Linux内核分析（六）----字符设备控制方法实现|揭秘系统调用本质

原文:Linux内核分析（六）----字符设备控制方法实现|揭秘系统调用本质

Linux内核分析（六）

昨天我们对字符设备进行了初步的了解，并且实现了简单的字符设备驱动，今天我们继续对字符设备的某些方法进行完善。

今天我们会分析到以下内容：

1.      字符设备控制方法实现

2.      揭秘系统调用本质

在昨天我们实现的字符设备中有open、read、write等方法，由于这些方法我们在以前编写应用程序的时候，相信大家已经有所涉及所以就没单独列出来分析，今天我们主要来分析一下我们以前接触较少的控制方法。

l  字符设备控制方法实现

1.       设备控制简介

1.        何为设备控制：我们所接触的大部分设备，除了读、写、打开关闭等方法外，还应该具有控制方法，比如：控制电机转速、串口配置波特率等。这就是对设备的控制方法。

2.        用户如何进行设备控制：类似与我们在用户空间使用read、open等函数对设备进行操作，我们在用户空间对设备控制的函数是ioctl其原型为 int ioctl(int fd, int cmd, …)//fd为要控制的设备文件的描述符，cmd是控制命令，…依据第二个参数类似与我们的printf等多参函数。

3.        Ioctl调用驱动那个函数：在我们的用户层进行ioctl调用的时候驱动会根据内核版本不同调用不同的函数，有以下：

1)        2.6.36以前的内核版本会调用 long (*ioctl) (struct inode*,struct file *, unsigned int, unsigned long);

2)        2.6.36以后的内核会调用 long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);

2.       Ioctl实现

1.        控制命令解析：我们刚才说到ioctl进行控制的时候有个cmd参数其为int类型的也就是32位，我们的linux为了让这32位更加有意义，所表示的内容更多，所以将其分为了下面几个段

1)        Type（类型/幻数8bit）：表明这是属于哪个设备的命令

2)        Number（序号8bit）：用来区分统一设备的不同命令

3)        Direction（2bit）：参数传递方向，可能的取值，_IOC_NODE（没有数据传输）、_IOC_READ（从设备读）、_IOC_WRITE（向设备写）

4)        Size（13/14bit()）：参数长度

2.        定义命令：我们的控制命令如此复杂，为了方便我们的linux系统提供了固定的宏来解决命令的定义，具体如下：

1)         _IO(type,nr); ：定义不带参数的命令

2)         _IOR(type,nr,datatype); ：从设备读参数命令

3)         _IOW(type,nr,datatype); ：向设备写入参数命令

下面定义一个向设备写入参数的命令例子

#define MEM_CLEAR _IOW(‘m’,0,int)//通常用一个字母来表示命令的类型

3.        Ioctl实现：下面我们去向我们上次实现的字符设备中添加ioctl方法，并实现设备重启命令（虚拟重启），对于不支持的命令我们返回-EINVAL代码如下，整体工程在https://github.com/wrjvszq/myblongs（我今后会将自己博文中提到的代码都放在这个仓库中）

 long mem_ioctl(struct file *fd, unsigned int cmd, unsigned long arg){
     switch(cmd){
     case MEM_RESTART:
         printk("<0> memdev is restart");
         break;
     default:
         return -EINVAL;
     }
     return ;
 } 

l  揭秘系统调用本质

由于我自己的PC的调用过程不太熟悉，下面以arm的调用过程分析一下我们用户层调用read之后发生了什么，是怎么调用到我们驱动写的read函数的呢，我们下面进行深入剖析。

1.       代码分析

我们首先使用得到arm上可执行的应用程序 arm-linux-gcc -g -static read_mem.c -o read_mem 然后使用 arm-linux-objdump -D -S read_mem >dump 得到汇编文件，我们找到main函数的汇编实现

  int main(void)
 {
     :    e92d4800     push    {fp, lr}
     822c:    e28db004     add    fp, sp, #    ; 0x4
     :    e24dd008     sub    sp, sp, #    ; 0x8
     int fd = ;
     :    e3a03000     mov    r3, #    ; 0x0
     :    e50b3008     str    r3, [fp, #-]
     int test = ;
     823c:    e3a03000     mov    r3, #    ; 0x0
     :    e50b300c     str    r3, [fp, #-]

