========================== 作业 2——驱动 UART ========================== .. meta:: :description: 介绍操作系统 2 课程中的作业 2——驱动 UART 的目标和要求，包括实现细节、测试等内容。 :keywords: 操作系统, 内核编程, Linux, UART 驱动, 内核模块, 设备驱动程序 - 截止日期: :command:`2023 年 4 月 30 日，23:00` - 此作业为个人完成 作业目标 ======================= * 巩固设备驱动的知识 * 阅读硬件文档并在文档中追踪所需功能 * 使用中断；在中断上下文中使用非阻塞函数 * 使用缓冲区；同步 * 带参数的内核模块 任务描述 ========= 编写一个内核模块，实现串口 (`UART16550`) 的驱动程序。该设备驱动程序必须支持计算机中的两个标准串口, `COM1` 和 `COM2` (`0x3f8` 和 `0x2f8`，实际上是两个串口的整个 `8` 地址范围 `0x3f8-0x3ff` 和 `0x2f8-0x2ff`)。除了标准例程 (`open`, `read`, `write`, `close`) 外，驱动程序还必须支持使用 `ioctl` 操作 (`UART16550_IOCTL_SET_LINE`) 更改通信参数。 驱动程序必须使用中断来进行接收和发送，以减少延迟和 CPU 使用时间。 `read` 和 `write` 调用也必须是阻塞的。 :command:`不符合这些要求的作业将不予考虑。` 建议你为驱动程序中每个串行端口的读取例程使用一个缓冲区，并为写入例程使用另一个缓冲区。 当用户空间发起读取操作时，如果内核的读缓冲区为空，没有数据可读，那么阻塞读调用将会等待，直到 :command:`至少` 有一个字节被读取。同样，当用户空间发起写入操作时，如果内核的写缓冲区已满，没有空间可写，那么阻塞写调用也将会等待，直到 :command:`至少` 有一个字节被写入。 缓冲区方案 -------------- .. image:: ../img/buffers-scheme.png 各个缓冲区之间的数据传输是 `生产者-消费者 `__ 问题。例如： - 如果从进程写入设备，则进程是生产者，设备是消费者；如果消费者缓冲区没有剩余空间，则进程将被阻塞，直到消费者缓冲区至少有一个空闲空间为止。 - 如果从设备读取数据到进程中，则进程是消费者，设备是生产者；如果生产者缓冲区没有内容，进程将被阻塞，直到生产者的缓冲区中至少有一个元素为止。 实现细节 ====================== - 该驱动程序以名为 :command:`uart16550.ko` 的内核模块形式实现。 - 该驱动程序是字符设备驱动，会根据传递给加载模块的参数，提供不同的功能操作。 - `major` 参数指定设备必须注册的主设备号。 - `option` 参数指定驱动程序的工作方式： - OPTION_BOTH：还会注册 COM1 和 COM2，主设备号由 `major` 参数给出，次设备号为 0（对应 COM1）和 1（对应 COM2）； - OPTION_COM1：仅注册 COM1，主设备号为 `major`，次设备号为 0。 - OPTION_COM2：仅注册 COM2，主设备号为 `major`，次设备号为 1。 - 如果你不熟悉如何在 Linux 中传递参数，请参阅 `tldp `__。 - 默认值为 `major=42` 和 `option=OPTION_BOTH`。 - COM1 关联的中断号为 4 (`IRQ_COM1`)，COM2 关联的中断号为 3 (`IRQ_COM2`) - 需要使用 `header `__ 中的定义来进行特殊操作。 - 在实现读/写例程时，可以参考大写/小写字符设备驱动程序的 `示例 `__；唯一的区别是你需要使用两个缓冲区，一个用于读取，另一个用于写入。 - 可以使用 `kfifo `__ 作为缓冲区。 - 不需要使用延迟函数从端口读取/写入数据（可以在中断上下文中完成所有操作）。 - 需要在读/写例程与中断处理例程之间进行同步，以使例程成为阻塞例程；建议使用 `等待队列进行同步 `__。 - 为了使作业正常工作，必须禁用 `默认串口驱动程序`： - `cat /proc/ioports | grep serial` 可以检测到默认驱动程序是否存在于定义 COM1 和 COM2 的区域。 - 为了停用它，必须重新编译内核，可以将串口驱动程序设置为模块，或者完全停用它（虚拟机上已经进行了这个修改）。 - `Device Drivers -> Character devices -> Serial driver -> 8250/16550 and compatible serial support.` 测试 ======= 为了简化作业评估过程，同时也为了减少提交作业时的错误，作业评估将通过一个名为 `_checker` 的 `测试脚本 `__ 自动进行。测试脚本假定内核模块名为 `uart16550.ko`。 快速开始 ========== 你必须从 `src `__ 目录中的代码模板开始实现作业。模板中只有一个名为 `uart16550.h `__ 的头文件。你需要提供其余的实现。你可以添加任意数量的 `*.c` 源文件和额外的 `*.h` 头文件。你还应该提供一个名为 `uart16550.ko` 的 Kbuild 文件来编译内核模块。请按照 `作业仓库 `__ 的 `README.md 文件 `__ 中的说明进行操作。 提示 ---- 要想增加获得最高分的机会，请阅读并遵循 Linux 内核中描述的 `编码风格规范 `__。 此外，使用以下静态分析工具来验证代码： - checkpatch.pl .. code-block:: console $ linux/scripts/checkpatch.pl --no-tree --terse -f /path/to/your/list.c - sparse .. code-block:: console $ sudo apt-get install sparse $ cd linux $ make C=2 /path/to/your/list.c - cppcheck .. code-block:: console $ sudo apt-get install cppcheck $ cppcheck /path/to/your/list.c 扣分规则 ---------- 有关作业扣分的信息可以在“基本说明页面 `__ 上找到。 在特殊情况下（作业通过了测试但不符合要求），以及如果作业未全部通过测试，成绩可能会降低得更多。 提交作业 ------------------------ 作业将由 `vmchecker-next `__ 基础设施自动评分。提交作业将在 moodle 的 `课程页面 `__ 上与相关作业相关联。你可以在 `仓库 `__ 的 `README.md 文件 `__ 中找到提交详细信息。 资源 ========= - 串口文档可以在 `tldp `__ 上找到。 - `寄存器表 `__ - `16550 数据手册 `__ - `备选文档 `__ 我们建议你使用 GitLab 存储作业。请按照 `README `__ 中的说明操作。 问题 ========= 如有相关问题，你可以参考邮件 `列表存档 `__ 或在专用的 Teams 频道上提问。