Linux驱动笔试知识

修心养性的bug

1141人浏览 · 2022-10-18 22:10:41

修心养性的bug · 2022-10-18 22:10:41 发布

Linux驱动笔试知识

1.Linux设备中字符设备与块设备有什么主要的区别？请分别列举一些实际的设备说出它们是属于哪一类设备

字符设备字符设备是个能够像字节流（类似文件）一样被访问的设备，字符设备驱动程序通常至少实现open,close,read和write系统调用。字符终端、串口、鼠标、键盘、摄像头、声卡和显卡等就是典型的字符设备

块设备和字符设备类似，块设备也是通过/dev目录下的文件系统节点来访问。块设备上能够容纳文件系统，如：u盘，SD卡，磁盘等，可以任意存取字节数的字符设备

网络设备可以是一个硬件设备，或者是软件设备，他没有相应的read write，它是面向流的一种特殊设备。

2.驱动的加载过程

驱动的加载分为静态，和动态加载

静态加载是指把驱动直接编译到内核中，这种加载方式比较麻烦，特别是我们需要修改驱动的时候，就需要每次都编译内核，编译内核是比较费时间的

动态加载是指我们使用insmod命令，可以在系统启动后用insmod命令添加模块（.ko），在不需要的时候用rmmod命令卸载模块，采用这种动态加载的方式便于驱动程序的调试，同时可以针对产品的功能需求，进行内核的裁剪，将不需要的驱动去除，大大减小了内核的存储容量

3、Linux中引入模块机制有什么好处？

首先，模块是预先注册自己以便服务于将来的某个请求，然后他的初始化函数就立即结束。换句话说，模块初始化函数的任务就是为以后调用函数预先作准备。

好处：

应用程序在退出时，可以不管资源的释放或者其他的清除工作，但是模块的退出函数却必须仔细此

撤销初始化函数所作的一切。

该机制有助于缩短模块的开发周期。即：注册和卸载都很灵活方便。

4、copy_to_user()和copy_from_user()主要用于实现什么功能？一般用于file_operations结构的哪些函数里面？

由于内核空间和用户空间是不能互相访问的，如果需要访问就必须借助内核函数进行数据读写。

copy_to_user():完成内核空间到用户空间的复制，copy_from_user()：是完成用户空间到内核空间的

复制。一般用于file_operations结构里的read,write,ioctl等内存数据交换作用的函数。当然，如果

ioctl没有用到内存数据复制，那么就不会用到这两个函数。

5、请简述主设备号和次设备号的用途。

如果执行mknod chartest c 4 64，创建chartest设备。请分析chartest使用的是那一类设备驱动程序。

1）主设备号：主设备号标识设备对应的驱动程序。虽然现代的linux内核允许多个驱动程序共享主设

备号，但我们看待的大多数设备仍然按照“一个主设备对应一个驱动程序”的原则组织。

次设备号：次设备号由内核使用，用于正确确定设备文件所指的设备。依赖于驱动程序的编写方式，

我们可以通过次设备号获得一个指向内核设备的直接指针，也可将此设备号当作设备本地数组的索

引。

2）chartest 由驱动程序4管理，该文件所指的设备是64号设备。（感觉类似于串口终端或者字符设备

终端）。

6、设备驱动程序中如何注册一个字符设备？分别解释一下它的几个参数的含义。

注册一个字符设备驱动有两种方法：

**1） void cdev_init(struct cdev cdev, struct file_operations fops)

该注册函数可以将cdev结构嵌入到自己的设备特定的结构中。cdev是一个指向结构体cdev的指针，而

fops是指向一个类似于file_operations结构（可以是file_operations结构，但不限于该结构）的指

针.

**2） int register_chrdev(unsigned int major, const char namem , struct file)operations fopen);

该注册函数是早期的注册函数，major是设备的主设备号，name是驱动程序的名称，而fops是默认的

file_operations结构（这是只限于file_operations结构）。对于register_chrdev的调用将为给定的主设备号注册0－255作为次设备号，并为每个设备建立一个对应的默认cdev结构。

7.编写一个字符设备的流程

1.分配设备号

alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count,const char *name)

2.初始化结构体

cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)

3.添加到内核中

cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)

4.创建一个类

class_create(owner, name)

5.创建设备文件

device_create(struct class *class, struct device *parent, dev_t devt, void *drvdata, const char *fmt, …)

8.请简述中断于DMA的区别。Linux设备驱动程序中，使用哪个函数注册和注销中断处理程序？

1）DMA：是一种无须CPU的参与就可以让外设与系统内存之间进行双向数据传输的硬件机制，使用DMA 可以使系统CPU从实际的I/O数据传输过程中摆脱出来，从而大大提高系统的吞吐率.

