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第8章設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)基礎(chǔ)一、Linux驅(qū)動(dòng)程序概念

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核與機(jī)器硬件之間的接口。驅(qū)動(dòng)程序?yàn)閼?yīng)用程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)，在應(yīng)用程序看來，硬件設(shè)備只是一個(gè)設(shè)備文件，應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行操作。8.1設(shè)備驅(qū)動(dòng)概述每個(gè)設(shè)備都對(duì)應(yīng)一個(gè)設(shè)備文件，設(shè)備文件放在/dev目錄下。Linux對(duì)設(shè)備文件的訪問就是對(duì)硬件設(shè)備的操作。設(shè)備文件會(huì)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序?qū)τ布M(jìn)行操作。設(shè)備文件在用戶層看來就和普通文件沒有區(qū)別，也擁有讀、寫和執(zhí)行權(quán)限，擁有和它對(duì)應(yīng)的索引節(jié)點(diǎn)等。文件系統(tǒng)層處理請(qǐng)求的權(quán)限，通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)層的接口將任務(wù)傳到驅(qū)動(dòng)程序。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序一般應(yīng)具有以下功能：對(duì)硬件設(shè)備的初始化和釋放；對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理，提供對(duì)設(shè)備操作的統(tǒng)一接口；在設(shè)備和應(yīng)用程序之間傳送數(shù)據(jù)；檢測(cè)或處理設(shè)備出現(xiàn)的錯(cuò)誤。

嵌入式系統(tǒng)有許多設(shè)備用于與用戶交互。觸摸屏、小鍵盤、滾動(dòng)輪、傳感器、RS232接口、LCD等還有閃存、USB、GSM等專用設(shè)備。二、應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備的操作過程如下：通過系統(tǒng)調(diào)用open()打開具體的設(shè)備，建立以設(shè)備的連接。通過對(duì)文件的系統(tǒng)調(diào)用read()、write()、ioctl()等對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作。但是用戶進(jìn)程一般位于內(nèi)核之外，工作在用戶態(tài)，驅(qū)動(dòng)程序作為系統(tǒng)內(nèi)核的一部分，工作在內(nèi)核態(tài)，不能通過指針把用戶空間的數(shù)據(jù)地址傳遞給內(nèi)核，要經(jīng)過Linux提供的函數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

三、設(shè)備的分類字符設(shè)備以字節(jié)為單位逐個(gè)進(jìn)行I/O操作字符設(shè)備中的緩存是可有可無不支持隨機(jī)訪問如串口設(shè)備/dev/cua0和/dev/cua1塊設(shè)備塊設(shè)備的存取是通過buffer、cache來進(jìn)行可以進(jìn)行隨機(jī)訪問例如IDE硬盤設(shè)備/dev/hda網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是通過BSDsocket接口訪問的設(shè)備如網(wǎng)卡等.對(duì)這三種設(shè)備文件編寫驅(qū)動(dòng)程序時(shí)會(huì)有一定的區(qū)別。四、設(shè)備號(hào)設(shè)備號(hào)是一個(gè)數(shù)字，它是設(shè)備的標(biāo)志。主設(shè)備號(hào)表明某一類設(shè)備，一般對(duì)應(yīng)著確定的驅(qū)動(dòng)程序；次設(shè)備號(hào)一般是用于區(qū)分標(biāo)明不同屬性，例如不同的使用方法，不同的位置，不同的操作等，它標(biāo)志著某個(gè)具體的物理設(shè)備。高字節(jié)為主設(shè)備號(hào)和低字節(jié)為次設(shè)備號(hào)。例如，在系統(tǒng)中的塊設(shè)備IDE硬盤的主設(shè)備號(hào)是3，而多個(gè)IDE硬盤及其各個(gè)分區(qū)分別賦予次設(shè)備號(hào)1、2、3……crw-rw-rw-1rootroot1,3Apr112002nullcrw-------1rootroot10,1Apr112002psauxcrw-------1rootroot4,1Oct2803:04tty1crw-rw-rw-1roottty4,64Apr112002ttys0crw-rw----1rootuucp4,65Apr112002ttyS1crw--w----1vcsatty7,1Apr112002vcs1crw--w----1vcsatty7,129Apr112002vcsa1crw-rw-rw-1rootroot1,5Apr112002zero五、通過mknod命令來創(chuàng)建設(shè)備文件mknod設(shè)備名設(shè)備類型主設(shè)備好此設(shè)備號(hào)如mknodttys0 c641串口設(shè)備，設(shè)備類型為字符型，主設(shè)備號(hào)64，此設(shè)備號(hào)1。六、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)步驟熟悉硬件設(shè)備，重點(diǎn)是設(shè)備中的各種寄存器。定義設(shè)備號(hào)，應(yīng)用程序利用設(shè)備號(hào)訪問驅(qū)動(dòng)程序。熟悉設(shè)備初始化函數(shù)，在驅(qū)動(dòng)程序中實(shí)現(xiàn)設(shè)備的注冊(cè)和中斷注冊(cè)等。設(shè)計(jì)所需要的文件操作調(diào)用，定義file_operations結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)所需的文件操作調(diào)用，如read、write、llseek等函數(shù)。實(shí)現(xiàn)中斷服務(wù)程序。測(cè)試程序。發(fā)布驅(qū)動(dòng)程序。8.2設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序框架一、虛擬文件系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)程序間的接口structfile_operations結(jié)構(gòu)在/include/linux/fs.h中定義。