     fd = open("/dev/memdev0",O_RDWR);
     :    e59f004c     ldr    r0, [pc, #]    ;  <main+0x70>
     :    e3a01002     mov    r1, #    ; 0x2
     824c:    eb0028a3     bl    124e0 <__libc_open>
     :    e1a03000     mov    r3, r0
     :    e50b3008     str    r3, [fp, #-]
     read(fd,&test,sizeof(int));
     :    e24b300c     sub    r3, fp, #    ; 0xc
     825c:    e51b0008     ldr    r0, [fp, #-]
     :    e1a01003     mov    r1, r3
     :    e3a02004     mov    r2, #    ; 0x4
     :    eb0028e4     bl     <__libc_read>//我们的read函数最终调用了__libc_read

     printf("the test is %d\n",test);
     826c:    e51b300c     ldr    r3, [fp, #-]
     :    e59f0024     ldr    r0, [pc, #]    ; 829c <main+0x74>
     :    e1a01003     mov    r1, r3
     :    eb000364     bl     <_IO_printf>

     close(fd);
     827c:    e51b0008     ldr    r0, [fp, #-]
     :    eb0028ba     bl     <__libc_close>
     return ;
     :    e3a03000     mov    r3, #    ; 0x0
 }

上面我们发现read最终调用了__libc_read函数我们继续在汇编代码中找到该函数

  <__libc_read>:
    :    e51fc028     ldr    ip, [pc, #-]    ; 125e0 <__libc_close+0x70>
    :    e79fc00c     ldr    ip, [pc, ip]
    :    e33c0000     teq    ip, #    ; 0x0
    1260c:    1a000006     bne    1262c <__libc_read+0x2c>
    :    e1a0c007     mov    ip, r7
    :    e3a07003     mov    r7, #    ; 0x3
    :    ef000000     svc    0x00000000
    1261c:    e1a0700c     mov    r7, ip
    :    e3700a01     cmn    r0, #    ; 0x1000
    :    312fff1e     bxcc    lr
    :    ea0008b4     b     <__syscall_error>
    1262c:    e92d408f     push    {r0, r1, r2, r3, r7, lr}
    :    eb0003b9     bl    1351c <__libc_enable_asynccancel>
    :    e1a0c000     mov    ip, r0
    :    e8bd000f     pop    {r0, r1, r2, r3}
    1263c:    e3a07003     mov    r7, #    ; 0x3//系统调用标号，一会解释大家先记主
    :    ef000000     svc    0x00000000
    :    e1a07000     mov    r7, r0
    :    e1a0000c     mov    r0, ip
    1264c:    eb000396     bl    134ac <__libc_disable_asynccancel>
    :    e1a00007     mov    r0, r7
    :    e8bd4080     pop    {r7, lr}
    :    e3700a01     cmn    r0, #    ; 0x1000
    1265c:    312fff1e     bxcc    lr
    :    ea0008a6     b     <__syscall_error>
    :    e1a00000     nop            (mov r0,r0)
    :    e1a00000     nop            (mov r0,r0)
    1266c:    e1a00000     nop            (mov r0,r0)

在上面代码中大部分汇编指令都知道用法，但是svc调用引起注意，通过查阅资料才发现，我们应用程序通过svc 0x00000000可以产生异常，进入内核空间。

然后呢，系统处理异常，这中间牵扯好多代码还有中断的一些知识，我们找时间在专门分析，总之经过一大堆的处理最后它会跳到entry-common.S中的下面代码

     .align
 ENTRY(vector_swi)
     sub    sp, sp, #S_FRAME_SIZE
     stmia    sp, {r0 - r12}            @ Calling r0 - r12
  ARM(    add    r8, sp, #S_PC        )
  ARM(    stmdb    r8, {sp, lr}^        )    @ Calling sp, lr
  THUMB(    mov    r8, sp            )
  THUMB(    store_user_sp_lr r8, r10, S_SP    )    @ calling sp, lr
     mrs    r8, spsr            @ called from non-FIQ mode, so ok.
     str    lr, [sp, #S_PC]            @ Save calling PC
     str    r8, [sp, #S_PSR]        @ Save CPSR
     str    r0, [sp, #S_OLD_R0]        @ Save OLD_R0
     zero_fp

     /*
      * Get the system call number.
      */

 #if defined(CONFIG_OABI_COMPAT)

     /*
      * If we have CONFIG_OABI_COMPAT then we need to look at the swi
      * value to determine if it is an EABI or an old ABI call.
      */
 #ifdef CONFIG_ARM_THUMB
     tst    r8, #PSR_T_BIT
     movne    r10, #                @ no thumb OABI emulation
     ldreq    r10, [lr, #-]            @ get SWI instruction
 #else
     ldr    r10, [lr, #-]            @ get SWI instruction
   A710(    and    ip, r10, #0x0f000000        @ check for SWI        )
   A710(    teq    ip, #0x0f000000                        )
   A710(    bne    .Larm710bug                        )
 #endif
 #ifdef CONFIG_CPU_ENDIAN_BE8
     rev    r10, r10            @ little endian instruction
 #endif

