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。