／ｐｒｏｃ文件系統(tǒng)在實(shí)時(shí)系統(tǒng)ＲＴＡＩ中的應(yīng)用

摘要：／proc文件系統(tǒng)是一個(gè)特殊的、由軟件創(chuàng)建的文件系統(tǒng)，內(nèi)核使用此文件系統(tǒng)可以向外部輸出信息。在進(jìn)行Linux和實(shí)時(shí)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)時(shí)，用戶經(jīng)常會(huì)使用內(nèi)核變量，獲取內(nèi)核信息。文章分析了利用／proe文件系統(tǒng)獲取內(nèi)核信息的方法以及／proc文件系統(tǒng)在實(shí)時(shí)系統(tǒng)RTAI中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：／proc文件系統(tǒng)；Linux；內(nèi)核信息；RTAI

0 引言

／proc文件系統(tǒng)是Linux向用戶提供系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)的一個(gè)偽文件系統(tǒng)，它包含許多文件，可用于監(jiān)視、調(diào)試或更改運(yùn)行中內(nèi)核的參數(shù)。對(duì)于內(nèi)核信息的獲取，一般僅使用其中的一部分文件。對(duì)這些文件執(zhí)行的讀操作，會(huì)被，proc文件系統(tǒng)定位到一個(gè)內(nèi)核函數(shù)。本文通過(guò)對(duì)Linux系統(tǒng)內(nèi)核現(xiàn)有通信機(jī)制的研究，介紹利用／proc文件系統(tǒng)輸出內(nèi)核信息的方法以及在實(shí)時(shí)系統(tǒng)RTAI中利用／proc文件系統(tǒng)控制實(shí)時(shí)任務(wù)的方法。

1／proc文件系統(tǒng)概述

Linux系統(tǒng)中的/proc文件系統(tǒng)是進(jìn)程文件系統(tǒng)和內(nèi)核文件系統(tǒng)組成的復(fù)合體，它將內(nèi)核數(shù)據(jù)對(duì)象化為文件形式進(jìn)行存取，通過(guò)文件系統(tǒng)接口實(shí)現(xiàn)，用于輸出系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)；以文件系統(tǒng)的形式為操作系統(tǒng)和應(yīng)用進(jìn)程之間的通信提供了一個(gè)界面，使應(yīng)用程序能夠安全、方便地獲得系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)和內(nèi)核的數(shù)據(jù)信息，并且可以修改某些系統(tǒng)的配置信息。

／proc文件系統(tǒng)主要分成兩個(gè)部分：一部分是和進(jìn)程相關(guān)的目錄部分，在實(shí)現(xiàn)時(shí)將這部分稱為base部分；另一部分是把／proc根下面的其他目錄和文件，又分為兩部分，一是/proc下的子目錄，另一是／proc下的文件，如cpuinfo等。這三部分是通過(guò)不同的初始化函數(shù)完成初始化的。/proe目錄下的每一個(gè)文件都與內(nèi)核函數(shù)緊密相連，當(dāng)文件被讀取時(shí)內(nèi)核函數(shù)生成文件的“內(nèi)容”。/proe文件系統(tǒng)是動(dòng)態(tài)的，可以在其中創(chuàng)建自己的/proc文件，獲取所需內(nèi)核信息。

Linux系統(tǒng)啟動(dòng)后，創(chuàng)建了由proc_dir_entry{}結(jié)構(gòu)形成的文件系統(tǒng)樹(shù)。在／proc文件系統(tǒng)中，代表各個(gè)文件節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)是proc_dir_entry{}結(jié)構(gòu)，它描述一個(gè)／proc文件系統(tǒng)中目錄結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)在整個(gè)目錄結(jié)構(gòu)中或是一個(gè)文件，或是一個(gè)目錄，通過(guò)指針將大量的proc_dir_entry{}節(jié)點(diǎn)組成樹(shù)狀結(jié)構(gòu)。和一般文件系統(tǒng)不同的是，它修改的并不是硬盤(pán)上的文件，而是在系統(tǒng)啟動(dòng)之后內(nèi)存中由內(nèi)核動(dòng)態(tài)創(chuàng)建的文件。因此在系統(tǒng)關(guān)閉之后，／proc文件系統(tǒng)中的文件就不存在了。proc_dir_entry{}結(jié)構(gòu)提供了對(duì)文件內(nèi)容的讀寫(xiě)所需要的函數(shù)指針，即管理著從操作系統(tǒng)的用戶空間到核心空間對(duì)文件讀寫(xiě)的驅(qū)動(dòng)。每當(dāng)從用戶空間讀取，proc目錄下的文件時(shí)，內(nèi)核根據(jù)讀取的文件映射到對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)，動(dòng)態(tài)地獲取內(nèi)核數(shù)據(jù)。除了提供讀的功能，／proe文件系統(tǒng)的部分文件還提供寫(xiě)的功能，在Linux2．4系統(tǒng)中主要是針對(duì)/proc／sys目錄而做的。對(duì)/proc文件系統(tǒng)的寫(xiě)操作并不是寫(xiě)硬盤(pán)等硬件設(shè)備，而是動(dòng)態(tài)更改內(nèi)核中的數(shù)據(jù)，達(dá)到監(jiān)視內(nèi)核運(yùn)行狀態(tài)的目的。