這個(gè)結(jié)構(gòu)的每一個(gè)成員的名字都對(duì)應(yīng)著一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用。用戶進(jìn)程利用系統(tǒng)調(diào)用在對(duì)設(shè)備文件進(jìn)行諸如read/write操作時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用通過設(shè)備文件的主設(shè)備號(hào)找到相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，然后讀取這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相應(yīng)的函數(shù)指針，接著把控制權(quán)交給該函數(shù)。這是linux的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序工作的基本原理。既然是這樣，則編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的主要工作就是編寫子函數(shù)，并填充file_operations的各個(gè)域。我們?cè)谙騼?nèi)核注冊(cè)設(shè)備的函數(shù)中，一個(gè)參數(shù)就是指向strcutfile_operations的指針。structfile_operations{

int(*seek)(structinode*，structfile*，off_t，int);

int(*read)(structinode*，structfile*，char，int);

int(*write)(structinode*，structfile*，off_t，int);

int(*readdir)(structinode*，structfile*，structdirent*，int);

int(*select)(structinode*，structfile*，int，select_table*);

int(*ioctl)(structinode*，structfile*，unsinedint，unsignedlong);

int(*mmap)(structinode*，structfile*，structvm_area_struct*);

int(*open)(structinode*，structfile*);

int(*release)(structinode*，structfile*);

int(*fsync)(structinode*，structfile*);

int(*fasync)(structinode*，structfile*，int);

int(*check_media_change)(structinode*，structfile*);

int(*revalidate)(dev_tdev);

}

1、打開設(shè)備函數(shù)open函數(shù)完成以下工作檢查設(shè)備特定的錯(cuò)誤(例如設(shè)備沒準(zhǔn)備好,或者類似的硬件錯(cuò)誤）如果它第一次打開,初始化設(shè)備,包括設(shè)備注冊(cè)、對(duì)設(shè)備模式、設(shè)備參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，即配置各種寄存器。為設(shè)備實(shí)現(xiàn)申請(qǐng)中斷、設(shè)置DMA方式、申請(qǐng)對(duì)設(shè)備的控制權(quán)。識(shí)別次設(shè)備號(hào)，填充file->private_data結(jié)構(gòu)。使用計(jì)數(shù)增1。另外，當(dāng)有多個(gè)物理設(shè)備時(shí)，就需要識(shí)別次設(shè)備號(hào)來對(duì)各個(gè)不同的設(shè)備進(jìn)行不同的操作，在有些驅(qū)動(dòng)程序中并不需要用到。int(*open)(structinode*，structfile*);

這里，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器操作的是用在<linux/module.h>中定義的3個(gè)宏如下?！OD_INC_USE_COUNT：計(jì)數(shù)器加一?！OD_DEC_USE_COUNT：計(jì)數(shù)器減一?！OD_IN_USE：計(jì)數(shù)器非零時(shí)返回真。2、關(guān)閉設(shè)備函數(shù)函數(shù)原型int(*release)(structinode*，structfile*);

