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）
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
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 PC
11 str r8, [sp, #S_PSR] @ Save CPSR
12 str r0, [sp, #S_OLD_R0] @ Save OLD_R0
13 zero_fp
14
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 swi
23 * value to determine if it is an EABI or an old ABI call.
24 */
25 #ifdef CONFIG_ARM_THUMB
26 tst r8, #PSR_T_BIT
27 movne r10, #0 @ no thumb OABI emulation
28 ldreq r10, [lr, #-4] @ get SWI instruction
29 #else
30 ldr r10, [lr, #-4] @ get SWI instruction
31 A710( and ip, r10, #0x0f000000 @ check for SWI )
32 A710( teq ip, #0x0f000000 )
33 A710( bne .Larm710bug )
34 #endif
35 #ifdef CONFIG_CPU_ENDIAN_BE8
36 rev r10, r10 @ little endian instruction
37 #endif
38
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_regs
53 addne scno, r7, #__NR_SYSCALL_BASE @ put OS number in
54 ldreq scno, [lr, #-4]
55
56 #else
57
58 /* Legacy ABI only. */
59 ldr scno, [lr, #-4] @ get SWI instruction
60 A710( and ip, scno, #0x0f000000 @ check for SWI )
61 A710( teq ip, #0x0f000000 )
62 A710( bne .Larm710bug )
63
64 #endif
65
66 #ifdef CONFIG_ALIGNMENT_TRAP
67 ldr ip, __cr_alignment
68 ldr ip, [ip]
69 mcr p15, 0, ip, c1, c0 @ update control register
70 #endif
71 enable_irq
72
73 get_thread_info tsk
74 adr tbl, sys_call_table @ load syscall table pointer
View Code
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。