2 ／proc目錄下文件節(jié)點(diǎn)的讀寫(xiě)操作流程(以讀為例)

讀／proc文件系統(tǒng)中的文件，是通過(guò)層層調(diào)用，最終操作內(nèi)核變量的讀函數(shù)，將內(nèi)核信息收集到字符型指針?biāo)赶虻木彌_區(qū)中。也就是說(shuō)，用戶進(jìn)程通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用read(讀文件)進(jìn)入系統(tǒng)態(tài)，執(zhí)行sys_read內(nèi)核函數(shù)；

asmtinkage ssize_t sys_read(unsigned int fd，char*buf，

size_t count)

{…

ssize_t ret；

struct file*file；

file=get(fd)；

ret＝file->read(file，buf，count，file->f_pos)；

}

可見(jiàn)，文件讀操作進(jìn)入到核心態(tài)后，執(zhí)行的是file結(jié)構(gòu)中函數(shù)跳轉(zhuǎn)表f_op中的read指針?biāo)傅暮瘮?shù)。

file->f_op函數(shù)跳轉(zhuǎn)表值來(lái)源于inode結(jié)構(gòu)中的i_fop；

在訪問(wèn)文件的過(guò)程中，dentry_open函數(shù)將文件索引節(jié)點(diǎn)中函數(shù)跳轉(zhuǎn)表i_fop值賦給file結(jié)構(gòu)中的f_op。

struct file *dentry_open(struct dentry*dentry，

struct vfsmount *mnt，int flags)

{struct file *f；

struct inode *inode；

inode=dentry->d_inode；

f->f_op=fops_get(jnode->ffop)；

return f；

}

inode結(jié)構(gòu)中的i_fop值來(lái)源于proc_dir_entry中的proc_fops；

在創(chuàng)建／proc文件系統(tǒng)中文件的inode節(jié)點(diǎn)時(shí)，函數(shù)proc_get_inode將文件對(duì)應(yīng)的proc_dir_entry中的proc_fops值賦給inode結(jié)構(gòu)中的i_fop。

struct inode *proc_get_inode(struct super_block *sb，int ino，

struct proc_dir_entry*de)

{struct inode *inode；

inode=iget(sb，ino)：

inode->u．generic_ip=(void*)de；

if(de->proc_fops)

inode->i fop=de->proc_fops；

return inode；

}

proc_dir_entry結(jié)構(gòu)中的proc_fops是proc_file_operations；

在文件．／linux／fs／proc/generic．c，proc_file_operations賦值為：

struct file_operations proc_file_operations=

{Ilseek：proc_file_lseek，

read：：proc_file_read，

write：proc file write，

}；

在創(chuàng)建文件的proc_dir_entry結(jié)構(gòu)時(shí)，函數(shù)proc_register將proc_file_operations值賦給proc_dir_entry結(jié)構(gòu)中的proc_fops。

static int proc_register(struct proc_dir_entry*dir，

struct proc_dir_entry*dp)

{…

if(dp->proc_fops==NULL)

dp->proc_fops=proc__file_operations；

}

proc_file_read函數(shù)執(zhí)行的是proc_dir_entry結(jié)構(gòu)中函數(shù)指針?biāo)傅暮瘮?shù)。

static ssize_t proc_file_read(struct file*file，

const char*buffer，size_t count，Ioff_t *ppos)

{struct inode *inode=file->f_dentry->d_inode；

struct proc dir entry *dp；

dp=(struct proc_dir_entry*)->inode->u．generic_ip；

if(!dp->write_proc)

return EIO；

return dp->read_proc(file，buffer，count，dp->data)；

}

proc_dir_entry結(jié)構(gòu)中proc_read函數(shù)指針賦值是在創(chuàng)建文件的proc_dir_entry結(jié)構(gòu)時(shí)進(jìn)行的。

文件.／include／linux／proc_fs.h

static inline struct proc_dir_entry *create_proc_read_entry(const

char*name，mode_t mode，struct proc_dir_entry*base，

read_proc_t*read_proc，void*data)

{struct proc_dir_entry*res=create_proc_entry(name，mode，base)；

if(res)

{res->read_proc=read_proc；

res->data=data；

}

return res；

}

函數(shù)create_proc_read_entry參數(shù)表中的參數(shù)read_proc是對(duì)應(yīng)內(nèi)核變量的讀函數(shù)。