關(guān)閉設(shè)備函數(shù)完成以下任務(wù)：釋放打開設(shè)備時(shí)分配的資源如中斷等；釋放open在filp->private_data中分配的內(nèi)存；計(jì)數(shù)器減1；在最后的關(guān)閉設(shè)備3、讀設(shè)備數(shù)據(jù)函數(shù)#include<linux/fs.h>ssize_t(*read)(structfile*filp,char*buff,size_tcount,loff_t*f_pos)filp：文件指針buff：指向用戶緩沖區(qū)count：傳入的數(shù)據(jù)長度*f_pos：指向file->f_pos,給出當(dāng)前讀寫的位置。返回值為實(shí)際所讀字節(jié)數(shù),返回-1表示出錯(cuò)。返回0表示文件結(jié)束4、寫設(shè)備數(shù)據(jù)函數(shù)#include<linux/fs.h>ssize_t(*write)(structfile*filp,constchar*buff,size_tcount,loff_t*offp)write()函數(shù)把count個(gè)字節(jié)從buf指向的緩沖區(qū)寫入與handle相連的文件中,返回值為實(shí)際寫入的字節(jié)數(shù)。雖然這個(gè)過程看起來很簡單，但是內(nèi)核空間地址和應(yīng)用空間地址是有很大區(qū)別的，其中之一就是用戶空間的內(nèi)存是可以被換出的，因此可能會(huì)出現(xiàn)頁面失效等情況。所以就不能使用諸如memcpy之類的函數(shù)來完成這樣的操作。在這里就要使用copy_to_user或copy_from_user函數(shù)，它們就是用來實(shí)現(xiàn)用戶空間和內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)交換的。copy_to_user和copy_from_user的格式如表#include<asm/uaccess.h>Unsignedlongcopy_to_user(void*to,constvoid*from,unsignedlongcount)Unsignedlongcopy_from_user(void*to,constvoid*from,unsignedlongcount)To：數(shù)據(jù)目的緩沖區(qū)函數(shù)傳入值From：數(shù)據(jù)源緩沖區(qū)count：數(shù)據(jù)長度函數(shù)返回值成功：寫入的數(shù)據(jù)長度失?。?EFAULT5、設(shè)備控制函數(shù)ioctl入口點(diǎn)執(zhí)行讀、寫之外的操作。函數(shù)原型為：intioctl(intfd,intcmd,…)參數(shù)cmd不經(jīng)修改的傳遞給驅(qū)動(dòng)程序，可選的arg參數(shù)無論是指針還是整數(shù)值，都以u(píng)nsignedlong的形式傳遞給驅(qū)動(dòng)程序。在實(shí)現(xiàn)ioctl的時(shí)候，大多數(shù)都包含switch語句，用來根據(jù)不同的cmd值來執(zhí)行不同的硬件操作。二、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1、file結(jié)構(gòu)Structfile提供關(guān)于被打開的文件信息，主要用于與文件系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序使用。系統(tǒng)中每個(gè)打開的文件有一個(gè)關(guān)聯(lián)的structfile在內(nèi)核空間).它由內(nèi)核在open時(shí)創(chuàng)建,并傳遞給在文件上操作的任何函數(shù),直到最后的關(guān)閉.在文件的所有實(shí)例都關(guān)閉后,內(nèi)核釋放這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu).mode_tf_mode;文件模式確定文件是可讀的或者是可寫的(或者都是),通過位FMODE_READ和FMODE_WRITE.你可能想在你的open或者ioctl函數(shù)中檢查這個(gè)成員的讀寫許可,但是你不需要檢查讀寫許可,因?yàn)閮?nèi)核在調(diào)用你的方法之前檢查.loff_tf_pos;當(dāng)前讀寫位置.loff_t在所有平臺(tái)都是64位，如果驅(qū)動(dòng)設(shè)備需要知道文件當(dāng)前的位置，可以讀取這個(gè)字段得值。unsignedintf_flags;f_flags表示文件標(biāo)志，如O_RDONLY、O_WDONLY、等，為了支持非阻塞型操作，驅(qū)動(dòng)程序需要檢查這個(gè)標(biāo)志。structfile_operations*f_op;f_op表示文件的對(duì)應(yīng)操作，指向驅(qū)動(dòng)中的file_operations，內(nèi)核在執(zhí)行open時(shí)為這個(gè)指針賦值，可以調(diào)用這個(gè)指針指向file_operations中的相應(yīng)成員。void*private_data;系統(tǒng)調(diào)用的open設(shè)置這個(gè)指針為空,驅(qū)動(dòng)可以江這個(gè)字段用于任何目的或者忽略它;驅(qū)動(dòng)程序可以使用這個(gè)成員來指向分配的數(shù)據(jù),但是必須記住在內(nèi)核銷毀文件結(jié)構(gòu)之前,在release方法中釋放那個(gè)內(nèi)存.2、inode結(jié)構(gòu)

