程。核心内存以2的次幂
大小的块来分配。如512或128字节，此时即使设备驱动的需求小于这个数量
也会分配这么多。所以设备驱动的内存分配请求可得到以块大小为边界的内
存。这样核心进行空闲块组合更加容易。
请求分配核心内存时Linux需要完成许多额外的工作。如果系统中空闲内存数
量较少，则可能需要丢弃些物理页面或将其写入交换设备。一般情况下Linux
将挂起请求者并将此进程放置到等待队列中直到系统中有足够的物理内存为止。
不是所有的设备驱动（或者真正的Linux核心代码）都会经历这个过程，所以
如分配核心内存的请求不能立刻得到满足,则此请求可能会失败。如果设备驱
动希望在此内存中进行DMA，那么它必须将此内存设置为DMA使能的。这也是为
什么是Linux核心而不是设备驱动需要了解系统中的DMA使能内存的原因。
8.4 设备驱动与核心的接口
Linux核心与设备驱动之间必须有一个以标准方式进行互操作的接口。每一类
设备驱动：字符设备、块设备及网络设备都提供了通用接口以便在需要时为核
心提供服务。这种通用接口使得核心可以以相同的方式来对待不同的设备及设
备驱动。如SCSI和IDE硬盘的区别很大但Linux对它们使用相同的接口。
Linux动态性很强。每次Linux核心启动时如遇到不同的物理设备将需要不同的
物理设备驱动。Linux允许通过配置脚本在核心重建时将设备驱动包含在内。设
备驱动在启动初始化时可能会发现系统中根本没有任何硬件需要控制。其它设
备驱动可以在必要时作为核心模块动态加载到。为了处理设备驱动的动态属性，
设备驱动在初始化时将其注册到核心中去。Linux维护着已注册设备驱动表作为
和设备驱动的接口。这些表中包含支持此类设备例程的指针和相关信息。
8.4.1 字符设备
字符设备是Linux设备中最简单的一种。应用程序可以和存取文件相同的
系统调用来打开、读写及关闭它。即使此设备是将Linux系统连接到网络
中的PPP后台进程的modem也是如此。字符设备初始化时，它的设备驱动通
过在device_struct结构的chrdevs数组中添加一个入口来将其注册到Linux
核心上。设备的主设备标志符用来对此数组进行索引（如对tty设备的索引
4）。设备的主设备标志符是固定的。
chrdevs数组每个入口中的device_struct数据结构包含两个元素；一个指
向已注册的设备驱动名称，另一个则是指向一组文件操作指针。它们是位
于此字符设备驱动内部的文件操作例程的地址指针，用来处理相关的文件
操作如打开、读写与关闭。/proc/devices中字符设备的内容来自chrdevs
数组。
当打开代表字符设备的字符特殊文件时（如/dev/cua0），核心必须作好准
备以便调用相应字符设备驱动的文件操作例程。与普通的目录和文件一样，
每个字符特殊文件用一个VFS节点表示。每个字符特殊文件使用的VFS inode
和所有设备特殊文件一样，包含着设备的主从标志符。这个VFS inode由底
层的文件系统来建立（比如EXT2），其信息来源于设备相关文件名称所在文
件系统。
每个VFS inode和一组文件操作相关联,它们根据inode代表的文件系统对
象变化而不同。当创建一个代表字符相关文件的VFS inode时，其文件操
作被设置为缺省的字符设备操作。
字符设备只有一个文件操作:打开文件操作。当应用打开字符特殊文件时，
通用文件打开操作使用设备的主标志符来索引此chrdevs数组，以便得到那
些文件操作函数指针。同时建立起描叙此字符特殊文件的file结构,使其文
件操作指针指向此设备驱动中的文件操作指针集合。这样所有应用对它进行
的文件操作都被映射到此字符设备的文件操作集合上。
8.4.2 块设备
块设备也支持以文件方式访问。系统对块设备特殊文件提供了非常类似于
字符特殊文件的文件操作机制。Linux在blkdevs数组中维护所有已注册的
