2022年linux驱动程序的开发 .pdf

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1、返回首页业界资讯源码世界知识中心技术论坛在线培训应用开发解决方案朗新产品专栏您的位置：首页 应用开发 编程语言 C、C+ 查看文章内容=操作提示 搜索引擎 = 搜索综合业界资讯源码世界知识中心在线培训应用开发解决方案技巧提示中的LINUX下的设备驱动程序null 01-01-08 20:45 6850p null - 发信人 : olly ( 剑胆琴心 ), 信区 : Linux 标题: LINUX下的设备驱动程序三、 UNIX 系统下的设备驱动程序3.1、UNIX 下设备驱动程序的基本结构在 UNIX 系统里，对用户程序而言，设备驱动程序隐藏了设备的具体细节，对各种不同设备提供了一致的接口，

2、一般来说是把设备映射为一个特殊的设备文件，用户程序可以象对其它文件一样对此设备文件进行操作。UNIX 对硬件设备支持两个标准接口：块特别设备文件和字符特别设备文件，通过块（字符）特别设备文件存取的设备称为块（字符）设备或具有块（字符）设备接口。块设备接口仅支持面向块的I/O 操作，所有I/O 操作都通过在内核地址空间中的 I/O 缓冲区进行，它可以支持几乎任意长度和任意位置上的I/O 请求，即提供随机存取的功能。字符设备接口支持面向字符的I/O 操作，它不经过系统的快速缓存，所以它们负责管理自己的缓冲区结构。字符设备接口只支持顺序存取的功能，一般不能进行任意长度的I/O 请求，而是限制I/O

3、请求的长度必须是设备要求的基本块长名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 9 页 - - - - - - - - - 的倍数。显然，本程序所驱动的串行卡只能提供顺序存取的功能，属于是字符设备，因此后面的讨论在两种设备有所区别时都只涉及字符型设备接口。设备由一个主设备号和一个次设备号标识。主设备号唯一标识了设备类型，即设备驱动程序类型，它是块设备表或字符设备表中设备表项的索引。次设备号仅由设备驱动程序解释，一般用于识别在若干可能的硬件设备中，I/O 请求所涉及到的那

4、个设备。设备驱动程序可以分为三个主要组成部分：(1) 自动配置和初始化子程序，负责检测所要驱动的硬件设备是否存在和是否能正常工作。如果该设备正常，则对这个设备及其相关的、设备驱动程序需要的软件状态进行初始化。这部分驱动程序仅在初始化的时候被调用一次。(2) 服务于 I/O 请求的子程序，又称为驱动程序的上半部分。调用这部分是由于系统调用的结果。这部分程序在执行的时候，系统仍认为是和进行调用的进程属于同一个进程，只是由用户态变成了核心态，具有进行此系统调用的用户程序的运行环境，因此可以在其中调用sleep()等与进程运行环境有关的函数。(3) 中断服务子程序，又称为驱动程序的下半部分。在UNIX

5、 系统中，并不是直接从中断向量表中调用设备驱动程序的中断服务子程序，而是由UNIX 系统来接收硬件中断，再由系统调用中断服务子程序。中断可以产生在任何一个进程运行的时候，因此在中断服务程序被调用的时候，不能依赖于任何进程的状态，也就不能调用任何与进程运行环境有关的函数。因为设备驱动程序一般支持同一类型的若干设备，所以一般在系统调用中断服务子程序的时候，都带有一个或多个参数，以唯一标识请求服务的设备。在系统内部， I/O 设备的存取通过一组固定的入口点来进行，这组入口点是由每个设备的设备驱动程序提供的。一般来说，字符型设备驱动程序能够提供如下几个入口点：(1) open 入口点。打开设备准备I/

6、O 操作。对字符特别设备文件进行打开操作，都会调用设备的open 入口点。 open 子程序必须对将要进行的I/O 操作做好必要的准备工作，如清除缓冲区等。如果设备是独占的，即同一时刻只能有一个程序访问此设备，则open子程序必须设置一些标志以表示设备处于忙状态。(2) close 入口点。关闭一个设备。当最后一次使用设备终结后，调用close 子程序。独占设备必须标记设备可再次使用。(3) read 入口点。从设备上读数据。对于有缓冲区的I/O 操作，一般是从缓冲区里读数据。对字符特别设备文件进行读操作将调用read子程序。(4) write 入口点。往设备上写数据。对于有缓冲区的I/O 操

