为什么Linux中的设备驱动程序需要在内核模式下运行？

Question

假设我有一个通过USB端口连接到计算机的设备，我创建了一个应用程序来与这个设备通信。在这个应用程序中，我使用USB驱动程序与设备通信。

后来，我决定我的应用程序不想直接与USB驱动程序通信，所以我从我的应用程序中删除了与USB驱动程序通信的代码，创建了一个包含这些代码的设备驱动程序，所以现在我的应用程序将与新创建的设备驱动程序进行通信。

现在我读到Linux中的设备驱动程序需要在内核模式下运行。但这是为什么？

我的意思是当我的应用程序直接与USB驱动程序通信时，它是在用户模式下运行的。那么，为什么当我将与USB驱动程序通信的代码移动到设备驱动程序时，现在设备驱动程序需要在内核模式下运行，为什么设备驱动程序也不能在用户模式下运行呢？

Answer 1

移动的代码仍然可以在userland中运行，只是它不是一个驱动程序，而是一个库或类似的程序。我相信你所谓的驱动程序的名字是错误的，实际上不是一个驱动程序，只是一个中间共享库之类的。

设备驱动程序能够访问特权函数，并且可以访问用户软件不能访问的东西。这就是为什么它们必须处于内核模式。这也是为什么他们受到更多的审查，更难加载和运行，因为他们可能会造成麻烦。不可靠的驱动程序能够死锁一个系统，并可能使系统不稳定，没有办法让操作系统关闭它。

如果您有一组不需要该特权访问的代码，那么将其构建为驱动程序是毫无意义的。这就像在搬动家具之前试图获得建筑许可一样，很多麻烦都没有好处。

Answer 2

现在我读到Linux中的设备驱动程序需要在内核模式下运行。但为什么？..。为什么设备驱动程序不能在用户模式下运行？

驱动程序在内核模式下运行，而应用程序以用户模式运行，原因很多。例如

• 驱动程序需要以可预测的方式对服务设备I/O具有较高的优先级(否则会有丢失某些数据的风险)。例如，驱动程序可能需要在不引起页面错误的情况下运行。将驱动程序内存放入内核是实现这一目的的简单方法之一。(事实上，这当然要复杂得多:通常驱动程序有少量的超高优先级代码，以及一些在内核中运行的不太关键的额外代码，以及两个共享内存。)
• I/O指令和设备内存映射的I/O地址通常不受应用程序代码的保护，因此不允许应用程序直接访问这些资源。强制应用程序使用内核/系统调用允许操作系统在多个应用程序之间，甚至在多台虚拟机之间共享设备。
• 让应用程序使用内核/系统读写接口来访问设备允许设备替换和升级设备驱动程序，而不依赖于应用程序。

相反，应用程序通常在用户模式下运行，从底层设备及其实现中获得一定程度的抽象。

我的意思是当我的应用程序直接与USB驱动程序通信时，它是在用户模式下运行的。

是的，但是应用程序与USB驱动程序的通信是通过内核/系统调用完成的，所以内核就是其中的一部分。此外，USB驱动程序本身通常在内核中；只有用于访问它们的库例程在应用程序或应用程序使用的库中。

如果编写自己的设备驱动程序，则可以将应用程序的所有功能放入设备驱动程序中，因此根本不需要用户模式应用程序。然而，由于许多原因，这通常不是一个很好的功能结构。例如，诸如分离关注之类的准则将被违反。

Answer 3

在Linux中，设备驱动程序不需要在内核模式下运行。完全有可能在用户模式下运行驱动程序。

例如，libusb库的目的是在用户模式下编写与操作系统无关的USB驱动程序.几乎所有的打印机驱动程序都处于用户模式。图形堆栈的一部分处于用户模式(尽管其中的多少以及边界往往每10-15年左右移动一次)。FUSE的目的是在用户模式下编写文件系统驱动程序。

如果您要问的是为什么设备驱动程序必须处于内核模式，那么答案是:它们不需要。在诸如Linux这样的单块内核中，它们往往是，但在微内核中，内核只提供最小的功能(虚拟内存、任务调度)，其余的功能都在用户空间中实现。在nanokernels和exokernels中，内核中甚至更少:基本上，内核所做的唯一事情就是对资源的顺序访问。它甚至不能管理内存。

最后但并非最不重要的是，没有内核OSs，那里甚至没有内核:所有东西都在用户空间中运行。