中断：是指CPU在执行程序的过程中，出现了某些突发事件时CPU必须暂停执行当前的程序，转去处理

突发事件，处理完毕后CPU又返回源程序被中断的位置并继续执行。

所以中断和DMA的区别就是DMA不需CPU参与而中断是需要CPU参与的。

2）中断注册函数和中断注销函数

注册中断：

int request_irq(unsigned int irq, irqreturn_t (handler)(int, void , struct pt_regs *),

unsigned long flags, const char *dev_name, void *dev_id);

参数意义依次是：中断号，中断处理函数，中断管理有关的掩码，中断请求设备名，中断信号线。

过程是：dev_name设备请求中断->cpu分配中断号->设置中断管理的掩码->分配中断信号线->处理中断 函数->完成之后再根据设置情况返回原处理程序处继续处理程序。

注销中断

Void free_irq(unsigned int irq, void *dev_id);

9.写一个中断服务需要注意哪些？如果中断产生之后要做比较多的事情你是怎么做的？

中断处理例程应该尽量短，把能放在后半段(tasklet，等待队列等)的任务尽量放在后半段。

写一个中断服务程序要注意快进快出，在中断服务程序里面尽量快速采集信息，包括硬件信息，然后

退出中断，要做其它事情可以使用工作队列或者tasklet方式。也就是中断上半部和下半部。

第二：中断服务程序中不能有阻塞操作。应为中断期间是完全占用CPU的（即不存在内核调度），中断

被阻塞住，其他进程将无法操作；

第三：中断服务程序注意返回值，要用操作系统定义的宏做为返回值，而不是自己定义的OK，FAIL之

类的。

10.自旋锁和信号量在互斥使用时需要注意哪些？在中断服务程序里面的互斥是使用自旋锁还是信号量？还是两者都能用？为什么？

使用自旋锁的进程不能睡眠，使用信号量的进程可以睡眠。

中断服务例程中的互斥使用的是自旋锁，原因是在中断处理例程中，硬中断是关闭的；但是要注意这

样会丢失可能到来的中断。

11.原子操作你怎么理解？为了实现一个互斥，自己定义一个变量作为标记来作为一个资源只有一个使用者行不行？

原子操作指的是无法被打断的操作。 atomic_t

第二句话的意思是：

定义一个变量,比如 int flag =0;

 if(flag == 0) 

 { 

    flag = 1; 

     操作临界区； 

     flag = 0; 

 }

12.insmod 一个驱动模块，会执行模块中的哪个函数？rmmod呢？这两个函数在设计上要注意哪些？遇到过卸载驱动出现异常没？是什么问题引起的？

insmod调用init函数，rmmod调用exit函数。

这两个函数在设计时要注意什么？

卸载模块时曾出现卸载失败的情形，原因是存在进程正在使用模块，检查代码后发现产生了死锁的问题。

要注意在init函数中申请的资源在exit函数中要释放，包括存储，ioremap，定时器，工作队列等

等。也就是一个模块注册进内核，退出内核时要清理所带来的影响，带走一切不留下一点痕迹。

13.驱动中操作物理绝对地址为什么要先ioremap?

因为内核没有办法直接访问物理内存地址，必须先通过ioremap获得对应的虚拟地址

14.设备驱动模型三个重要成员是？platfoem总线的匹配规则是？在具体应用上要不要先注册驱动再注册设备？有先后顺序没？

设备驱动模型三个重要成员是 总线、设备、驱动；

platfoem总线的匹配规则是：要匹配的设备和驱动都要注册；

15.linux内核里面，内存申请有哪几个函数，各自的区别？

kmalloc()

__get_free_page()

vmalloc()

kmalloc保证分配的内存在物理上是连续的,kmalloc能分配的大小有限,vmalloc和malloc能分配的大小相对较大

vmalloc保证的是在虚拟地址空间上的连续

内存只有在要被DMA访问的时候才需要物理上连续

vmalloc比kmalloc要慢

16.IRQ和FIQ有什么区别，在CPU里面是是怎么做的？

IRQ(Interrupt Request)：指中断模式。
FIQ(Fast Interrupt Request)：指快速中断模式。
IRQ与FIQ是ARM处理器的两种不同编程模式（ARM有7种处理模式）。

对FIQ你必须进快处理中断请求，并离开这个模式。
IRQ可以被FIQ所中断，但FIQ不能被IRQ所中断，在处理FIQ时必须要关闭中断。
FIQ的优先级比IRQ高。
FIQ模式下，比IRQ模式多了几个独立的寄存器。

