一、Linux device driver 的概念

系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)內(nèi)核和應(yīng)用程序之間的接口，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機(jī)器硬件之間的接口。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?yàn)閼?yīng)用程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)，這樣在應(yīng)用程序看來，硬件設(shè)備只是一個(gè)設(shè)備文件，應(yīng)用程序可以象操作普通文件一樣對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行操作。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是內(nèi)核的一部分，它完成以下的功能:

1、對(duì)設(shè)備初始化和釋放；

2、把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù)；

3、讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)和回送應(yīng)用程序請(qǐng)求的數(shù)據(jù)；

4、檢測(cè)和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯(cuò)誤。

在linux操作系統(tǒng)下有三類主要的設(shè)備文件類型，一是字符設(shè)備，二是塊設(shè)備，三是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。字符設(shè)備和塊設(shè)備的主要區(qū)別是:在對(duì)字符設(shè)備發(fā)出讀/寫請(qǐng)求時(shí)，實(shí)際的硬件I/O一般就緊接著發(fā)生了，塊設(shè)備則不然，它利用一塊系統(tǒng)內(nèi)存作緩沖區(qū)，當(dāng)用戶進(jìn)程對(duì)設(shè)備請(qǐng)求能滿足用戶的要求，就返回請(qǐng)求的數(shù)據(jù)，如果不能，就調(diào)用請(qǐng)求函數(shù)來進(jìn)行實(shí)際的I/O操作。塊設(shè)備是主要針對(duì)磁盤等慢速設(shè)備設(shè)計(jì)的，以免耗費(fèi)過多的CPU時(shí)間來等待。

已經(jīng)提到，用戶進(jìn)程是通過設(shè)備文件來與實(shí)際的硬件打交道。每個(gè)設(shè)備文件都都有其文件屬性(c/b)，表示是字符設(shè)備還是塊設(shè)備?另外每個(gè)文件都有兩個(gè)設(shè)備號(hào)，第一個(gè)是主設(shè)備號(hào)，標(biāo)識(shí)驅(qū)動(dòng)程序，第二個(gè)是從設(shè)備號(hào)，標(biāo)識(shí)使用同一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的不同的硬件設(shè)備，比如有兩個(gè)軟盤，就可以用從設(shè)備號(hào)來區(qū)分他們。設(shè)備文件的的主設(shè)備號(hào)必須與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在登記時(shí)申請(qǐng)的主設(shè)備號(hào)一致，否則用戶進(jìn)程將無法訪問到驅(qū)動(dòng)程序。

最后必須提到的是，在用戶進(jìn)程調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入核心態(tài)，這時(shí)不再是搶先式調(diào)度。也就是說，系統(tǒng)必須在你的驅(qū)動(dòng)程序的子函數(shù)返回后才能進(jìn)行其他的工作。如果你的驅(qū)動(dòng)程序陷入死循環(huán)，不幸的是你只有重新啟動(dòng)機(jī)器了，然后就是漫長(zhǎng)的fsck。

二、實(shí)例剖析

我們來寫一個(gè)最簡(jiǎn)單的字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。雖然它什么也不做，但是通過它可以了解Linux的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的工作原理。把下面的C代碼輸入機(jī)器，你就會(huì)獲得一個(gè)真正的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

由于用戶進(jìn)程是通過設(shè)備文件同硬件打交道，對(duì)設(shè)備文件的操作方式不外乎就是一些系統(tǒng)調(diào)用，如 open，read，write，close…， 注意，不是fopen， fread，但是如何把系統(tǒng)調(diào)用和驅(qū)動(dòng)程序關(guān)聯(lián)起來呢?這需要了解一個(gè)非常關(guān)鍵的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

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);}

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。

下面就開始寫子程序。

#include基本的類型定義#include文件系統(tǒng)使用相關(guān)的頭文件#include#include#includeunsignedinttest_major=0;static int read_test(struct inode *inode，struct file *file，char *buf，int count){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。現(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

在用insmod命令將編譯好的模塊調(diào)入內(nèi)存時(shí)，init_module 函數(shù)被調(diào)用。在這里，init_module只做了一件事，就是向系統(tǒng)的字符設(shè)備表登記了一個(gè)字符設(shè)備。register_chrdev需要三個(gè)參數(shù)，參數(shù)一是希望獲得的設(shè)備號(hào)，如果是零的話，系統(tǒng)將選擇一個(gè)沒有被占用的設(shè)備號(hào)返回。參數(shù)二是設(shè)備文件名，參數(shù)三用來登記驅(qū)動(dòng)程序?qū)嶋H執(zhí)行操作的函數(shù)的指針。

如果登記成功，返回設(shè)備的主設(shè)備號(hào)，不成功，返回一個(gè)負(fù)值。

voidcleanup_module(void){unregister_chrdev(test_major，"test");}

在用rmmod卸載模塊時(shí)，cleanup_module函數(shù)被調(diào)用，它釋放字符設(shè)備test在系統(tǒng)字符設(shè)備表中占有的表項(xiàng)。

一個(gè)極其簡(jiǎn)單的字符設(shè)備可以說寫好了，文件名就叫test.c吧。

下面編譯 :

$ gcc -O2 -DMODULE -D__KERNEL__ -c test.c –c表示輸出制定名，自動(dòng)生成.o文件

得到文件test.o就是一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

如果設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序有多個(gè)文件，把每個(gè)文件按上面的命令行編譯，然后

ld ?-r ?file1.o ?file2.o ?-o ?modulename。

驅(qū)動(dòng)程序已經(jīng)編譯好了，現(xiàn)在把它安裝到系統(tǒng)中去。

$ insmod ?–f ?test.o

如果安裝成功，在/proc/devices文件中就可以看到設(shè)備test，并可以看到它的主設(shè)備號(hào)。要卸載的話，運(yùn)行 :

$ rmmod test

下一步要?jiǎng)?chuàng)建設(shè)備文件。

mknod /dev/test c major minor

c 是指字符設(shè)備，major是主設(shè)備號(hào)，就是在/proc/devices里看到的。

用shell命令

$ cat /proc/devices

就可以獲得主設(shè)備號(hào)，可以把上面的命令行加入你的shell script中去。

minor是從設(shè)備號(hào)，設(shè)置成0就可以了。

我們現(xiàn)在可以通過設(shè)備文件來訪問我們的驅(qū)動(dòng)程序。寫一個(gè)小小的測(cè)試程序。

#include#include#include#includemain(){inttestdev;inti;charbuf[10];testdev=open("/dev/test"，O_RDWR);if(testdev==-1){printf("Cann'topenfile ");exit(0);}read(testdev，buf，10);for(i=0;i

編譯運(yùn)行，看看是不是打印出全1 ？

以上只是一個(gè)簡(jiǎn)單的演示。真正實(shí)用的驅(qū)動(dòng)程序要復(fù)雜的多，要處理如中斷，DMA，I/O port等問題。這些才是真正的難點(diǎn)。上述給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)編寫的框架和原理，更為復(fù)雜的編寫需要去認(rèn)真研究LINUX內(nèi)核的運(yùn)行機(jī)制和具體的設(shè)備運(yùn)行的機(jī)制等等。希望大家好好掌握LINUX設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序編寫的方法。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：如何編寫嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序？

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