7、作，一般是把数据写入缓冲区里。对字符特别设备文件进行写操作将调用write 子程序。(5) ioctl 入口点。执行读、写之外的操作。(6) select 入口点。检查设备，看数据是否可读或设备是否可用于写数据。select系统调用在检查与设备特别文件相关的文件描述符时使用select 入口点。如果设备驱动程序没有提供上述入口点中的某一个，系统会用缺省的子程序来代替。对于不同的系统，也还有一些其它的入口点。3.2、LINUX系统下的设备驱动程序名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - -

8、- 第 2 页，共 9 页 - - - - - - - - - 具体到 LINUX系统里，设备驱动程序所提供的这组入口点由一个结构来向系统进行说明，此结构定义为：#include struct file_operations int (*lseek)(struct inode *inode,struct file *filp, off_t off,int pos); int (*read)(struct inode *inode,struct file *filp, char *buf, int count); int (*write)(struct inode *inode,struct f

9、ile *filp, char *buf,int count); int (*readdir)(struct inode *inode,struct file *filp, struct dirent *dirent,int count); int (*select)(struct inode *inode,struct file *filp, int sel_type,select_table *wait); int (*ioctl) (struct inode *inode,struct file *filp, unsigned int cmd,unsigned int arg); int

10、 (*mmap) (void); int (*open) (struct inode *inode, struct file *filp); void (*release) (struct inode *inode, struct file *filp); int (*fsync) (struct inode *inode, struct file *filp); ; 其中， struct inode 提供了关于特别设备文件/dev/driver （假设此设备名为 driver）的信息，它的定义为：#include struct inode dev_t i_dev; unsigned long

11、 i_ino; /* Inode number */ umode_t i_mode; /* Mode of the file */ nlink_t i_nlink; uid_t i_uid; gid_t i_gid; dev_t i_rdev; /* Device major and minor numbers*/ off_t i_size; time_t i_atime; time_t i_mtime; time_t i_ctime; unsigned long i_blksize; unsigned long i_blocks; struct inode_operations * i_op

12、; struct super_block * i_sb; struct wait_queue * i_wait; struct file_lock * i_flock; struct vm_area_struct * i_mmap; 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 9 页 - - - - - - - - - struct inode * i_next, * i_prev; struct inode * i_hash_next, * i_hash_prev;

13、 struct inode * i_bound_to, * i_bound_by; unsigned short i_count; unsigned short i_flags; /* Mount flags (see fs.h) */ unsigned char i_lock; unsigned char i_dirt; unsigned char i_pipe; unsigned char i_mount; unsigned char i_seek; unsigned char i_update; union struct pipe_inode_info pipe_i; struct mi

14、nix_inode_info minix_i; struct ext_inode_info ext_i; struct msdos_inode_info msdos_i; struct iso_inode_info isofs_i; struct nfs_inode_info nfs_i; u; ; struct file 主要用于与文件系统对应的设备驱动程序使用。当然，其它设备驱动程序也可以使用它。它提供关于被打开的文件的信息，定义为：#include struct file mode_t f_mode; dev_t f_rdev; /* needed for /dev/tty */ off

15、_t f_pos; /* Curr. posn in file */ unsigned short f_flags; /* The flags arg passed to open */ unsigned short f_count; /* Number of opens on this file */ unsigned short f_reada; struct inode *f_inode; /* pointer to the inode struct */ struct file_operations *f_op;/* pointer to the fops struct*/ ; 在结构

16、 file_operations 里，指出了设备驱动程序所提供的入口点位置，分别是：(1) lseek，移动文件指针的位置，显然只能用于可以随机存取的设备。(2) read，进行读操作，参数buf 为存放读取结果的缓冲区，count 为所要读取的数据长度。返回值为负表示读取操作发生错误，否则返回实际读取的字节数。对于字符型，要求读取的字节数和返回的实际读取字节数都必须是 inode-i_blksize 的的倍数。(3) write ，进行写操作，与read类似。(4) readdir，取得下一个目录入口点，只有与文件系统相关的设备驱动程序名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - -

17、 - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 9 页 - - - - - - - - - 才使用。(5) selec，进行选择操作，如果驱动程序没有提供select 入口， select 操作将会认为设备已经准备好进行任何的I/O 操作。(6) ioctl ，进行读、写以外的其它操作，参数cmd 为自定义的的命令。(7) mmap，用于把设备的内容映射到地址空间，一般只有块设备驱动程序使用。(8) open，打开设备准备进行I/O 操作。返回0 表示打开成功，返回负数表示失败。如果驱动程序没有提供open 入口，则只要 /d

