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系统调用
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系统调用
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）
1 long mem_ioctl(struct file *fd, unsigned int cmd, unsigned long arg){ 2 switch(cmd){ 3 case MEM_RESTART: 4 printk("<0> memdev is restart"); 5 break; 6 default: 7 return -EINVAL; 8 } 9 return 0; 10 }
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
1 int main(void) 2 { 3 8228: e92d4800 push {fp, lr} 4 822c: e28db004 add fp, sp, #4 ; 0x4 5 8230: e24dd008 sub sp, sp, #8 ; 0x8 6 int fd = 0; 7 8234: e3a03000 mov r3, #0 ; 0x0 8 8238: e50b3008 str r3, [fp, #-8] 9 int test = 0; 10 823c: e3a03000 mov r3, #0 ; 0x0 11 8240: e50b300c str r3, [fp, #-12] 12 13 fd = open("/dev/memdev0",O_RDWR); 14 8244: e59f004c ldr r0, [pc, #76] ; 8298 <main+0x70> 15 8248: e3a01002 mov r1, #2 ; 0x2 16 824c: eb0028a3 bl 124e0 <__libc_open> 17 8250: e1a03000 mov r3, r0 18 8254: e50b3008 str r3, [fp, #-8] 19 read(fd,&test,sizeof(int)); 20 8258: e24b300c sub r3, fp, #12 ; 0xc 21 825c: e51b0008 ldr r0, [fp, #-8] 22 8260: e1a01003 mov r1, r3 23 8264: e3a02004 mov r2, #4 ; 0x4 24 8268: eb0028e4 bl 12600 <__libc_read>//我们的read函数最终调用了__libc_read 25 26 printf("the test is %d\n",test); 27 826c: e51b300c ldr r3, [fp, #-12] 28 8270: e59f0024 ldr r0, [pc, #36] ; 829c <main+0x74> 29 8274: e1a01003 mov r1, r3 30 8278: eb000364 bl 9010 <_IO_printf> 31 32 close(fd); 33 827c: e51b0008 ldr r0, [fp, #-8] 34 8280: eb0028ba bl 12570 <__libc_close> 35 return 0; 36 8284: e3a03000 mov r3, #0 ; 0x0 37 }
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
1 00012600 <__libc_read>: 2 12600: e51fc028 ldr ip, [pc, #-40] ; 125e0 <__libc_close+0x70> 3 12604: e79fc00c ldr ip, [pc, ip] 4 12608: e33c0000 teq ip, #0 ; 0x0 5 1260c: 1a000006 bne 1262c <__libc_read+0x2c> 6 12610: e1a0c007 mov ip, r7 7 12614: e3a07003 mov r7, #3 ; 0x3 8 12618: ef000000 svc 0x00000000 9 1261c: e1a0700c mov r7, ip 10 12620: e3700a01 cmn r0, #4096 ; 0x1000 11 12624: 312fff1e bxcc lr 12 12628: ea0008b4 b 14900 <__syscall_error> 13 1262c: e92d408f push {r0, r1, r2, r3, r7, lr} 14 12630: eb0003b9 bl 1351c <__libc_enable_asynccancel> 15 12634: e1a0c000 mov ip, r0 16 12638: e8bd000f pop {r0, r1, r2, r3} 17 1263c: e3a07003 mov r7, #3 ; 0x3//系统调用标号，一会解释大家先记主 18 12640: ef000000 svc 0x00000000 19 12644: e1a07000 mov r7, r0 20 12648: e1a0000c mov r0, ip 21 1264c: eb000396 bl 134ac <__libc_disable_asynccancel> 22 12650: e1a00007 mov r0, r7 23 12654: e8bd4080 pop {r7, lr} 24 12658: e3700a01 cmn r0, #4096 ; 0x1000 25 1265c: 312fff1e bxcc lr 26 12660: ea0008a6 b 14900 <__syscall_error> 27 12664: e1a00000 nop (mov r0,r0) 28 12668: e1a00000 nop (mov r0,r0) 29 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
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
1 .type sys_call_table, #object 2 ENTRY(sys_call_table) 3 #include "calls.S" 4 #undef ABI 5 #undef OBSOLETE
在calls.S中我们找到了下面东西（列出部分）
1 */ 2 /* 0 */ CALL(sys_restart_syscall) 3 CALL(sys_exit) 4 CALL(sys_fork_wrapper) 5 CALL(sys_read) 6 CALL(sys_write) 7 /* 5 */ CALL(sys_open) 8 CALL(sys_close) 9 CALL(sys_ni_syscall) /* was sys_waitpid */ 10 CALL(sys_creat) 11 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
1 SYSCALL_DEFINE3(read, unsigned int, fd, char __user *, buf, size_t, count) 2 { 3 struct file *file; 4 ssize_t ret = -EBADF; 5 int fput_needed; 6 7 file = fget_light(fd, &fput_needed); 8 if (file) { 9 loff_t pos = file_pos_read(file); 10 ret = vfs_read(file, buf, count, &pos);//调用虚拟文件系统的read 11 file_pos_write(file, pos); 12 fput_light(file, fput_needed); 13 } 14 15 return ret; 16 }
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
1 ssize_t vfs_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *pos) 2 { 3 ssize_t ret; 4 5 if (!(file->f_mode & FMODE_READ)) 6 return -EBADF; 7 if (!file->f_op || (!file->f_op->read && !file->f_op->aio_read)) 8 return -EINVAL; 9 if (unlikely(!access_ok(VERIFY_WRITE, buf, count))) 10 return -EFAULT; 11 12 ret = rw_verify_area(READ, file, pos, count); 13 if (ret >= 0) { 14 count = ret; 15 if (file->f_op->read)//我们的文件读函数指针不为空 16 ret = file->f_op->read(file, buf, count, pos);//执行我们驱动中的读函数 17 else 18 ret = do_sync_read(file, buf, count, pos); 19 if (ret > 0) { 20 fsnotify_access(file); 21 add_rchar(current, ret); 22 } 23 inc_syscr(current); 24 } 25 26 return ret; 27 }
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。
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