# 第 9 章 编写 FreeBSD 设备驱动程序

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## 9.1. 简介

本章简要介绍了如何为FreeBSD编写设备驱动程序。术语设备在 这儿的上下文中多用于指代系统中硬件相关的东西，如磁盘，打印机， 图形显式器及其键盘。设备驱动程序是操作系统中用于控制特定设备的 软件组件。也有所谓的伪设备，即设备驱动程序用软件模拟设备的行为， 而没有特定的底层硬件。设备驱动程序可以被静态地编译进系统，或者 通过动态内核链接工具'`kld`'在需要时加载。

类UNIX®操作系统中的大多数设备都是通过设备节点来访问的，有时也 被称为特殊文件。这些文件在文件系统的层次结构中通常位于 /dev目录下。在FreeBSD 5.0-RELEASE以前的 发行版中, 对devfs(5)的支持还没有被集成到FreeBSD中，每个设备 节点必须要静态创建，并且独立于相关设备驱动程序的存在。系统中大 多数设备节点是通过运行`MAKEDEV`创建的。

设备驱动程序可以粗略地分为两类，字符和网络设备驱动程序。

## 9.2. 动态内核链接工具-KLD

kld接口允许系统管理员从运行的系统中动态地添加和删除功能。 这允许设备驱动程序的编写者将他们的新改动加载到运行的内核中， 而不用为了测试新改动而频繁地重启。

kld接口通过下面的特权命令使用：

- `kldload` - 加载新内核模块

- `kldunload` - 卸载内核模块

- `kldstat` - 列举当前加载的模块

内核模块的程序框架

    /*
     * KLD程序框架
     * 受Andrew Reiter在Daemonnews上的文章所启发
     */

    #include sys/types.h
    #include sys/module.h
    #include sys/systm.h  /* uprintf */
    #include sys/errno.h
    #include sys/param.h  /* kernel.h中用到的定义 */
    #include sys/kernel.h /* 模块初始化中使用的类型 */

    /*
     * 加载处理函数，负责处理KLD的加载和卸载。
     */

    static int
    skel_loader(struct module *m, int what, void *arg)
    {
      int err = 0;

      switch (what) {
      case MOD_LOAD:                /* kldload */
        uprintf("Skeleton KLD loaded.\n");
        break;
      case MOD_UNLOAD:
        uprintf("Skeleton KLD unloaded.\n");
        break;
      default:
        err = EOPNOTSUPP;
        break;
      }
      return(err);
    }

    /* 向内核其余部分声明此模块 */

    static moduledata_t skel_mod = {
      "skel",
      skel_loader,
      NULL
    };

    DECLARE_MODULE(skeleton, skel_mod, SI_SUB_KLD, SI_ORDER_ANY);

### 9.2.1. Makefile

FreeBSD提供了一个makefile包含文件，利用它你可以快速地编译 你附加到内核的东西。

    SRCS=skeleton.c
    KMOD=skeleton

    .include bsd.kmod.mk

简单地用这个makefile运行`make`就能够创建文件 skeleton.ko，键入如下命令可以把它加载到内核：

    # kldload -v ./skeleton.ko

## 9.3. 访问设备驱动程序

UNIX® 提供了一套公共的系统调用供用户的应用程序使用。当用户访问 设备节点时，内核的上层将这些调用分发到相应的设备驱动程序。脚本 `/dev/MAKEDEV`为你的系统生成了大多数的设备节点， 但如果你正在开发你自己的驱动程序，可能需要用 `mknod`创建你自己的设备节点。

### 9.3.1. 创建静态设备节点

`mknod`命令需要四个参数来创建设备节点。 你必须指定设备节点的名字，设备的类型，设备的主号码和设备的从号码。

### 9.3.2. 动态设备节点

设备文件系统，或者说devfs，在全局文件系统名字空间中提供对 内核设备名字空间的访问。这消除了由于有设备驱动程序而没有静态 设备节点，或者有设备节点而没有安装设备驱动程序而带来的潜在问题。 Devfs仍在进展中，但已经能够工作得相当好了。