3 使用／proc文件系統(tǒng)獲取內(nèi)核信息的方法

3．1修改／proc文件系統(tǒng)中原有的文件

/proc文件系統(tǒng)中，用戶進(jìn)程是直接打開(kāi)／proc文件來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)用相應(yīng)內(nèi)核函數(shù)的。當(dāng)查看/proc目錄下的文件時(shí)，這些文件會(huì)顯示出Linux系統(tǒng)內(nèi)部的一些信息。其實(shí)對(duì)它們進(jìn)行讀操作是調(diào)用了操作系統(tǒng)內(nèi)核中的一些對(duì)應(yīng)的函數(shù)，這些函數(shù)及時(shí)將所取的信息反饋給用戶或應(yīng)用程序。因此在內(nèi)核中改造讀文件函數(shù)，在讀/proc目錄下的對(duì)應(yīng)文件時(shí)，可以得到所需的數(shù)據(jù)。

例如對(duì)于/proc／loadavg文件來(lái)說(shuō)，讀文件指針指向loadavg_read_proc()函數(shù)。該函數(shù)的作用就是當(dāng)用戶讀／proc／loadavg文件時(shí)，將數(shù)組avenrum[]中積累的，即在過(guò)去1分鐘、5分鐘以及15分鐘的系統(tǒng)平均CPU負(fù)荷等統(tǒng)計(jì)信息通過(guò)spfintf()“打印”到緩沖區(qū)頁(yè)面中。我們可以把代碼加到諸如此類的文件中，由這些文件幫我們把所需的數(shù)據(jù)輸出來(lái)。修改完代碼后，重新編譯內(nèi)核即可。在這里，內(nèi)核到用戶的信息通過(guò)/proc文件系統(tǒng)來(lái)傳遞，但沒(méi)有在/proc目錄下創(chuàng)建新文件，而是借用Linux內(nèi)核代碼，從而得到所需的數(shù)據(jù)。這樣做的好處是減少對(duì)內(nèi)核的修改量，缺點(diǎn)是需重新編譯內(nèi)核。

3．2在／proc目錄下新建文件

3．2．1創(chuàng)建新／proc文件，利用read_proc操作

新創(chuàng)建的／proc文件要想被訪問(wèn)到，首先要在，proc文件系統(tǒng)中創(chuàng)建一個(gè)入口，這可以通過(guò)函數(shù)creat_proc_read_entry()來(lái)實(shí)現(xiàn)。

從上面分析可以看出，/proc目錄下的文件只提供了讀寫(xiě)操作，即只實(shí)現(xiàn)了proc dir entry{}結(jié)構(gòu)中對(duì)應(yīng)的read_proc操作，而沒(méi)有提供該結(jié)構(gòu)中的文件操作函數(shù)集，此時(shí)使用的是缺省的文件操作函數(shù)集。文件操作函數(shù)集struct file_operationsproc_file_operations中read對(duì)應(yīng)函數(shù)proc_file_read()，該函數(shù)的實(shí)現(xiàn)依賴于proc_dir_entry{}結(jié)構(gòu)中的read_proc函數(shù)。因此若注冊(cè)自己的／proc文件，在沒(méi)有設(shè)置proc_fops文件操作函數(shù)集時(shí)，需實(shí)現(xiàn)read_proc()，否則缺省的proc file read()函數(shù)將做不了任何工作。所以，當(dāng)創(chuàng)建只讀的／proc文件時(shí)，程序中必須實(shí)現(xiàn)proc_dir_entry{}結(jié)構(gòu)中的read_proc()函數(shù)。

read_proc()函數(shù)的特點(diǎn)是：／proc文件系統(tǒng)首先通過(guò)sprintf()函數(shù)將要獲取的參數(shù)轉(zhuǎn)換成字符串寫(xiě)入內(nèi)核中臨時(shí)分配的一個(gè)空頁(yè)，然后再將該頁(yè)用copy_to_user()送到用戶空間，最后釋放該頁(yè)。實(shí)際上，大部分內(nèi)核參數(shù)都是整型或長(zhǎng)整型的。/proc文件系統(tǒng)將內(nèi)核數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成字符串是為了方便用戶閱讀。

