Linux設備驅動程序設計課程(PPT 35頁).ppt

1、Linux設備驅動程序設計第一章 簡介,參考書籍,Linux設備驅動程序(第三版) Jonatban Corbet等著 魏永明等譯 中國電力出版社 Linux設備驅動開發(fā)詳解(第二版) 宋寶華著 人民郵電出版社 Linux設備驅動開發(fā)技術及應用 (韓)俞永昌著 人民郵電出版社 Linux內核設計與實現(第二版) Robert Love著 陳莉君等譯,Linux設備驅動的現狀,高需求 Linux內核的絕大多數代碼為設備驅動 新設備、新芯片、新驅動的需求 高門檻 涉及到大量硬件操作 涉及到內核基礎知識 涉及到并發(fā)控制與同步 復雜的軟件結構框架 高回報,內核空間和用戶空間,系統(tǒng)態(tài):在Linux系統(tǒng)中

2、，內核在最高級執(zhí)行，也稱為“系統(tǒng)態(tài)”，在這一級任何操作都可以執(zhí)行。 用戶態(tài)：而應用程序則用戶態(tài)執(zhí)行在最低級，所謂的“用戶態(tài)”，在這一級處理器禁止對硬件的直接訪問和對內存的未授權訪問。 內核空間：模塊運行的空間是在所謂的“內核空間”； 用戶空間：應用程序運行的空間是在“用戶空間” 。 它們分別引用不同的內存映射，也就是程序代碼使用不同的“地址空間”。,Linux內核功能劃分,進程管理 內存管理 文件系統(tǒng) 設備管理 網絡連接（strcut net_device）,Linux內核功能,進程管理 進程管理負責創(chuàng)建和銷毀進程，并處理它們與外界之間的通信 控制進程如何共享CPU的調度器 總之，在單個或者多

3、個CPU上實現了多個進程的抽象 內存管理 內核在有限的可用資源之上為每一個進程創(chuàng)建了獨立的虛擬內存空間(MMU) 內核的各個部分在和內存管理系統(tǒng)交互的時候都使用相同的一組函數調用，包括簡單的malloc/free和其他一些復雜的函數,Linux內核功能,文件系統(tǒng) 文件系統(tǒng)是Linux基礎 內核在沒有結構的硬件系統(tǒng)上面構造了結構化的文件系統(tǒng) Linux支持多種文件系統(tǒng)類型 YAFFS （Yet Another Flash File System) ROMFS RAMFS JFFS2（Journaling Flash File System） 設備控制 幾乎每一個系統(tǒng)操作都會映射到物理設備上 除去

4、CPU，內存以及其他幾個很有限的對象之外，幾乎所有的設備控制操作都由與被控制設備相關的代碼（設備驅動程序）來完成,內核模塊的構造和運行,設備驅動程序的存在形式 可卸載模塊 內核提供的特性可以在運行時進行擴展 可在運行時添加到內核中的代碼被稱為“模塊” 常用模塊 設備驅動和文件系統(tǒng) 靈活 編譯進內核 與內核其他的功能模塊靜態(tài)編譯在一起，不可卸載,內核態(tài)和用戶態(tài),多數操作系統(tǒng)都把內核和應用程序分為2個層次管理 內核態(tài) 有較高的權限，可以控制處理器內存的映射和內存的分配方式 訪問外設空間和處理器的特殊狀態(tài)寄存器， 控制中斷和DMA 用戶態(tài) 權限低，優(yōu)先級低 處理器控制著對硬件的直接訪問以及對內存的非

5、授權訪問 具有不同的內存映射（指針的傳遞處理） get_user, put_user, copy_from_user, copy_to_user 應用程序執(zhí)行系統(tǒng)調用或者被硬件中斷的時候由用戶態(tài)轉換為內核態(tài)，內核代碼代表應用程序執(zhí)行操作，能夠訪問進程地址空間的所有數據,可裝載模塊,Linux: 內核提供的特性可在運行時進行擴展 模塊 可在運行時添加到內核中的代碼，包括但 不限于設備驅動程序 insmod 將模塊連接到正在運行的內核 rmmod 移除連接,嵌入式Linux的設備管理,Linux將設備分成兩大類：一類是塊設備，類似磁盤以記錄塊或扇區(qū)為單位，成塊進行輸入/輸出的設備；另一類是字符設備