## 9.4. 字符设备

字符设备驱动程序直接从用户进程传输数据，或传输数据到用户进程。 这是最普通的一类设备驱动程序，源码树中有大量的简单例子。

这个简单的伪设备例子会记住你写给它的任何值，并且当你读取它的时候 会将这些值返回给你。下面显示了两个版本，一个适用于FreeBSD 4.X， 一个适用于FreeBSD 5.X。

例 1. 适用于FreeBSD 4.X的回显伪设备驱动程序实例

    /*
     * 简单‘echo’伪设备KLD
     *
     * Murray Stokely
     */

    #define MIN(a,b) (((a)  (b)) ? (a) : (b))

    #include sys/types.h
    #include sys/module.h
    #include sys/systm.h  /* uprintf */
    #include sys/errno.h
    #include sys/param.h  /* kernel.h中用到的定义 */
    #include sys/kernel.h /* 模块初始化中使用的类型 */
    #include sys/conf.h   /* cdevsw结构 */
    #include sys/uio.h    /* uio结构 */
    #include sys/malloc.h

    #define BUFFERSIZE 256

    /* 函数原型 */
    d_open_t	echo_open;
    d_close_t	echo_close;
    d_read_t	echo_read;
    d_write_t	echo_write;

    /* 字符设备入口点 */
    static struct cdevsw echo_cdevsw = {
    	echo_open,
    	echo_close,
    	echo_read,
    	echo_write,
    	noioctl,
    	nopoll,
    	nommap,
    	nostrategy,
    	"echo",
    	33,              /* 为lkms保留 - /usr/src/sys/conf/majors */
    	nodump,
    	nopsize,
    	D_TTY,
    	-1
    };

    typedef struct s_echo {
    	char msg[BUFFERSIZE];
    	int len;
    } t_echo;

    /* 变量 */
    static dev_t sdev;
    static int count;
    static t_echo *echomsg;

    MALLOC_DECLARE(M_ECHOBUF);
    MALLOC_DEFINE(M_ECHOBUF, "echobuffer", "buffer for echo module");

    /*
     * 这个函数被kld[un]load(2)系统调用来调用，
     * 以决定加载和卸载模块时需要采取的动作。
     */

    static int
    echo_loader(struct module *m, int what, void *arg)
    {
    	int err = 0;

    	switch (what) {
    	case MOD_LOAD:                /* kldload */
    		sdev = make_dev(echo_cdevsw,
    		    0,
    		    UID_ROOT,
    		    GID_WHEEL,
    		    0600,
    		    "echo");
    		/* kmalloc分配供驱动程序使用的内存 */
    		MALLOC(echomsg, t_echo *, sizeof(t_echo), M_ECHOBUF, M_WAITOK);
    		printf("Echo device loaded.\n");
    		break;
    	case MOD_UNLOAD:
    		destroy_dev(sdev);
    		FREE(echomsg,M_ECHOBUF);
    		printf("Echo device unloaded.\n");
    		break;
    	default:
    		err = EOPNOTSUPP;
    		break;
    	}
    	return(err);
    }

    int
    echo_open(dev_t dev, int oflags, int devtype, struct proc *p)
    {
    	int err = 0;

    	uprintf("Opened device \"echo\" successfully.\n");
    	return(err);
    }

    int
    echo_close(dev_t dev, int fflag, int devtype, struct proc *p)
    {
    	uprintf("Closing device \"echo.\"\n");
    	return(0);
    }

    /*
     * read函数接受由echo_write()存储的buf，并将其返回到用户空间，
     * 以供其他函数访问。
     * uio(9)
     */

    int
    echo_read(dev_t dev, struct uio *uio, int ioflag)
    {
    	int err = 0;
    	int amt;