文件系統(tǒng)處理的文件所需信息在inode數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。但這個(gè)結(jié)構(gòu)只有3個(gè)成員對(duì)于編寫驅(qū)動(dòng)代碼有用:dev_ti_rdev;這個(gè)字段包含了實(shí)際設(shè)備的編號(hào)，如果需要可用一下函數(shù)獲得。unsignedintiminor(structinode*inode)//獲得從設(shè)備號(hào)unsignedintimajor(structinode*inode)//獲得主設(shè)備號(hào)2、stuctcdev*i_nodestuctcdev是表示字符設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu),當(dāng)inode指向一個(gè)字符文件時(shí)，該字段包含指向stuctcdev結(jié)構(gòu)的指針。3、stuctblok_devce*i_nodestuctblok_devce是表示塊設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu),當(dāng)inode指向一個(gè)字符文件時(shí)，該字段包含指向stuctblok_devce結(jié)構(gòu)的指針。3、設(shè)備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分為字符設(shè)備、塊設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備三種設(shè)備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一字符設(shè)備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為例：Sturctcdev結(jié)構(gòu)在/include/linux/cdev.h中定義在設(shè)備初始化時(shí)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序會(huì)構(gòu)造一個(gè)sturctcdev結(jié)構(gòu)作為字符設(shè)備向內(nèi)核注冊(cè)。8.3設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)Linux的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以分成三個(gè)主要部分：自動(dòng)配置和初始化子程序。（檢測(cè)硬件設(shè)備是否正常；初始化，僅初始化時(shí)調(diào)用一次。）服務(wù)于I/O請(qǐng)求的子程序。（調(diào)用這部分程序是由于系統(tǒng)調(diào)用的結(jié)果）中斷服務(wù)子程序。（由Linux系統(tǒng)接收中斷，再由系統(tǒng)調(diào)用中斷服務(wù)子程序。）Linux對(duì)中斷的處理

從應(yīng)用編程角度來看，編寫一個(gè)中斷處理程序只要根據(jù)具體應(yīng)用實(shí)現(xiàn)中斷服務(wù)子程序，并利用一系列LinuxAPI函數(shù)向內(nèi)核注冊(cè)該服務(wù)子程序就行了，具體的調(diào)度處理在linux內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。1、注冊(cè)中斷處理程序

向內(nèi)核注冊(cè)中斷處理程序主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能，一是注冊(cè)中斷號(hào)，二是注冊(cè)中斷處理函數(shù)。在linux中對(duì)應(yīng)的中斷處理注冊(cè)函數(shù)為：intrequest_irq(unsignedintirq,void(*handler)(int,void*,structpt_regs*),unsignedlongflags,constchar*device,void*dev_id);返回值：request_irq返回0表示成功，返回-INVAL表示irq>15或handler==NULL，返回-EBUSY，表示中斷已經(jīng)被占用且不能共享。函數(shù)注冊(cè)中斷服務(wù)函數(shù),其中：irq：中斷號(hào)handler：中斷響應(yīng)處理函數(shù)irq_flags：中斷管理選項(xiàng)掩碼devname：設(shè)備名稱dev_id：中斷共享時(shí)使用

在一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序向內(nèi)核注冊(cè)了中斷服務(wù)程序后，中斷到來時(shí)的調(diào)度就由內(nèi)核的中斷處理子系統(tǒng)來完成了。中斷處理子系統(tǒng)的一個(gè)主要任務(wù)是根據(jù)中斷號(hào)找到正確的中斷處理代碼段。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)的初始化

設(shè)備驅(qū)動(dòng)的初始化函數(shù)主要完成的功能是：a對(duì)驅(qū)動(dòng)程序管理的硬件進(jìn)行必要的初始化。如對(duì)硬件寄存器進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置串口的工作方式等。b初始化設(shè)備驅(qū)動(dòng)相關(guān)的參數(shù)。一般情況下，定義一個(gè)設(shè)備變量，用以保存設(shè)備的相關(guān)參數(shù)。這里對(duì)設(shè)備變量的各項(xiàng)進(jìn)行初始化。c在內(nèi)核中注冊(cè)設(shè)備。Intregister_chrdev(unsignedint,constchar*,structfile_operation*)3個(gè)參數(shù)為主設(shè)備號(hào)、設(shè)備名稱、file_operation結(jié)構(gòu)地址。d如果設(shè)備需要IRQ支持，則要注冊(cè)中斷。初始化程序聲明。當(dāng)驅(qū)動(dòng)程序是內(nèi)核的一部分，則要按如下方式聲明，注意不能缺少__initint__initchr_driver_init(void)；則在系統(tǒng)啟動(dòng)的時(shí)候會(huì)由內(nèi)核調(diào)用chr_driver_init，完成的驅(qū)動(dòng)程序的初始化。當(dāng)驅(qū)動(dòng)程序是以模塊的形式編寫分，則要按如下方式聲明，當(dāng)運(yùn)行insmod命令插入模塊時(shí)會(huì)調(diào)用init_module函數(shù)完成初始化工作。

