linux设备驱动程序开发流程.doc

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1、-作者xxxx-日期xxxxlinux设备驱动程序开发流程【精品文档】一. Linux device driver 的概念系统调用是*作系统内核和应用程序之间的接口,设备驱动程序是*作系统内核和机器硬件之间的接口.设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节,这样在应用程序看来,硬件设备只是一个设备文件, 应用程序可以象*作普通文件一样对硬件设备进行*作.设备驱动程序是内核的一部分,它完成以下的功能:1.对设备初始化和释放.2.把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据.3.读取应用程序传送给设备文件的数据和回送应用程序请求的数据.4.检测和处理设备出现的错误.在Linux*作系统下有两类主要的设备文件

2、类型,一种是字符设备,另一种是块设备.字符设备和块设备的主要区别是:在对字符设备发出读/写请求时,实际的硬件I/O一般就紧接着发生了,块设备则不然,它利用一块系统内存作缓冲区,当用户进程对设备请求能满足用户的要求,就返回请求的数据,如果不能,就调用请求函数来进行实际的I/O*作.块设备是主要针对磁盘等慢速设备设计的,以免耗费过多的CPU时间来等待.都有其文件属性(c/b),表示是字符设备还蔤强樯璞?另外每个文件都有两个设备号,第一个是主设备号,标识驱动程序,第二个是从设备号,标识使用同一个设备驱动程序的不同的硬件设备,比如有两个软盘,就可以用从设备号来区分一致,否则用户进程将无法访问到驱动程序

3、.最后必须提到的是,在用户进程调用驱动程序时,系统进入核心态,这时不再是抢先式调度.也就是说,系统必须在你的驱动程序的子函数返回后才能进行其他的工作.如果你的驱动程序陷入死循环,不幸的是你只有重新启动机器了,然后就是漫长的fsck./hehe(请看下节,实例剖析)读/写时,它首先察看缓冲区的内容,如果缓冲区的数据 如何编写Linux*作系统下的设备驱动程序Roy G我们来写一个最简单的字符设备驱动程序.虽然它什么也不做,但是通过它可以了解Linux的设备驱动程序的工作原理.把下面的C代码输入机器,你就会获得一个真正的设备驱动程序.不过我的kernel是2.0.34,在低版本的kernel上可能

4、会出现问题,我还没测试过./xixi#define _NO_VERSION_#include #include char kernel_version = UTS_RELEASE;有的驱动程序的开头都要包含,但我看倒是未必.由于用户进程是通过设备文件同硬件打交道,对设备文件的*作方式不外乎就是一些系统调用,如 open,read,write,close., 注意,不是fopen, fread.,但是如何把系统调用和驱动程序关联起来呢?这需要了解一个非常关键的数据结构:struct file_operations int (*seek) (struct inode * ,struct file

5、*, off_t ,int);int (*read) (struct inode * ,struct file *, char ,int);int (*write) (struct inode * ,struct file *, off_t ,int);int (*readdir) (struct inode * ,struct file *, struct dirent * ,int);int (*select) (struct inode * ,struct file *, int ,select_table *);int (*ioctl) (struct inode * ,struct

6、file *, unsined int ,unsigned longint (*mmap) (struct inode * ,struct file *, struct vm_area_struct *);int (*open) (struct inode * ,struct file *);int (*release) (struct inode * ,struct file *);int (*fsync) (struct inode * ,struct file *);int (*fasync) (struct inode * ,struct file *,int);int (*check

7、_media_change) (struct inode * ,struct file *);int (*revalidate) (dev_t dev);在对设备文件进行诸如read/write*作时,系统调用通过设备文件的主设备号找到相应的设备驱动程序,然后读取这个数据结构相应的函数指针,接着把控制权交给该函数.这是linux的设备驱动程序工作的基本原理.既然是这样,则编写设备驱动程序的主要工作就是编写子函数,并填充file_operations的各个域.相当简单,不是吗?下面就开始写子程序.#include #include #include #include #include unsig