6、，類似鍵盤以字符為單位，逐個進行輸入/輸出的設備。網路設備是介于塊設備和字符設備之間的一種特殊設備。 塊設備接口僅支持面向塊的I/O操作，所有I/O操作都通過在內核地址空間中的I/O緩沖區(qū)進行，它可以支持隨機存取的功能。文件系統(tǒng)通常都建立在塊設備上。 字符設備接口支持面向字符的I/O操作，由于它們不經過系統(tǒng)的快速緩存，所以它們負責管理自己的緩沖區(qū)結構。字符設備接口只支持順序存取的功能，一般不能進行任意長度的I/O請求，而是限制I/O請求的長度必須是設備要求的基本塊長的倍數。 處理器與設備間數據交換方式 處理器與外設之間傳輸數據的控制方式通常有3種：查詢方式、中斷方式和直接內存存?。―MA）方式

7、。 1查詢方式 設備驅動程序通過設備的I/O端口空間，以及存儲器空間完成數據的交換。例如，網卡一般將自己的內部寄存器映射為設備的I/O端口，而顯示卡則利用大量的存儲器空間作為視頻信息的存儲空間。利用這些地址空間，驅動程序可以向外設發(fā)送指定的操作指令。通常來講，由于外設的操作耗時較長，因此，當處理器實際執(zhí)行了操作指令之后，驅動程序可采用查詢方式等待外設完成操作。 驅動程序在提交命令之后，開始查詢設備的狀態(tài)寄存器，當狀態(tài)寄存器表明操作完成時，驅動程序可繼續(xù)后續(xù)處理。查詢方式的優(yōu)點是硬件開銷小，使用起來比較簡單。但在此方式下，CPU要不斷地查詢外設的狀態(tài)，當外設未準備好時，就只能循環(huán)等待，不能執(zhí)行其

8、他程序，這樣就浪費了CPU的大量時間，降低了處理器的利用率。,2中斷方式 查詢方式白白浪費了大量的處理器時間，而中斷方式才是多任務操作系統(tǒng)中最有效利用處理器的方式。當CPU進行主程序操作時，外設的數據已存入端口的數據輸入寄存器，或端口的數據輸出寄存器已空，此時由外設通過接口電路向CPU發(fā)出中斷請求信號。CPU在滿足一定條件下，暫停執(zhí)行當前正在執(zhí)行的主程序，轉入執(zhí)行相應能夠進行輸入/輸出操作的子程序，待輸入/輸出操作執(zhí)行完畢之后，CPU再返回并繼續(xù)執(zhí)行原來被中斷的主程序。這樣，CPU就避免了把大量時間耗費在等待、查詢外設狀態(tài)的操作上，使其工作效率得以大大提高。中斷方式的原理示意圖如圖6.1所示。

9、 能夠向CPU發(fā)出中斷請求的設備或事件稱為中斷源。中斷源向CPU發(fā)出中斷請求，若優(yōu)先級別最高，則CPU在滿足一定的條件時，可中斷當前程序的運行，保護好被中斷的主程序的斷點及現場信息，然后根據中斷源提供的信息，找到中斷服務子程序的入口地址，轉去執(zhí)行新的程序段，這就是中斷響應。CPU響應中斷是有條件的，如內部允許中斷、中斷未被屏蔽、當前指令執(zhí)行完等。CPU響應中斷以后，就會中止當前的程序，轉去執(zhí)行一個中斷服務子程序，以完成為相應設備的服務。 系統(tǒng)引入中斷機制后，CPU與外設處于“并行”工作狀態(tài)，便于實現信息的實時處理和系統(tǒng)的故障處理。,3直接訪問內存（DMA）方式 利用中斷，系統(tǒng)和設備之間可以通過

10、設備驅動程序傳送數據，但是，當傳送的數據量很大時，因為中斷處理上的延遲，利用中斷方式的效率會大大降低。而直接內存訪問（DMA）可以解決這一問題。DMA可允許設備和系統(tǒng)內存間在沒有處理器參與的情況下傳輸大量數據。設備驅動程序在利用DMA之前，需要選擇DMA通道并定義相關寄存器，以及數據的傳輸方向，即讀取或寫入，然后將設備設定為利用該DMA通道傳輸數據。設備完成設置之后，可以立即利用該DMA通道在設備和系統(tǒng)的內存之間傳輸數據，傳輸完畢后產生中斷以便通知驅動程序進行后續(xù)處理。在利用DMA進行數據傳輸的同時，處理器仍然可以繼續(xù)執(zhí)行指令。,什么是設備驅動程序(DD)？,在Linux內核中扮演特殊角色，使