    	/*
    	 * 这个读操作有多大？
    	 * 与用户请求的大小一样，或者等于剩余数据的大小。
    	 */
    	amt = MIN(uio-uio_resid, (echomsg-len - uio-uio_offset  0) ?
    	    echomsg-len - uio-uio_offset : 0);
    	if ((err = uiomove(echomsg-msg + uio-uio_offset,amt,uio)) != 0) {
    		uprintf("uiomove failed!\n");
    	}
    	return(err);
    }

    /*
     * echo_write接受一个字符串并将它保存到缓冲区，用于以后的访问。
     */

    int
    echo_write(dev_t dev, struct uio *uio, int ioflag)
    {
    	int err = 0;

    	/* 将字符串从用户空间的内存复制到内核空间 */
    	err = copyin(uio-uio_iov-iov_base, echomsg-msg,
    	    MIN(uio-uio_iov-iov_len, BUFFERSIZE - 1));

    	/* 现在需要以null结束字符串，并记录长度 */
    	*(echomsg-msg + MIN(uio-uio_iov-iov_len, BUFFERSIZE - 1)) = 0;
    	echomsg-len = MIN(uio-uio_iov-iov_len, BUFFERSIZE);

    	if (err != 0) {
    		uprintf("Write failed: bad address!\n");
    	}
    	count++;
    	return(err);
    }

    DEV_MODULE(echo,echo_loader,NULL);

例 2. 适用于FreeBSD 5.X回显伪设备驱动程序实例

    /*
     * 简单‘echo’伪设备 KLD
     *
     * Murray Stokely
     *
     * 此代码由Søren (Xride) Straarup转换到5.X
     */

    #include sys/types.h
    #include sys/module.h
    #include sys/systm.h  /* uprintf */
    #include sys/errno.h
    #include sys/param.h  /* kernel.h中用到的定义 */
    #include sys/kernel.h /* 模块初始化中使用的类型 */
    #include sys/conf.h   /* cdevsw结构 */
    #include sys/uio.h    /* uio结构 */
    #include sys/malloc.h

    #define BUFFERSIZE 256

    /* 函数原型 */
    static d_open_t      echo_open;
    static d_close_t     echo_close;
    static d_read_t      echo_read;
    static d_write_t     echo_write;

    /* 字符设备入口点 */
    static struct cdevsw echo_cdevsw = {
    	.d_version = D_VERSION,
    	.d_open = echo_open,
    	.d_close = echo_close,
    	.d_read = echo_read,
    	.d_write = echo_write,
    	.d_name = "echo",
    };

    typedef struct s_echo {
    	char msg[BUFFERSIZE];
    	int len;
    } t_echo;

    /* 变量 */
    static struct cdev *echo_dev;
    static int count;
    static t_echo *echomsg;

    MALLOC_DECLARE(M_ECHOBUF);
    MALLOC_DEFINE(M_ECHOBUF, "echobuffer", "buffer for echo module");

    /*
     * 这个函数被kld[un]load(2)系统调用来调用,
     * 以决定加载和卸载模块时需要采取的动作.
     */

    static int
    echo_loader(struct module *m, int what, void *arg)
    {
    	int err = 0;

    	switch (what) {
    	case MOD_LOAD:                /* kldload */
    		echo_dev = make_dev(echo_cdevsw,
    		    0,
    		    UID_ROOT,
    		    GID_WHEEL,
    		    0600,
    		    "echo");
    		/* kmalloc分配供驱动程序使用的内存 */
    		echomsg = malloc(sizeof(t_echo), M_ECHOBUF, M_WAITOK);
    		printf("Echo device loaded.\n");
    		break;
    	case MOD_UNLOAD:
    		destroy_dev(echo_dev);
    		free(echomsg, M_ECHOBUF);
    		printf("Echo device unloaded.\n");
    		break;
    	default:
    		err = EOPNOTSUPP;
    		break;
    	}
    	return(err);
    }

    static int
    echo_open(struct cdev *dev, int oflags, int devtype, struct thread *p)
    {
    	int err = 0;

    	uprintf("Opened device \"echo\" successfully.\n");
    	return(err);
    }

    static int
    echo_close(struct cdev *dev, int fflag, int devtype, struct thread *p)
    {
    	uprintf("Closing device \"echo.\"\n");
    	return(0);
    }

