作业 2——驱动 UART

  • 截止日期: 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。 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 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 至少 有一个字节被写入。

缓冲区方案

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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 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
$ linux/scripts/checkpatch.pl --no-tree --terse -f /path/to/your/list.c
  • sparse
$ sudo apt-get install sparse
$ cd linux
$ make C=2 /path/to/your/list.c
  • cppcheck
$ 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 <https://ocw.cs.pub.ro/courses/so2/teme/general>`__ 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

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。