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）

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    ; 0x011     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    ; 0x216     824c:    eb0028a3     bl    124e0 <__libc_open>17     8250:    e1a03000     mov    r3, r018     8254:    e50b3008     str    r3, [fp, #-8]19     read(fd,&test,sizeof(int));20     8258:    e24b300c     sub    r3, fp, #12    ; 0xc21     825c:    e51b0008     ldr    r0, [fp, #-8]22     8260:    e1a01003     mov    r1, r323     8264:    e3a02004     mov    r2, #4    ; 0x424     8268:    eb0028e4     bl    12600 <__libc_read>//我们的read函数最终调用了__libc_read25 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, r330     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    ; 0x037 }

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, ip10    12620:    e3700a01     cmn    r0, #4096    ; 0x100011    12624:    312fff1e     bxcc    lr12    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, r016    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    0x0000000019    12644:    e1a07000     mov    r7, r020    12648:    e1a0000c     mov    r0, ip21    1264c:    eb000396     bl    134ac <__libc_disable_asynccancel>22    12650:    e1a00007     mov    r0, r723    12654:    e8bd4080     pop    {r7, lr}24    12658:    e3700a01     cmn    r0, #4096    ; 0x100025    1265c:    312fff1e     bxcc    lr26    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

1     .align    5 2 ENTRY(vector_swi) 3     sub    sp, sp, #S_FRAME_SIZE 4     stmia    sp, {r0 - r12}            @ Calling r0 - r12 5  ARM(    add    r8, sp, #S_PC        ) 6  ARM(    stmdb    r8, {sp, lr}^        )    @ Calling sp, lr 7  THUMB(    mov    r8, sp            ) 8  THUMB(    store_user_sp_lr r8, r10, S_SP    )    @ calling sp, lr 9     mrs    r8, spsr            @ called from non-FIQ mode, so ok.10     str    lr, [sp, #S_PC]            @ Save calling PC11     str    r8, [sp, #S_PSR]        @ Save CPSR12     str    r0, [sp, #S_OLD_R0]        @ Save OLD_R013     zero_fp14 15     /*16      * Get the system call number.17      */18 19 #if defined(CONFIG_OABI_COMPAT)20 21     /*22      * If we have CONFIG_OABI_COMPAT then we need to look at the swi23      * value to determine if it is an EABI or an old ABI call.24      */25 #ifdef CONFIG_ARM_THUMB26     tst    r8, #PSR_T_BIT27     movne    r10, #0                @ no thumb OABI emulation28     ldreq    r10, [lr, #-4]            @ get SWI instruction29 #else30     ldr    r10, [lr, #-4]            @ get SWI instruction31   A710(    and    ip, r10, #0x0f000000        @ check for SWI        )32   A710(    teq    ip, #0x0f000000                        )33   A710(    bne    .Larm710bug                        )34 #endif35 #ifdef CONFIG_CPU_ENDIAN_BE836     rev    r10, r10            @ little endian instruction37 #endif38 39 #elif defined(CONFIG_AEABI)40 41     /*42      * Pure EABI user space always put syscall number into scno (r7).43      */44   A710(    ldr    ip, [lr, #-4]            @ get SWI instruction    )45   A710(    and    ip, ip, #0x0f000000        @ check for SWI        )46   A710(    teq    ip, #0x0f000000                        )47   A710(    bne    .Larm710bug                        )48 49 #elif defined(CONFIG_ARM_THUMB)50 51     /* Legacy ABI only, possibly thumb mode. */52     tst    r8, #PSR_T_BIT            @ this is SPSR from save_user_regs53     addne    scno, r7, #__NR_SYSCALL_BASE    @ put OS number in54     ldreq    scno, [lr, #-4]55 56 #else57 58     /* Legacy ABI only. */59     ldr    scno, [lr, #-4]            @ get SWI instruction60   A710(    and    ip, scno, #0x0f000000        @ check for SWI        )61   A710(    teq    ip, #0x0f000000                        )62   A710(    bne    .Larm710bug                        )63 64 #endif65 66 #ifdef CONFIG_ALIGNMENT_TRAP67     ldr    ip, __cr_alignment68     ldr    ip, [ip]69     mcr    p15, 0, ip, c1, c0        @ update control register70 #endif71     enable_irq72 73     get_thread_info tsk74     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

1     .type    sys_call_table, #object2 ENTRY(sys_call_table)3 #include "calls.S"4 #undef ABI5 #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read11         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         else18             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。