于PCI9656设备驱动程序的Linux2.6内核研究

于PCI9656设备驱动程序的Linux2.6内核研究

摘要：本文以64位PCI总线接口芯片PCI9656的设备驱动程序为基础，比较了Linux2.6内核与2.4内核的区别，设计与开发了在Linux 2.6内核下PCI9656设备驱动程序，进而研究了2.6内核的内存和中断管理机制。 
关键字：Linux2.6;设备驱动程序;PCI9656 

1 引言

Linux操作系统因为其高效、安全、可动态加载及源代码开放等特点，深受设备驱动程序开发人员的喜爱。系统内核大部分独立于底层硬件运行，用户无需关心硬件问题，而用户操作是通过一组标准化的调用来完成。设备驱动程序的任务是将这些调用映射到作用于实际硬件设备的特定操作上，该编程接口能够使得驱动程序独立于内核的其他部分来搭建，在需要时才动态加载到内核。这种模块化的特点，使得Linux设备驱动程序的编写过程变得清晰简单。

目前，为满足日益庞大的数据处理需要，基于64位PCI总线接口设备的研究开发显得尤为重要。因而本文将基于PLX公司推出的PCI总线接口芯片PCI9656，设计开发在Linux2.6内核下的设备驱动程序，进而对2.6内核的内存和中断管理机制进行分析研究。

2 Linux2.6与2.4内核的比较

2.1  系统稳定性

为了彻底防止对正在被使用的内核模块进行错误操作，2.6内核在加载和导出内核模块方面都较2.4内核进行了改进，避免了用户执行将导致系统崩溃的操作，例如强制删除模块等。同时，当驱动程序需要在多个文件中包含<linux/module.h>头文件时，不必定义宏__NO_VERSION__来检查内核的版本。

2.2  统一设备模型

统一设备模型的创建是2.6内核最重要的变化之一。它促进了模块接口的标准化，其目的是更好地控制和管理设备，主要包括：更准确地确定系统设备，更高效的进行电源管理以及改进的系统总线结构管理。

2.3  内核基础设施

2.6内核为了区别以.o为扩展名的常规对象文件，将内核模块的扩展名改为.ko。相对于2.4内核下系统所支持的RAM为4GB而言，2.6内核下系统支持更大数量的RAM，在分页模式下最高可达64GB。同时，2.6内核优化了I/O调度器，确保不会有进程驻留在队列中过长时间等待输入/输出操作，使得I/O操作的响应更为迅速。

2.4  外部设备

在2.4内核中有约束大型系统的限制，比如支持的每一类设备的最大数量为256。而2.6内核则彻底地打破了这些限制，可以支持4095种主要的设备类型，每一个单独的类型又可以支持超过一百万个的子设备。

3 Linux2.6内核下PCI设备驱动程序的设计

3.1  PCI设备驱动程序中核心数据结构

在2.6内核下使用file_operations数据结构，来建立设备驱动程序中的函数与主设备号(major number)之间的对应关系。该数据结构中包含了指向驱动程序内部大多数函数的指针，描述了虚拟文件系统如何操作一个打开的外围设备。因而file _operations结构是驱动程序向内核其他部分提供的一个统一的标准设备接口。

file结构是设备驱动程序使用的另一个重要的数据结构，指示当前系统中已打开的文件。它在C语言库中定义，在调用内核open函数时创建，并传递给在该设备上进行操作的所有函数，直到最后的close函数。file结构中还包含了指向它所拥有的file_operations结构的指针。

inode结构由内核自动生成，代表已打开文件的描述符，与每个打开的文件一一对应。它包含了两个重要的结构成员：dev_t扩展到32位，其中12位主设备号，20位从设备号，而cdev用于存储一个指向字符设备文件的指针。

3.2  驱动程序与内核和外部设备间的关系

(1) 通过Linux提供的系统调用函数(例如init_module等)进入内核，这些函数在2.6内核版本下总共有两百多个，提供了几乎所有应用程序进入内核所需要执行的操作。

(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。