块设备。象chrdevs数组一样，blkdevs也使用设备的主设备号进行索引。
其入口也是device_struct结构。和字符设备不同的是系统有几类块设备。
SCSI设备是一类而IDE设备则是另外一类。它们将以各自类别登记到Linux
核心中并为核心提供文件操作功能。某类块设备的设备驱动为此类型设备
提供了类别相关的接口。如SCSI设备驱动必须为SCSI子系统提供接口以便
SCSI子系统能用它来为核心提供对此设备的文件操作。
和普通文件操作接口一样, 每个块设备驱动必须为buffer
cache提供接口。每个块设备驱动将填充其在blk_dev数组中的blk_dev_struct
结构入口。数组的索引值还是此设备的主设备号。这个blk_dev_struct结
构包含请求过程的地址以及指向请求数据结构链表的指针，每个代表一个
从buffercache中来让设备进行数据读写的请求。
每当buffer cache希望从一个已注册设备中读写数据块时,它会将request
结构添加到其blk_dev_struct中。图8.2表示每个请求有指向一个或多个
buffer_hear结构的指针，每个请求读写一块数据。如buffer cache对
buffer_head结构上锁,则进程会等待到对此缓冲的块操作完成。每个
request结构都从静态链表all_requests中分配。如果此请求被加入到空
请求链表中,则将调用驱动请求函数以启动此请求队列的处理,否则该设备
驱动将简单地处理请求链表上的request。
一旦设备驱动完成了请求则它必须将每个buffer_heard结构从request结
构中清除，将它们标记成已更新状态并解锁之。对buffer_head的解锁将
唤醒所有等待此块操作完成的睡眠进程。如解析文件名称时,EXT2文件系
统必须从包含此文件系统的设备中读取包含下个EXT2目录入口的数据块。
在buffer_head上睡眠的进程在设备驱动被唤醒后将包含此目录入口。
request数据结构被标记成空闲以便被其它块请求使用。
8.5 硬盘
磁盘驱动器提供了一个永久性存储数据的方式，将数据保存在旋转的盘片
上。写入数据时磁头将磁化盘片上的一个小微粒。这些盘片被连接到一个
中轴上并以3000到10，000RPM（每分钟多少转）的恒定速度旋转。而软盘
的转速仅为360RPM。磁盘的读/写磁头负责读写数据，每个盘片的两侧各
有一个磁头。磁头读写时并不接触盘片表面而是浮在距表面非常近的空气
垫中（百万分之一英寸）。磁头由一个马达驱动在盘片表面移动。所有的
磁头被连在一起，它们同时穿过盘片的表面。
盘片的每个表面都被划分成为叫做磁道的狭窄同心圆。0磁道位于最外面
而最大磁道位于最靠近中央主轴。柱面指一组相同磁道号的磁道。所以每
个盘片上的第五磁道组成了磁盘的第五柱面。由于柱面号与磁道号相等所
以我们经常可以看到以柱面描叙的磁盘布局。每个磁道可进一步划分成扇
区。它是硬盘数据读写的最小单元同时也是磁盘的块大小。一般的扇区大
小为512字节并且这个大小可以磁盘制造出来后格式化时设置。
一个磁盘经常被描绘成有多少各柱面、磁头以及扇区。例如系统启动时
Linux将这样描叙一个IDE硬盘：
hdb: Conner Peripherals 540MB - CFS540A, 516MB w/64kB Cache,
CHS=1050/16/63
这表示此磁盘有1050各柱面（磁道），16个磁头（8个盘片）且每磁道包
含63个扇区。这样我们可以通过扇区数、块数以及512字节扇区大小计算
出磁盘的存储容量为529200字节。这个容量和磁盘自身声称的516M字节并
不相同，这是因为有些扇区被用来存放磁盘分区信息。有些磁盘还能自动
寻找坏扇区并重新索引磁盘以正常使用。
物理硬盘可进一步划分成分区。一个分区是一大组为特殊目的而分配的扇
