2017-2018-1 《信息安全系统设计基础》实验四报告

本小组成员：20155303、20155213；实验四【码云链接】

————————CONTENTS————————

• 任务一 学习《嵌入式Linux应用程序开发标准教程》第十一章
• 任务二 完成第十一章的test实验
• 实验感想与体会
• 参考资料

学习第十一章，主要掌握了以下内容：

• Linux 设备驱动的基本概念；
• Linux 设备驱动的基本功能；
• Linux 设备驱动的运作过程；
• 常见设备驱动接口函数；
• LCD设备驱动程序编写步骤；
• 键盘设备驱动程序编写步骤

康奈尔笔记如下：

• 『问题一』struct file_operations结构有什么作用？如何使用这一内核数据结构？
• 『问题一解决』

查阅资料了解到，file_operations是把系统调用和驱动程序关联起来的关键数据结构。这个结构的每一个成员都对应着一个系统调用。读取file_operations中相应的函数指针，接着把控制权转交给函数，从而完成了Linux设备驱动程序的工作。

在系统内部，I/O设备的存取操作通过特定的入口点来进行，而这组特定的入口点恰恰是由设备驱动程序提供的。通常这组设备驱动程序接口是由结构file_operations结构体向系统说明的，它定义在include/linux/fs.h中。

除此之外，还有两个重要的内核数据结构：file和inode。

struct file代表一个打开的文件，在执行file_operations中的open操作时被创建，这里需要注意的是与用户空间inode指针的区别，inode在内核，而file指针在用户空间，由c库来定义。

struct inode被内核用来代表一个文件，注意和struct file的区别，struct inode代表文件，struct file代表打开的文件。

• 『问题二』/proc中的进程与ps命令的什么选项显示的结果相对应？
• 『问题二解决』

/proc 文件系统是一个伪文件系统，它是一种内核和内核模块用来向进程发􄘱信息的机制。这个伪文件系统让用户可以和内核内部数据结构进行交互，获取有关系统和进程的有用信息，在运行时通过改变内核参数来改变设置。

与其他文件系统不同，/proc 存在于内存之中而不是在硬盘上。通过ls命令查看/proc文件系统的内容如下：

可以发现一些是以数字命名的目录，它们是进程目录。系统中当前运行的每一个进程都有对应的一个目录在/proc 下，以进程的PID 号为目录名，它们是读取进程信息的接口。我们查看其中一个进程目录：

这使我们联想到ps命令也可以显示进程，ps的常用选项有哪些呢？

• 1）ps a 显示现行终端机下的所有程序，包括其他用户的程序。
• 2）ps -A 显示所有进程。
• 3）ps c 列出程序时，显示每个程序真正的指令名称，而不包含路径，参数或常驻服务的标示。
• 4）ps -e 此参数的效果和指定"A"参数相同。
• 5）ps e 列出程序时，显示每个程序所使用的环境变量。
• 6）ps f 用ASCII字符显示树状结构，表达程序间的相互关系。
• 7）ps -H 显示树状结构，表示程序间的相互关系。
• 8）ps -N 显示所有的程序，除了执行ps指令终端机下的程序之外。
• 9）ps s 采用程序信号的格式显示程序状况。
• 10）ps S 列出程序时，包括已中断的子程序资料。
• 11）ps -t<终端机编号> 　指定终端机编号，并列出属于该终端机的程序的状况。
• 12）ps u 　以用户为主的格式来显示程序状况。
• 13）ps x 　显示所有程序，不以终端机来区分。

除此之外，还可以使用top命令，显示运行中系统的动态实时视图；使用pstree以树装显示正在运行的进程等。

• 『问题三』块设备驱动编程与字符设备的差异？
• 『问题三解决』

Linux 的一个重要特点就是将所有的设备都当做文件进行处理，这一类特殊文件就是设备文件。Linux 系统的设备分为3 类：字符设备、块设备和网络设备。

• 字符设备通常指像普通文件或字节流一样，以字节为单位􄺪序读写的设备， 如并口设备、虚拟控制台等。字符设备可以通过设备文件节点访问，它与普通文件之间的区别在于普通文件可以被随机访问（可以前后移动访问指针），而大多数字符设备只能提供􄺪序访问，因为对它们的访问不会被系统所缓存。但也有例外，例如缓存(framebuffer)是一个可以被随机访问的字符设备。
• 块设备通常指一些需要以块为单位随机读写的设备，如IDE 硬盘、SCSI 硬盘、光驱等。块设备也是通过文件节点来访问，它不仅可以提供随机访问，而且可以容纳文件系统（例如硬盘、缓存等）。Linux 可以使用户态程序像访问字符设备一样每次进行任意字节的操作，只是在内核态内部中的管理方式和内核提供的驱动接口上不同。

通过文件属性可以查看它们是哪种设备文件(字符设备文件c或块设备文件b)。

块设备驱动程序的编写流程同字符设备驱动程序的编写流程很类似，每个块设备物理实体由一个gendisk 结构体来表示（在<linux/genhd.h>中定义），每个gendisk 可以支持多个分区。

每个gendisk 中包含了本物理实体的全部信息以及操作函数接口。整个块设备的注册过程是通过gendisk 来展开的。在驱动程序中需要初始化的gendisk 的一些成员如下所示