18、ev/driver 文件存在就认为打开成功。(9) release，即 close操作。设备驱动程序所提供的入口点，在设备驱动程序初始化的时候向系统进行登记，以便系统在适当的时候调用。LINUX 系统里，通过调用register_chrdev 向系统注册字符型设备驱动程序。register_chrdev 定义为：#include #include int register_chrdev(unsigned int major, const char *name, struct file_operations *fops); 其中， major 是为设备驱动程序向系统申请的主设备号，如果为0 则系

19、统为此驱动程序动态地分配一个主设备号。name是设备名。 fops 就是前面所说的对各个调用的入口点的说明。此函数返回0 表示成功。返回-EINVAL 表示申请的主设备号非法，一般来说是主设备号大于系统所允许的最大设备号。返回-EBUSY 表示所申请的主设备号正在被其它设备驱动程序使用。如果是动态分配主设备号成功，此函数将返回所分配的主设备号。如果register_chrdev 操作成功，设备名就会出现在 /proc/devices 文件里。初始化部分一般还负责给设备驱动程序申请系统资源，包括内存、中断、时钟、 I/O 端口等，这些资源也可以在open 子程序或别的地方申请。在这些资源不用的时

20、候，应该释放它们，以利于资源的共享。在 UNIX 系统里，对中断的处理是属于系统核心的部分，因此如果设备与系统之间以中断方式进行数据交换的话，就必须把该设备的驱动程序作为系统核心的一部分。设备驱动程序通过调用request_irq 函数来申请中断，通过free_irq 来释放中断。它们的定义为：#include int request_irq(unsigned int irq, void (*handler)(int irq,void dev_id,struct pt_regs *regs), unsigned long flags, const char *device, void *dev

21、_id); void free_irq(unsigned int irq, void *dev_id); 参数 irq 表示所要申请的硬件中断号。handler 为向系统登记的中断处理子程序，中断产生时由系统来调用，调用时所带参数irq 为中断号， dev_id 为申请时告诉系统的设备标识，regs为中断发生时寄存器内容。device 为设备名，将会出现在 /proc/interrupts 文件里。 flag 是申请时的选项，它决定中断处理程序的一些特性，其中最重要的是中断处理程序是快速处理程序（flag 里设置了 SA_INTERRUPT ）还是慢速处理程序（不设置SA_INTERRUPT

22、） ，快速处理程序名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 9 页 - - - - - - - - - 运行时，所有中断都被屏蔽，而慢速处理程序运行时，除了正在处理的中断外，其它中断都没有被屏蔽。在LINUX系统中，中断可以被不同的中断处理程序共享，这要求每一个共享此中断的处理程序在申请中断时在flags 里设置 SA_SHIRQ ，这些处理程序之间以dev_id 来区分。如果中断由某个处理程序独占，则dev_id 可以为 NULL 。request_irq 返回

23、0 表示成功，返回-INV AL 表示 irq15 或handler=NULL ，返回 -EBUSY 表示中断已经被占用且不能共享。作为系统核心的一部分，设备驱动程序在申请和释放内存时不是调用malloc 和 free，而代之以调用kmalloc 和 kfree，它们被定义为：#include void * kmalloc(unsigned int len, int priority); void kfree(void * obj); 参数 len 为希望申请的字节数，obj 为要释放的内存指针。priority 为分配内存操作的优先级，即在没有足够空闲内存时如何操作，一般用GFP_KERNE

24、L 。与中断和内存不同，使用一个没有申请的I/O 端口不会使CPU 产生异常，也就不会导致诸如“segmentation fault 一类的错误发生。任何进程都可以访问任何一个I/O 端口。此时系统无法保证对I/O 端口的操作不会发生冲突，甚至会因此而使系统崩溃。因此，在使用I/O 端口前，也应该检查此I/O 端口是否已有别的程序在使用，若没有，再把此端口标记为正在使用，在使用完以后释放它。这样需要用到如下几个函数：int check_region(unsigned int from, unsigned int extent); void request_region(unsigned int

25、 from, unsigned int extent, const char *name); void release_region(unsigned int from, unsigned int extent); 调用这些函数时的参数为：from 表示所申请的I/O 端口的起始地址；extent 为所要申请的从from 开始的端口数；name 为设备名，将会出现在/proc/ioports 文件里。 check_region 返回 0 表示 I/O 端口空闲，否则为正在被使用。在申请了I/O 端口之后，就可以如下几个函数来访问I/O 端口：#include inline unsigned i

26、nt inb(unsigned short port); inline unsigned int inb_p(unsigned short port); inline void outb(char value, unsigned short port); inline void outb_p(char value, unsigned short port); 其中 inb_p 和 outb_p 插入了一定的延时以适应某些慢的I/O 端口。在设备驱动程序里，一般都需要用到计时机制。在LINUX系统中，时钟是由系统接管，设备驱动程序可以向系统申请时钟。与时钟有关的系统调用有：#include #i