区。对磁盘进行分区使得磁盘可以同时被几个操作系统或不同目的使用。
许多Linux系统具有三个分区：DOS文件系统分区，EXT2文件系统分区和交
换分区。硬盘分区用分区表来描叙；表中每个入口用磁头、扇区及柱面号
来表示分区的起始与结束。对于用DOS格式化的硬盘有4个主分区表。但不
一定所有的四个入口都被使用。fdisk支持3中分区类型：主分区、扩展分
区及逻辑分区。扩展分区并不是真正的分区，它只不过包含了几个逻辑分
区。扩展和逻辑分区用来打破四个主分区的限制。以下是一个包含两个主
分区的fdisk命令的输出：
Disk /dev/sda: 64 heads, 32 sectors, 510 cylinders
Units = cylinders of 2048 * 512 bytes
Device Boot Begin Start End Blocks Id System
/dev/sda1 1 1 478 489456 83 Linux native
/dev/sda2 479 479 510 32768 82 Linux swap
Expert command (m for help): p
Disk /dev/sda: 64 heads, 32 sectors, 510 cylinders
Nr AF Hd Sec Cyl Hd Sec Cyl Start Size ID
1 00 1 1 0 63 32 477 32 978912 83
2 00 0 1 478 63 32 509 978944 65536 82
3 00 0 0 0 0 0 0 0 0 00
4 00 0 0 0 0 0 0 0 0 00
这些内容表明第一个分区从柱面（或者磁道）0，头1和扇区1开始一直
到柱面477，扇区22和头63结束。由于每磁道有32个扇区且有64个读写
磁头则此分区在大小上等于柱面数。fdisk使分区在柱面边界上对齐。
它从最外面的柱面0开始并向中间扩展478个柱面。第二个分区：交换分
区从478号柱面开始并扩展到磁盘的最内圈。
在初始化过程中Linux取得系统中硬盘的拓扑结构映射。它找出有多少
中硬盘以及是什么类型。另外Linux还要找到每个硬盘的分区方式。所
有这些都用由gendisk_head链指针指向的gendisk结构链表来表示。每
个磁盘子系统如IDE在初始化时产生表示磁盘结构的gendisk结构。同
时它将注册其文件操作例程并将此入口添加到blk_dev数据结构中。每
个gendisk结构包含唯一的主设备号，它与块相关设备的主设备号相同。
例如SCSI磁盘子系统创建了一个主设备号为8的gendisk入口（"sd"），
这也是所有SCSI硬盘设备的主设备号。图8.3给出了两个gendisk入口，
一个表示SCSI磁盘子系统而另一个表示IDE磁盘控制器。ide0表示主IDE
控制器。
尽管磁盘子系统在其初始化过程中就建立了gendisk入口,但是只有Linux
作分区检查时才使用。每个磁盘子系统通过维护一组数据结构将物理
硬盘上的分区与某个特殊主从特殊设备互相映射。无论何时通过buffer
cache或文件操作对块设备的读写都将被核心定向到对具有某个特定主
设备号的设备文件上（如/dev/sda2）。而从设备号的定位由各自设备
驱动或子系统来映射。
8.5.1 IDE 硬盘
Linux系统上使用得最广泛的硬盘是集成电子磁盘或者IDE硬盘。IDE是
一个硬盘接口而不是类似SCSI的I/O总线接口。每个IDE控制器支持两
个硬盘，一个为主另一个为从。主从硬盘可以通过盘上的跳线来设置。
系统中的第一个IDE控制器成为主IDE控制器而另一个为从属控制器。
IDE可以以每秒3.3M字节的传输率传输数据且最大容量为538M字节。EIDE
或增强式IDE可以将磁盘容量扩展到8.6G字节而数据传