11、某個特定硬件響應一個定義良好的內部編程接口，該接口完全隱藏設備的工作細節(jié) DD的任務是將用戶的標準化調用作用于實際硬件的設備特有操作上 為什么要編寫設備驅動程序？,Linux的設備驅動程序,硬件設備與應用程序之間的一個中間軟件層 它使得某個特定硬件能夠響應一個定義良好的內部編程接口，同時完全隱蔽了設備的工作細節(jié) 用戶通過一組與具體設備無關的標準化的調用來完成相應的操作 驅動程序的任務就是把這些標準化的系統(tǒng)調用映射到具體設備對于實際硬件的特定操作上 驅動程序是內核的一部分，可以使用中斷、DMA等操作 驅動程序在用戶態(tài)和內核態(tài)之間傳遞數據,設備驅動程序的作用,機制：需要提供什么功能 策略：如何使用

12、這些功能 分層的思想 由于不同的環(huán)境需要不同的方式來使用硬件，因此應盡可能做到讓驅動程序不帶策略 驅動程序應當處理如何使硬件可用的問題,而將如何使用硬件留給上層應用程序,設備驅動程序主要功能,設備驅動程序主要完成如下功能： 檢測設備和初始化設備 使設備投入運行和退出服務 從設備接收數據并提交給內核 從內核接收數據送到設備 檢測和處理設備錯誤,另一角度： 驅動程序可看作應用程序與實際設備之間的軟件層 即使對于相同的設備不同驅動程序可能提供不同功能，需要在許多因素間作出平衡 三方面因素： 提供給用戶盡可能多的選項 編寫驅動程序占用的時間 盡量保持程序簡單,嵌入式Linux驅動程序介紹,嵌入式Lin

13、ux驅動已經支持的設備門類齊全，已成為linux相對其他嵌入式操作系統(tǒng)的一大優(yōu)勢 工業(yè)控制常用的串口，并口 人機輸入設備鼠標、鍵盤，觸摸屏 彩色、黑白液晶顯示輸出 網絡的完善支持，包括tcp/ip，udp，firewall， WLAN，ip forwarding，ipsec，vpn Usb的全面支持，包括usb硬盤、u盤，usb攝像頭 支持豐富的文件系統(tǒng)，包括fat32，ntfs,嵌入式驅動程序的作用,驅動程序直接操控硬件 收發(fā)通訊數據 讀寫存儲介質，比如flash或硬盤 操作輸出設備和執(zhí)行機，例如打印，開關門襟等等 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 試用版本創(chuàng)建 ,嵌入式驅動程

14、序的作用,驅動程序提供軟件訪問硬件的機制 應用軟件通過驅動程序安全高效的訪問硬件 驅動程序文件節(jié)點可以方便的提供訪問權限 控制 驅動程序作為一個隔離的中間層軟件，將底 層細節(jié)隱藏起來，提高了軟件的可移植性,訪問Linux設備驅動的方法,設備提供dev文件系統(tǒng)節(jié)點和proc文件系統(tǒng)節(jié)點 應用程序通過dev文件節(jié)點訪問驅動程序 應用程序通過proc文件節(jié)點可以查詢設備驅動的信息,驅動程序在哪兒,驅動程序在哪兒,驅動程序位于drivers目錄下 驅動程序占kernel代碼50%或以上,Linux驅動程序編譯方式,Linux中驅動程序的使用可以按照兩種方式進行編譯： 一種是靜態(tài)編譯進內核； 另一種是編

15、譯成模塊以供動態(tài)加載。,注意：對于uCLinux而言，由于其不支持模塊動態(tài)加載，而且嵌入式Linux不能夠象桌面Linux那樣靈活的使用insmod/rmmod加載、卸載設備驅動程序，因而通常在uCLinux中采用的是將設備驅動程序靜態(tài)的編譯進內核。,Linux驅動程序開發(fā),建立嵌入式Linux平臺，移植和編寫驅動程序往往是最具挑戰(zhàn)的工作 驅動程序的開發(fā)周期一般較長，對產品的面世時間有著重要影響 驅動程序質量的好壞，直接關系到系統(tǒng)工作效能和穩(wěn)定性，對項目的成敗起著關鍵作用,設備驅動程序的分類,字符設備 所有能夠象字節(jié)流一樣訪問的設備都通過字符設備來實現 它們被映射為文件系統(tǒng)中的節(jié)點，通常在/d