27、nclude void add_timer(struct timer_list * timer); int del_timer(struct timer_list * timer); inline void init_timer(struct timer_list * timer); struct timer_list 的定义为：struct timer_list struct timer_list *next; 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 9 页 -

28、 - - - - - - - - struct timer_list *prev; unsigned long expires; unsigned long data; void (*function)(unsigned long d); ; 其中 expires 是要执行function 的时间。系统核心有一个全局变量JIFFIES 表示当前时间，一般在调用add_timer 时 jiffies=JIFFIES+num, 表示在 num 个系统最小时间间隔后执行function 。系统最小时间间隔与所用的硬件平台有关，在核心里定义了常数HZ 表示一秒内最小时间间隔的数目，则num*HZ 表示

29、 num 秒。系统计时到预定时间就调用function ，并把此子程序从定时队列里删除，因此如果想要每隔一定时间间隔执行一次的话，就必须在function 里再一次调用 add_timer。 function 的参数 d 即为 timer 里面的 data项。在设备驱动程序里，还可能会用到如下的一些系统函数：#include #define cli() _asm_ _volatile_ (cli:) #define sti() _asm_ _volatile_ (sti:) 这两个函数负责打开和关闭中断允许。#include void memcpy_fromfs(void * to,const

30、 void * from,unsigned long n); void memcpy_tofs(void * to,const void * from,unsigned long n); 在用户程序调用read 、write 时，因为进程的运行状态由用户态变为核心态，地址空间也变为核心地址空间。而read、write 中参数 buf 是指向用户程序的私有地址空间的，所以不能直接访问，必须通过上述两个系统函数来访问用户程序的私有地址空间。memcpy_fromfs 由用户程序地址空间往核心地址空间复制， memcpy_tofs 则反之。参数to 为复制的目的指针，from 为源指针， n 为要复

31、制的字节数。在设备驱动程序里，可以调用printk 来打印一些调试信息，用法与printf 类似。 printk 打印的信息不仅出现在屏幕上，同时还记录在文件syslog 里。3.3、LINUX系统下的具体实现在 LINUX里，除了直接修改系统核心的源代码，把设备驱动程序加进核心里以外，还可以把设备驱动程序作为可加载的模块，由系统管理员动态地加载它，使之成为核心地一部分。也可以由系统管理员把已加载地模块动态地卸载下来。LINUX中，模块可以用C 语言编写，用gcc 编译成目标文件（不进行链接，作为*.o 文件存在），为此需要在gcc命令行里加上-c 的参数。在编译时，还应该在gcc 的命令行里

32、加上这样的参数：-D_KERNEL_ -DMODULE。由于在不链接时，g cc 只允许一个输入文件，因此一个模块的所有部分都必须在一个文件里实现。编译好的模块 *.o 放在 /lib/modules/xxxx/misc下（ xxxx 表示核心版本，如在核心版本为2.0.30 时应该为 /lib/modules/2.0.30/misc ） ，然后用depmod -a 使此模块成为可加载模块。模块用insmod 命令加载，用rmmod 命令来卸载，并可以用 lsmod 命令来查看所有已加载的模块的状态。编写模块程序的时候，必须提供两个函数，一个是int init_module(void) ，供

33、insmod 在加载此模块的时候自动调用，负责进行设备驱动程序的初始化工作。init_module 返回 0 以表示初始化成功，返回负数表示失败。另一个函数是void 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 9 页 - - - - - - - - - cleanup_module (void) ，在模块被卸载时调用，负责进行设备驱动程序的清除工作。在成功的向系统注册了设备驱动程序后（调用register_chrdev 成功后），就可以用mknod 命令来把设备映射

34、为一个特别文件，其它程序使用这个设备的时候，只要对此特别文件进行操作就行了。附录：参考文献1、 UNIX 操作系统设计与实现陈华瑛、李建国主编电子工业出版社出版2、Linux Kernel Hackers Guide 作者： Michael K. Johnson 3、 Kernel Jorn作者： Alessandro Rubini & Georg Zezchwitz 连载于 Linux Journal 1996 年 36 期4、 Linux 核心源代码（核心版本2.0.30）5、 Linux-HOWTO 责任编辑：开发管理员(01-01-08 20:45) 关闭窗口 转寄邮箱 =提示信息 =请您发表意见= 您的评分1 2 3 4 5 主题内容 最长 250 字节- 授权声明 关于我们 技术成员合作机会 联系方法 意见反馈? 2000-2002 LinuxAid 京 ICP 备 010217 号名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 9 页 - - - - - - - - -