intinit_module(void)e其他初始化工作8.4設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)過程定義主設(shè)備號(hào)、次設(shè)備號(hào)，也可以動(dòng)態(tài)獲取。實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)初始化和清除函數(shù)。如果驅(qū)動(dòng)程序采用模塊方式，則要實(shí)現(xiàn)模塊初始化和清除函數(shù)。設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的文件操作，定義file_operations結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)所需的文件操作調(diào)用，如read、write等。實(shí)現(xiàn)中斷服務(wù)函數(shù)，并用request_irq向內(nèi)核注冊(cè)。將驅(qū)動(dòng)編譯到內(nèi)核或編譯成模塊，用ismod命令加載。生成設(shè)備節(jié)點(diǎn)文件。一、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)流程二、模塊化驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

在linux系統(tǒng)中提供了一種全新的模塊化機(jī)制，可以在不重新編譯內(nèi)核的情況下，將編譯好的模塊動(dòng)態(tài)的插入運(yùn)行中的內(nèi)核，或者將內(nèi)核中已經(jīng)存在的一個(gè)模塊移走?？梢钥闯鲞@種機(jī)制為驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)調(diào)試提供了很大的方便。

對(duì)應(yīng)的模塊化編程，源程序中必須至少提供

init_module()和cleanup_module()兩個(gè)函數(shù)。下面就開始寫子程序。

#include<linux/types.h>基本的類型定義

#include<linux/fs.h>文件系統(tǒng)使用相關(guān)的頭文件

#include<linux/mm.h>

#include<linux/errno.h>

#include<asm/segment.h>

unsignedinttest_major=0;

staticintread_test(structinode*inode，structfile*file，char*buf，intcount)

{

intleft;用戶空間和內(nèi)核空間

if(verify_area(VERIFY_WRITE，buf，count)==-EFAULT)

return-EFAULT;

for(left=count;left>0;left--)

{

__put_user(1，buf，1);

buf++;

}

returncount;

}這個(gè)函數(shù)是為read調(diào)用準(zhǔn)備的。當(dāng)調(diào)用read時(shí)，read_test()被調(diào)用，它把用戶的緩沖區(qū)全部寫1。buf是read調(diào)用的一個(gè)參數(shù)。它是用戶進(jìn)程空間的一個(gè)地址。但是在read_test被調(diào)用時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入核心態(tài)。所以不能使用buf這個(gè)地址，必須用__put_user()，這是kernel提供的一個(gè)函數(shù)，用于向用戶傳送數(shù)據(jù)。另外還有很多類似功能的函數(shù)。請(qǐng)參考，在向用戶空間拷貝數(shù)據(jù)之前，必須驗(yàn)證buf是否可用。這就用到函數(shù)verify_area。為了驗(yàn)證BUF是否可以用。staticintwrite_test(structinode*inode，structfile*file，constchar*buf，intcount)

{

returncount;

}

staticintopen_test(structinode*inode，structfile*file)

{

MOD_INC_USE_COUNT;模塊計(jì)數(shù)加以，表示當(dāng)前內(nèi)核有個(gè)設(shè)備加載內(nèi)核當(dāng)中去

return0;

}

staticvoidrelease_test(structinode*inode，structfile*file)

{

MOD_DEC_USE_COUNT;

}這幾個(gè)函數(shù)都是空操作。實(shí)際調(diào)用發(fā)生時(shí)什么也不做，他們僅僅為下面的結(jié)構(gòu)提供函數(shù)指針。

structfile_operationstest_fops={?

read_test，

write_test，

open_test，

release_test，

};

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的主體可以說是寫好了?，F(xiàn)在要把驅(qū)動(dòng)程序嵌入內(nèi)核。驅(qū)動(dòng)程序可以按照兩種方式編譯。一種是編譯進(jìn)kernel，另一種是編譯成模塊(modules)，如果編譯進(jìn)內(nèi)核的話，會(huì)增加內(nèi)核的大小，還要改動(dòng)內(nèi)核的源文件，而且不能動(dòng)態(tài)的卸載，不利于調(diào)試，所以推薦使用模塊方式。intinit_module(void)

{

intresult;

result=register_chrdev(0，"test"，&test_fops);對(duì)設(shè)備操作的整個(gè)接口

if(result<0){