 #elif defined(CONFIG_AEABI)

     /*
      * Pure EABI user space always put syscall number into scno (r7).
      */
   A710(    ldr    ip, [lr, #-]            @ get SWI instruction    )
   A710(    and    ip, ip, #0x0f000000        @ check for SWI        )
   A710(    teq    ip, #0x0f000000                        )
   A710(    bne    .Larm710bug                        )

 #elif defined(CONFIG_ARM_THUMB)

     /* Legacy ABI only, possibly thumb mode. */
     tst    r8, #PSR_T_BIT            @ this is SPSR from save_user_regs
     addne    scno, r7, #__NR_SYSCALL_BASE    @ put OS number in
     ldreq    scno, [lr, #-]

 #else

     /* Legacy ABI only. */
     ldr    scno, [lr, #-]            @ get SWI instruction
   A710(    and    ip, scno, #0x0f000000        @ check for SWI        )
   A710(    teq    ip, #0x0f000000                        )
   A710(    bne    .Larm710bug                        )

 #endif

 #ifdef CONFIG_ALIGNMENT_TRAP
     ldr    ip, __cr_alignment
     ldr    ip, [ip]
     mcr    p15, , ip, c1, c0        @ update control register
 #endif
     enable_irq

     get_thread_info tsk
     adr    tbl, sys_call_table        @ load syscall table pointer

该段代码中我们先会获取系统调用的标号刚才让大家记住的3，然后呢会去查找sys_call_table我们找到

     .type    sys_call_table, #object
 ENTRY(sys_call_table)
 #include "calls.S"
 #undef ABI
 #undef OBSOLETE

在calls.S中我们找到了下面东西（列出部分）

 */
 /* 0 */        CALL(sys_restart_syscall)
         CALL(sys_exit)
         CALL(sys_fork_wrapper)
         CALL(sys_read)
         CALL(sys_write)
 /* 5 */        CALL(sys_open)
         CALL(sys_close)
         CALL(sys_ni_syscall)        /* was sys_waitpid */
         CALL(sys_creat)
         CALL(sys_link)

我们发现我们刚才记住的数字3刚好对应的是sys_read，在read_write.c中我们可以找到sys_read函数

 SYSCALL_DEFINE3(read, unsigned int, fd, char __user *, buf, size_t, count)
 {
     struct file *file;
     ssize_t ret = -EBADF;
     int fput_needed;

     file = fget_light(fd, &fput_needed);
     if (file) {
         loff_t pos = file_pos_read(file);
         ret = vfs_read(file, buf, count, &pos);//调用虚拟文件系统的read
         file_pos_write(file, pos);
         fput_light(file, fput_needed);
     }

     return ret;
 }

关于SYSCALL_DEFINE3这个宏的解析大家可以去http://blog.csdn.net/p_panyuch/article/details/5648007 这篇文章查看，在此我就不分析了，我们继续找到vfs_read代码如下

 ssize_t vfs_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *pos)
 {
     ssize_t ret;

     if (!(file->f_mode & FMODE_READ))
         return -EBADF;
     if (!file->f_op || (!file->f_op->read && !file->f_op->aio_read))
         return -EINVAL;
     if (unlikely(!access_ok(VERIFY_WRITE, buf, count)))
         return -EFAULT;

     ret = rw_verify_area(READ, file, pos, count);
     if (ret >= ) {
         count = ret;
         if (file->f_op->read)//我们的文件读函数指针不为空
             ret = file->f_op->read(file, buf, count, pos);//执行我们驱动中的读函数
         else
             ret = do_sync_read(file, buf, count, pos);
         if (ret > ) {
             fsnotify_access(file);
             add_rchar(current, ret);
         }
         inc_syscr(current);
     }

     return ret;
 }

2.       过程总结

通过上面的分析我们已经了解的read函数的调用基本过程，下面我们将read函数的调用过程在进行总结：

1.        寻找svc异常总体入口，并进入内核空间

2.        取出系统调用的标号

3.        根据系统调用标号，在sys_call_table中找到对应的系统调用函数

4.        根据系统函数比如sys_read找到对应的虚拟文件系统的read

5.        虚拟文件系统在调用驱动的read。

至此我们的分析到此结束，当然整个过程中还有一部分异常处理没有说到，我们在分析中断的时候一块分析。

今天的分析到此结束，感谢大家的关注。