3．2．2創(chuàng)建新／proc文件，使用文件操作函數(shù)集

創(chuàng)建/proc文件的方法與創(chuàng)建字符設(shè)備文件的方法非常相似。首先創(chuàng)建一個(gè)proc_dir_entry{}結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包含了/proc文件需要的所有信息。然后通過(guò)create_proc_entry()函數(shù)向內(nèi)核注冊(cè)這個(gè)結(jié)構(gòu)，而remove_proc_entry()函數(shù)將取消它的注冊(cè)。proc_dir_entry{)結(jié)構(gòu)中描述了／proc文件的全部信息。這里最重要的是該結(jié)構(gòu)中的proc_fops項(xiàng)，這是一個(gè)指向file_operations結(jié)構(gòu)的指針，可以把對(duì)／proc文件的讀寫(xiě)等操作放在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)／proc文件的讀寫(xiě)等功能。代碼如下：

int ssize_t procread(struct file*file，char*buf，aize_t len，loff_t*offset)； static ssize_t procwrite(struct file*file，char*buf，aize_t Ien，

loff_t *offset)；

static struct file_operations procfop=

{read：procread，

write：procwrite，

}；

static int init_routine(void)

{struct proc_dir_entry *entry；

entry=create_proc_entry(\"test\"，S_IRUSRIS_IwUSR，NULL)；

entry->proc_fops=procfop；

rutern；

}

4 ／proc文件系統(tǒng)在RTAI中的應(yīng)用

RTAI是實(shí)時(shí)應(yīng)用接口Real-Time Application Interface的縮寫(xiě)，提供了一個(gè)基于Linux的實(shí)時(shí)方案。RTAI利用Linux提供的可加載內(nèi)核模塊機(jī)制來(lái)提供服務(wù)，完成實(shí)時(shí)功能。模塊經(jīng)過(guò)加載，成為內(nèi)核的一部分，但是并沒(méi)有被編譯到內(nèi)核里面去。它們被分別編譯并連接成一組目標(biāo)文件，這些文件能被插入到正在運(yùn)行的內(nèi)核，或從正在運(yùn)行的內(nèi)核中移走。RTAI提供的主要模塊有RTAI主模塊、RTAI調(diào)度器模塊、RTAI命名管道fifo模塊及RTAI共享內(nèi)存模塊等。

4．1利用／proc文件系統(tǒng)用戶獲取實(shí)時(shí)內(nèi)核的信息

RTAI主模塊是RTAI的核心模塊，它是其他模塊的基礎(chǔ)。要加載其他模塊，首先必須加載這個(gè)模塊，沒(méi)有它，任何實(shí)時(shí)任務(wù)都不能完成。當(dāng)這個(gè)模塊被加載后，在／proc目錄下會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)rtai子目錄，在其他模塊如rtai_sched、rtai_fifos等模塊加載后，rtai子目錄下又有rtai、scheduler、fifos等文件?？梢酝ㄟ^(guò)命令cat讀取實(shí)時(shí)系統(tǒng)RTAI的有關(guān)信息，主要由…／rtai-x．x．x／arch／i386／rtai．c文件中的函數(shù)實(shí)現(xiàn)其功能：

struct proc dir entry *rtai_proc_root=NULL；

static int rtai_proc_register(void)

{…

rtai_proc_root=create_proc_entry(“rtai”，S_IFDIR，0)；

ent=create_proc_entry(“rtai”，S_IFREGIS_IRUGOIS_IwUSR，

rtai_proc_root)；

ent->read proc=rtai_read_rtai；

}

4．2 利用／proc文件系統(tǒng)控制實(shí)時(shí)任務(wù)

利用/proc文件系統(tǒng)write_proc函數(shù)可以修改內(nèi)核數(shù)據(jù)，控制實(shí)時(shí)任務(wù)。首先使用create_proc_entry函數(shù)在／proc文件系統(tǒng)中創(chuàng)建一個(gè)虛擬文件，這個(gè)函數(shù)可以接收一個(gè)文件名、一組權(quán)限和這個(gè)文件在，proc文件系統(tǒng)中出現(xiàn)的位置。create_proc_entry的返回值是一個(gè)proc_dir_entry指針(或者為NULL，說(shuō)明在create時(shí)發(fā)生了錯(cuò)誤)。然后就可以使用這個(gè)返回的指針來(lái)配置這個(gè)虛擬文件的其他參數(shù)，例如在對(duì)該虛擬文件執(zhí)行寫(xiě)操作時(shí)應(yīng)該調(diào)用的write_proc函數(shù)。通過(guò)/proc文件的write_proc函數(shù)，修改內(nèi)核中可以控制實(shí)時(shí)任務(wù)執(zhí)行的變量，從而達(dá)到控制實(shí)時(shí)任務(wù)的目的。

5 結(jié)束語(yǔ)

Linux、RTAI都是開(kāi)放源代碼的，我們可以采取任何能想到的方法對(duì)它進(jìn)行分析和改進(jìn)，這是開(kāi)放源代碼提供給我們研究和學(xué)習(xí)的便利。但也應(yīng)注意避免向內(nèi)核中帶入一些難以發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤。本文所提出的利用／proc文件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)監(jiān)控和實(shí)時(shí)任務(wù)控制的方法，簡(jiǎn)單易行，用于開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序非常方便。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。