不要小看这几个寄存器，ARM在编译的时候，如果你FIQ中断处理程序足够用这几个独立的寄存器来运作，它就不会进行通用寄存器的压栈，这样也省了一些时间。

FIQ的中断向量地址在0x0000001C，而IRQ的在0x00000018。(也有的在FFFF001C以及FFFF0018)

写过完整汇编系统的都比较明白这点的差别，18只能放一条指令，为了不与1C处的FIQ冲突，这个地方只能跳转，而FIQ不一样，1C以后没有任何中断向量表了，这样可以直接在1C处放FIQ的中断处理程序，由于跳转的范围限制，至少少了一条跳转指令。

IRQ和FIQ的响应延迟有区别

IRQ的响应并不及时，从Verilog仿真来看，IRQ会延迟几个指令周期才跳转到中断向量处，看起来像是在等预取的指令执行完。FIQ的响应不清楚，也许比IRQ快。

17.中断的上半部分和下半部分的问题：讲下分成上半部分和下半部分的原因，为何要分？讲下如何实现？

上半部分执行与硬件相关的处理要求快, 而有些驱动在中断处理程序中又需要完成大量工作,这构成矛盾,所以Linux有所谓的bottom half机制，中断处理程序中所有不要求立即完成的,在开中断的环境下, 由底半程序随后完成.

拿网卡来举例，在linux内核中，当网卡一旦接受到数据，网卡会通过中断告诉内核处理数据，内核会在网卡中断处理函数（上半部）执行一些网卡硬件的必要设置，因为这是在中断响应后急切要干的事情。接着，内核调用对应的下半部函数来处理网卡接收到的数据，因为数据处理没必要在中断处理函数里面马上执行，可以将中断让出来做更紧迫的事情

Linux的底半处理实际上是建立在内核的软中断机制上的.如何实现该机制？

两种方式

【tasklet 工作队列】

1.定义和初始化

struct tasklet_struct tlet;

tasklet_init(&tlet, jit_tasklet_fn, (unsigned long) data);

参数

第一个：定义的tasklet变量

第二个：函数

第三个：数据传递给回调函数的数据

定义函数void jit_tasklet_fn(unsigned long arg)

{

//中断的底半部执行该函数的时候，已经出中断了

printk(“in jit_tasklet_fn jiffies=%ld\n”,jiffies);

}

在需要调度的地方调用以下函数

tasklet_schedule(&tlet);

一般在中断函数当中调度在不晚于下一个时钟滴答之前执行

【tasklet 和定期器的区别】

\1. 执行时间

定时器的执行：时间是确定的

tasklet ：不确定的

2.tasklet 执行耗时的操作的

18.、内核函数mmap的实现原理，机制？

mmap函数实现把一个文件映射到一个内存区域，从而我们可以像读写内存一样读写文件，他比单纯调用read/write也要快上许多。在某些时候我们可以把内存的内容拷贝到一个文件中实现内存备份，当然，也可以把文件的内容映射到内存来恢复某些服务。另外，mmap实现共享内存也是其主要应用之一，mmap系统调用使得进程之间通过映射同一个普通文件实现共享内存。

19.驱动里面为什么要有并发、互斥的控制？如何实现？讲个例子？

并发（concurrency）指的是多个执行单元同时、并行被执行，而并发的执行单元对共享资源（硬件资源和软件上的全局变量、静态变量等）的访问则很容易导致竞态（raceconditions）。

解决竞态问题的途径是保证对共享资源的互斥访问，所谓互斥访问就是指一个执行单元在访问共享资源的时候，其他的执行单元都被禁止访问。

访问共享资源的代码区域被称为临界区，临界区需要以某种互斥机制加以保护，中断屏蔽，原子操作，自旋锁，和信号量都是linux设备驱动中可采用的互斥途径。

20.tasklet和workqueue区别？

tasklet运行于中断上下文，不允许阻塞、休眠，而workqueue运行与进程上下文，可以休眠和阻塞。

如果你需要用一个可以重新调度的实体来执行你的下半部处理，你应该使用工作队列，它是唯一能在进程上下文运行的下半部实现的机制，也只有它才可以睡眠，这意味着你在你需要获得大量的内存时，在你需要获取信号量时，在你需要执行阻塞式的IO操作时，它都会非常有用，如果你不需要用一个内核线程来推后执行工作，那么就考虑使用tasklet吧

21.spinlock自旋锁是如何实现的？

自旋锁在同一时刻只能被最多一个内核任务持有，所以一个时刻只有一个线程允许存在于临界区中。这点可以应用在多处理机器、或运行在单处理器上的抢占式内核中需要的锁定服务

22.信号量简介

这里也介绍下信号量的概念，因为它的用法和自旋锁有相似的地方。 Linux中的信号量是一种睡眠锁。如果有一个任务试图获得一个已被持有的信号量时，信号量会将其推入等待队列，然后让其睡眠。这时处理器获得自由去执行其它代码。当持有信号量的进程将信号量释放后，在等待队列中的一个任务将被唤醒，从而便可以获得这个信号量。