8、ned int test_major = 0;static int read_test(struct inode *node,struct file *file,char *buf,int count)int left;if (verify_area(VERIFY_WRITE,buf,count) = -EFAULT )return -EFAULT;for(left = count left 0 left-)_put_user(1,buf,1);buf+;return count;这个函数是为read调用准备的.当调用read时,read_test()被调用,它把用户的缓冲区全部写1.被调用时

9、,系统进入核心态.所以不能使用buf这个地址,必须用_put_user(),函数.请参考.在向用户空间拷贝数据之前,必须验证buf是否可用.这就用到函数verify_area. static int write_tibet(struct inode *inode,struct file *file,const char *buf,int count)return count;static int open_tibet(struct inode *inode,struct file *file )MOD_INC_USE_COUNT;return 0; static void release_ti

10、bet(struct inode *inode,struct file *file )MOD_DEC_USE_COUNT;这几个函数都是空*作.实际调用发生时什么也不做，他们仅仅为下面的结构提供函数指针。struct file_operations test_fops = NULL,read_test,write_test,NULL, /* test_readdir */NULL,NULL, /* test_ioctl */NULL, /* test_mmap */open_test,release_test, NULL, /* test_fsync */NULL, /* test_fasyn

11、c */* nothing more, fill with NULLs */;设备驱动程序的主体可以说是写好了。现在要把驱动程序嵌入内核。驱动程序可以按照两种方式编译。一种是编译进kernel，另一种是编译成模块(modules),如果编译进内核的话，会增加内核的大小，还要改动内核的源文件，而且不能动态的卸载，不利于调试，所以推荐使用模块方式。int init_module(void)int result;result = register_chrdev(0, test, &test_fops);if (result 0) printk(KERN_INFO test: cant get maj

12、or number );return result;if (test_major = 0) test_major = result; /* dynamic */return 0;在用insmod命令将编译好的模块调入内存时，init_module 函数被调用。在这里，init_module只做了一件事，就是向系统的字符设备表登记了一个字符设备。register_chrdev需要三个参数，参数一是希望获得的设备号，如果是零的话，系统将选择一个没有被占用的设备号返回。参数二是设备文件名，参数三用来登记驱动程序实际执行*作的函数的指针。如果登记成功，返回设备的主设备号，不成功，返回一个负值。void

13、 cleanup_module(void)unregister_chrdev(test_major, test);在用rmmod卸载模块时，cleanup_module函数被调用，它释放字符设备test在系统字符设备表中占有的表项。一个极其简单的字符设备可以说写好了，文件名就叫test.c吧。下面编译得到文件test.o就是一个设备驱动程序。如果设备驱动程序有多个文件，把每个文件按上面的命令行编译，然后ld -r file1.o file2.o -o modulename.驱动程序已经编译好了，现在把它安装到系统中去。如果安装成功，在/proc/devices文件中就可以看到设备test,并可

14、以看到它的主设备号,。要卸载的话，运行$ rmmod test下一步要创建设备文件。mknod /dev/test c major minorc 是指字符设备，major是主设备号，就是在/proc/devices里看到的。用shell命令$ cat /proc/devices | awk $2=test print $1就可以获得主设备号，可以把上面的命令行加入你的shell script中去。minor是从设备号，设置成0就可以了。我们现在可以通过设备文件来访问我们的驱动程序。写一个小小的测试程序。#include #include #include #include main()int

15、testdev;int i;char buf10;testdev = open(/dev/test,O_RDWR);if ( testdev = -1 )printf(Cannt open file );exit(0);read(testdev,buf,10);for (i = 0; i 10;i+)printf(%d ,buf);close(testdev);编译运行，看看是不是打印出全1 ？ 以上只是一个简单的演示。真正实用的驱动程序要复杂的多，要处理如中断，DMA，I/O port等问题。这些才是真正的难点。请看下节，实际情况的处理。如何编写Linux*作系统下的设备驱动程序Roy G三

16、 设备驱动程序中的一些具体问题。1. I/O Port.和硬件打交道离不开I/O Port，老的ISA设备经常是占用实际的I/O端口，在linux下，*作系统没有对I/O口屏蔽，也就是说，任何驱动程序都可以对任意的I/O口*作，这样就很容易引起混乱。每个驱动程序应该自己避免误用端口。有两个重要的kernel函数可以保证驱动程序做到这一点。1）check_region(int io_port, int off_set)这个函数察看系统的I/O表，看是否有别的驱动程序占用某一段I/O口。参数1：io端口的基地址，参数2：io端口占用的范围。返回值：0 没有占用， 非0，已经被占用。2）reques