与字符设备驱动程序一样，块设备驱动程序也包含一个在<linux/fs.h>中定义的block_device_operations 结构，其定义如下所示

返回目录

『一、实验目的』：该实验是编写最简单的字符驱动程序，这里的设备也就是一段内存，实现简单的读写功能，并列出常用格式的Makefile 以及驱动的加载和加载脚本。读者可以熟悉字符设备驱动的整个编写流程。

『二、实验内容』：该实验要求实现对虚拟设备（一段内存）的打开、关闭、读写的操作，并要通过编写测试程序来测试虚拟设备及其驱动运行是否正常。

『三、实验步骤』：

（1）编写代码

驱动程序的源代码参考书中相关章节即可，在此不再赘述。主要分为以下几个模块：

• 定义全局变量
• 读函数
• 写函数
• 打开函数
• 关闭函数
• 创建、初始化字符设备，并注册到系统
• 定义虚拟设备的file_operations结构
• 模块注册入口
• 卸载模块

（2）编译代码

虚拟设备的驱动程序的Makefile 如下所示：

ifeq ($(KERNELRELEASE),)
KERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build /*内核代码编译路径*/
PWD := $(shell pwd)
modules:
	$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules
modules_install:
	$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules_install
clean:
	rm -rf *.o *~ core .depend .*.cmd *.ko *.mod.c .tmp_versions
.PHONY: modules modules_install clean
else
	obj-m := test_drv.o /* 将生成的模块定义为test_drv.ko*/
endif
           

make之前要先进行make clean

（3）加载和卸载模块

通过以下两个shell脚本，分别实现驱动模块的加载和卸载：

加载脚本test_drv_load 如下所示：

#!/bin/sh
module="test_drv"
device="test_dev"
mode="664"
group="david"


# remove stale nodes
rm -f /dev/${device} 

# invoke insmod with all arguments we got
# and use a pathname, as newer modutils don't look in . by default
/sbin/insmod -f ./$module.ko $* || exit 1

major=`cat /proc/devices | awk "\\$2==\"$device\" {print \\$1}"`

mknod /dev/${device} c $major 0

# give appropriate group/permissions
chgrp $group /dev/${device}
chmod $mode  /dev/${device}
           

卸载脚本test_drv_unload 如下所示：

#!/bin/sh
module="test_drv"
device="test_dev"

# invoke rmmod with all arguments we got
sudo /sbin/rmmod $module $* || exit 1

# remove nodes
rm -f /dev/${device}

exit 0
           

注意：运行脚本前，需要先使用

chmod +x

增加可执行权限。

（4）编写测试代码

测试代码的主要编写思路如下：

• 打开设备文件：fd = open(TEST_DEVICE_FILENAME, O_RDWR);
• 向设备写入数据：(write(fd, buff, strlen(buff));
• 从设备读取数据：(read(fd, buff, BUFF_SZ);
• 关闭设备文件：close(fd);

再根据函数返回值进行错误处理即可。详细代码可参考相关章节。

『四、实验结果』：

首先在虚拟设备驱动源码目录下编译并加载驱动模块：

$ make clean
$ make
$ ./test_drv_load
           

/proc/devices文件列出了字符和块设备的主设备号，以及分配到这些设备号的设备名称。此时可以在/proc文件夹下的devices中，查看到已加载的test_dev：

我们还知道，/dev主要存放与设备（包括外设）有关的文件（unix和linux系统均把设备当成文件），因此同样可以在/dev中查看已加载的设备：

使用“ls -l”并结合管道，查看该设备的详细信息（c表示字符设备）：

接下来，编译并运行测试程序：

$ gcc –o test test.c
$ ./test
           

运行结果如下图所示，可以显示从内核读取的数据：

最后，卸载驱动程序：

$ ./test_drv_unload
           

再次查看/proc/devices文件，可以发现该设备已被卸载：

此时通过dmesg命令可以查看内核打印的信息：

• 在之前的实验中，我们了解了嵌入式Linux应用程序的开发，这些都是处于用户空间的内容。而本次实验进入到Linux的内核空间，初步学习了嵌入式Linux设备驱动的开发。驱动的开发流程与之前的编程习惯并不相同，定义了许多全新的数据结构与函数，在学习过程中需格外注意，以避免混淆。
• 此次实验第一次使用康奈尔笔记记录自学的过程，与之前“误打误撞”的自学方式相比，学习的条理性有了很大的提升。尤其是疑问（CUES）与总结（Summary）部分，既能在学习时抓住学习重点，有的放矢，又能在复习时理清学习主线，拓展思维。
• 需要注意的一点是，第一遍跟着教材自学，可能并不清楚作者的行文思路，虽然已经把书中的关键词悉数总结在笔记中，但此时对于内容与内容之间的先后主次关系也并不明朗。这就需要在第一遍学习结束之后，及时巩固相关知识，并辅以实践。本次实验准备时间较为仓促，虽然实验前按照第十一章的step by step教程整理了一遍，实践了一遍，仍然对相关概念和原理模棱两可。直到写总结博客时，回顾实验内容和笔记，才对驱动的开发流程等有了更加全面深刻的理解。由此可见，学习知识无非“learn->review->improve”，并没有什么捷径可走；使用再巧妙的学习方法，如果不及时巩固学到的知识，最终也还是一知半解。

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