23.信号量和自旋锁的区别

信号量一般使用在等待时间较长，可以进入睡眠的场景

自旋锁不能进入睡眠，也就是说里面不能出现阻塞的函数，自旋锁如果得不到锁的话会一直在等待，不会进入睡眠，所以会占用较高的CPU，所以一般适用于等待时间比较短的场景

中断中可以有自旋锁，不能出现信号量

24.linux defconfig、 .config 、kconfig 与makefile？

deconfig 文件：

一般由平台厂商提供，内核编译用做.config的参考，注意：如果，缺少该文件，无法进行编译。文件位于：\kernel…\arch\arm\configs\xxx_defconfig

kconfig（菜单）

分布在各目录下的Kconfig构成了一个分布式的内核配置数据库，每个Kconfig分别描述了所属目录源

文件相关的内核配置菜单。在内核配置make menuconfig(或xconfig等)时，从Kconfig中读出配置菜

单，用户配置完后保存到.config(在顶层目录下生成)中。

makefile

分布在各个目录下，用于集成编译。

.config 文件（特色菜）

在内核编译时，主Makefile调用这个.config,用于或者用于的内核编译配置。当我们在内核源码目录下输入make menuconfig时，在出现的菜单界面中选择一项时，它会自动更新.config相应项的值。如果我们没有选择，则会在.config问下插入一行注释

25.platform设备模型的设计目的与匹配细节

设计目的

platform平台设备驱动是基于设备总线驱动模型的。Linux设备模型是对系统设备组织架构进行抽象的一个数据结构，旨在为设备驱动进行分层、分类、组织，更加有益于移植。降低设备多样性带来的Linux驱动开发的复杂度，以及设备热拔插处理、电源管理等。

平台设备匹配的依据是：

1）根据平台设备结构和平台驱动结构中的name成员进行匹配。-- 一个设备对应一个驱动

2）根据平台设备结构中的name和平台驱动中的id_table 成员中的列表进行匹配 --一个驱动对应多个设备

匹配过程：

以name匹配过程：

1）先安装驱动，再安装设备

安装驱动，把驱动结构存放在内核驱动链表上，当安装一个设备时，内核触发一个动作，把设备结构中的name取出来和驱动链表上的每一个结构中的name进行字符串比较，如果相同，则调用驱动中的探测函数

2）先安装设备，再安装驱动

安装设备，把设备结构存放在内核设备链表上，当安装一个驱动时，内核触发一个动作，把驱动结构

中的name取出来和设备链表上的每一个结构中的name进行字符串比较，如果相同，则调用驱动中的探

测函数。

当探测函数调用时，传递一个实际参数，这个参数就是和它匹配的平台设备结构的地址。这样就实现

两个层关联

26.介绍一下Linux设备树

DTS即DeviceTree Source 设备树源码,是一种描述硬件的数据结构，以树状节点的方式描述一个设备的各种硬件信息细节：CPU、GPIO、时钟、中断、内存等，形成类似文本文件dts，直接透过它传递给Linux，使得驱动程序与硬件分离，只需要修改dts文件，便能实现需求。设备树易于扩展，硬件有变动时不需要重新编译内核或驱动程序，只需要提供不一样的dtb文件。

27.U-boot的启动流程

第一阶段的功能：

硬件设备初始化；
加载u-boot第二阶段的代码到RAM空间；
设置好栈；
跳转到u-boot第二阶段代码的入口处；

第二阶段的功能：

初始化本阶段使用的硬件设备；
检测系统内存映射；
将Linux内核从Flash读取到RAM中；
为Linux内核设置启动参数；
调用Linux内核。

28.简述linux系统启动过程

Linux系统的启动过程并不是大家想象中的那么复杂，其过程可以分为5个阶段：

内核的引导。
运行 init。
系统初始化。
建立终端。
用户登录系统。

29.嵌入式设备，为加快启动速度，可以做哪些方面的优化？

linux默认的安装内核相当庞大，为了保证系统的兼容性和灵活性，支持热插拔操作，内核启动时要进行大量的硬件检测和初始化工作，而嵌入式的硬件都是固定的，只需要选择需要的硬件驱动就可以，不需要全部的硬件驱动都检测；因此可以进行适当的裁剪内核达到缩小启动linux系统的目的；同时可以统计驱动模块的耗时时间，对耗时较长的模块驱动加以分析，优化；