17、t_region(int io_port, int off_set,char *devname)如果这段I/O端口没有被占用，在我们的驱动程序中就可以使用它。在使用之前，必须向系统登记，以防止被其他程序占用。登记后，在/proc/ioports文件中可以看到你登记的io口。参数1：io端口的基地址。参数2：io端口占用的范围。参数3：使用这段io地址的设备名。在对I/O口登记后，就可以放心地用inb(), outb()之类的函来访问了。在一些pci设备中，I/O端口被映射到一段内存中去，要访问这些端口就相当于访问一段内存。经常性的，我们要获得一块内存的物理地址。在dos环境下，（之所以不说是d

18、os*作系统是因为我认为DOS根本就不是一个*作系统，它实在是太简单，太不安全了）只要用段：偏移就可以了。在window95中，95ddk提供了一个vmm 调用 _MapLinearToPhys,用以把线性地址转化为物理地址。但在Linux中是怎样做的呢？2 内存*作在设备驱动程序中动态开辟内存，不是用malloc，而是kmalloc，或者用get_free_pages直接申请页。释放内存用的是kfree，或free_pages. 请注意，kmalloc等函数返回的是物理地址！而malloc等返回的是线性地址！关于kmalloc返回的是物理地址这一点本人有点不太明白：既然从线性地址到物理地址的

19、转换是由386cpu硬件完成的，那样汇编指令的*作数应该是线性地址，驱动程序同样也不能直接使用物理地址而是线性地址。但是事实上kmalloc返回的确实是物理地址，而且也可以直接通过它访问实际的RAM，我想这样可以由两种解释，一种是在核心态禁止分页，但是这好像不太现实；另一种是linux的页目录和页表项设计得正好使得物理地址等同于线性地址。我的想法不知对不对，还请高手指教。言归正传，要注意kmalloc最大只能开辟128k-16，16个字节是被页描述符结构占用了。kmalloc用法参见khg.内存映射的I/O口，寄存器或者是硬件设备的RAM(如显存)一般占用F0000000以上的地址空间。在驱动

20、程序中不能直接访问，要通过kernel函数vremap获得重新映射以后的地址。另外，很多硬件需要一块比较大的连续内存用作DMA传送。这块内存需要一直驻留在内存，不能被交换到文件中去。但是kmalloc最多只能开辟128k的内存。这可以通过牺牲一些系统内存的方法来解决。mem=30M，这样linux就认为你的机器只有30M的内存，剩下的2M内存在vremap之后就可以为DMA所用了。请记住，用vremap映射后的内存，不用时应用unremap释放，否则会浪费页表。3 中断处理同处理I/O端口一样，要使用一个中断，必须先向系统登记。int request_irq(unsigned int irq

21、,void(*handle)(int,void *,struct pt_regs *),unsigned int long flags,const char *device);irq: 是要申请的中断。handle：中断处理函数指针。flags：SA_INTERRUPT 请求一个快速中断，0 正常中断。device：设备名。如果登记成功，返回0，这时在/proc/interrupts文件中可以看你请求的中断。4一些常见的问题。对硬件*作，有时时序很重要。但是如果用C语言写一些低级的硬件*作的话，gcc往往会对你的程序进行优化，这样时序就错掉了。如果用汇编写呢，gcc同样会对汇编代码进行优化，除非你用volatile关键字修饰。最保险的办法是禁止优化。这当然只能对一部分你自己编写的代码。如果对所有的代码都不优化，你会发现驱动程序根本无法装载。这是因为在编译驱动程序时要用到gcc的一些扩展特性，而这些扩展特性必须在加了优化选项之后才能体现出来。关于kernel的调试工具，我现在还没有发现有合适的。有谁知道请告诉我，不胜感激。我一直都在printk打印调试信息，倒也还凑合。关于设备驱动程序还有很多内容，如等待/唤醒机制，块设备的编写等。【精品文档】