    /*
     * read函数接受由echo_write()存储的buf，并将其返回到用户空间，
     * 以供其他函数访问。
     * uio(9)
     */

    static int
    echo_read(struct cdev *dev, struct uio *uio, int ioflag)
    {
    	int err = 0;
    	int amt;

    	/*
    	 * 这个读操作有多大？
    	 * 等于用户请求的大小，或者等于剩余数据的大小。
    	 */
    	amt = MIN(uio-uio_resid, (echomsg-len - uio-uio_offset  0) ?
    	     echomsg-len - uio-uio_offset : 0);
    	if ((err = uiomove(echomsg-msg + uio-uio_offset, amt, uio)) != 0) {
    		uprintf("uiomove failed!\n");
    	}
    	return(err);
    }

    /*
     * echo_write接受一个字符串并将它保存到缓冲区, 用于以后的访问.
     */

    static int
    echo_write(struct cdev *dev, struct uio *uio, int ioflag)
    {
    	int err = 0;

    	/* 将字符串从用户空间的内存复制到内核空间 */
    	err = copyin(uio-uio_iov-iov_base, echomsg-msg,
    	    MIN(uio-uio_iov-iov_len, BUFFERSIZE - 1));

    	/* 现在需要以null结束字符串，并记录长度 */
    	*(echomsg-msg + MIN(uio-uio_iov-iov_len, BUFFERSIZE - 1)) = 0;
    	echomsg-len = MIN(uio-uio_iov-iov_len, BUFFERSIZE);

    	if (err != 0) {
    		uprintf("Write failed: bad address!\n");
    	}
    	count++;
    	return(err);
    }

    DEV_MODULE(echo,echo_loader,NULL);

在FreeBSD 4.X上安装此驱动程序，你将首先需要用如下命令在 你的文件系统上创建一个节点：

    # mknod /dev/echo c 33 0

驱动程序被加载后，你应该能够键入一些东西，如：

    # echo -n "Test Data" > /dev/echo
    # cat /dev/echo
    Test Data

真正的硬件设备在下一章描述。

补充资源

- Dynamic Kernel Linker (KLD) Facility Programming Tutorial - Daemonnews October 2000

- How to Write Kernel Drivers with NEWBUS - Daemonnews July 2000

## 9.5. 块设备(消亡中)

其他UNIX®系统支持另一类型的磁盘设备，称为块设备。块设备是内核 为它们提供缓冲的磁盘设备。这种缓冲使得块设备几乎没有用，或者说非常 不可靠。缓冲会重新安排写操作的次序，使得应用程序丧失了在任何时刻及时 知道准确的磁盘内容的能力。这导致对磁盘数据结构（文件系统，数据库等）的 可预测的和可靠的崩溃恢复成为不可能。由于写操作被延迟，内核无法向应用 程序报告哪个特定的写操作遇到了写错误，这又进一步增加了一致性问题。 由于这个原因，真正的应用程序从不依赖于块设备，事实上，几乎所有访问 磁盘的应用程序都尽力指定总是使用字符（或"raw"）设备。 由于实现将每个磁盘（分区）同具有不同语义的两个设备混为一谈，从而致使 相关内核代码极大地复杂化，作为推进磁盘I/O基础结构现代化的一部分，FreeBSD 抛弃了对带缓冲的磁盘设备的支持。

## 9.6. 网络设备驱动程序

访问网络设备的驱动程序不需要使用设备节点。选择哪个驱动程序是 基于内核内部的其他决定而不是调用open()，对网络设备的使用通常由 系统调用socket(2)引入。

更多细节， 请参见 ifnet(9) 联机手册、 回环设备的源代码， 以及 Bill Paul 撰写的网络驱动程序。

Last modified on: February 18, 2025 by Fernando Apesteguía

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