16、ev/目錄下面 一般要包含open read write ioctl close等系統(tǒng)調用的實現 塊設備 通常是指諸如磁盤、內存、Flash等可以容納文件系統(tǒng)的存儲設備。 塊設備也是通過文件系統(tǒng)來訪問，與字符設備的區(qū)別是：內核管理數據的方式不同 它允許象字符設備一樣以字節(jié)流的方式來訪問，也可一次傳遞任意多的字節(jié)。 網絡接口設備 通常它指的是硬件設備，但有時也可能是一個軟件設備(如回環(huán)接口loopback)，它們由內核中網絡子系統(tǒng)驅動，負責發(fā)送(hard_start_xmit()和接收數據包。 它們的數據傳送往往不是面向流的，因此很難將它們映射到一個文件系統(tǒng)的節(jié)點上。,Linux下設備驅動程序組

17、成,自動配置和初始化子程序： 負責檢測所要驅動的硬件設備是否工作正常，如果該設備正常，則對這個設備及其相關驅動程序所需要的軟件狀態(tài)進行初始化。這部分驅動程序僅在初始化的時候被調用一次。,服務于I/O請求的子程序： 該子程序稱為驅動程序的上半部。這部分程序在執(zhí)行時，系統(tǒng)仍認為與進行調用的進程屬于同一個進程，只是由用戶態(tài)變成了核心態(tài)，可以在其中調用sleep()等與進程運行環(huán)境有關的函數。,中斷服務子程序： 稱為驅動程序的下半部，由Linux系統(tǒng)來接收硬件中斷，再由系統(tǒng)調用中斷服務子程序。,基本概念,主設備號和次設備號 主設備號和次設備號能夠唯一地標識一個設備 128（V2.0以前), 256(V

18、2.0以后) 主設備號相同的設備使用相同的驅動程序，次設備號用于區(qū)分具體設備的實例 動態(tài)獲取主設備號 Linux下對設備號的分配請參考Documentation/devices.txt 設備文件 Linux使用設備文件來統(tǒng)一對設備的訪問接口，將設備文件放在/dev/目錄下 設備的命名一般為設備文件名+數字或者字母表示的子類，例如/dev/hda1, /dev/hda2等 Linux 2.4以后引入了設備文件系統(tǒng)（devfs）的概念，所有的設備文件作為一個可以掛裝的文件系統(tǒng)，這樣就可以被文件系統(tǒng)統(tǒng)一管理，從而設備文件就可以掛裝到任何需要的地方。一般將主設備建立一個目錄，再將具體的子設備文件建立在

19、此目錄下。例如，/dev/mtdblock/0,基礎知識回顧,硬件部分： 處理器、存儲器、接口與總線 基本工具使用 時序圖 硬件電路圖,Linux內核的編譯加載,make menuconfig make zImage make modules 內核配置系統(tǒng)由以下3部分組成： makefile: 定義編譯規(guī)則 Kconfig: 給用戶提供配置選擇功能 配置工具: 配置命令解釋器和配置用戶界面,.config配置文件 運行make menuconfig時，配置工具首先分析與體系結構對應的/arch/xxx/Kconfig文件，該文件除包含一些與體系結構相關的配置項外，通過source語句引入一系列Kconfig文件，而這些Kconfig可再次通過source引入下一層Kconfig 一般地，驅動工程師在drivers目錄的相應子目錄增加新設備驅動代碼，并增加或修改Kconfig配置文件和Makefile腳本,小結：Linux驅動程序,在Linux操作系統(tǒng)中驅動程序是操作系統(tǒng)內核與硬件設備之間的橋梁，它屏蔽了硬件的細節(jié) (如總線協(xié)議、DMA操作等)，在應用程序看來硬件設備只是一個特殊的文件。 驅動程序的基本功能主要有以下幾點： 對設備的初始化和釋放。如對音頻設備而言包括向內核注