第10章嵌入式Linux設備驅動10.1Linux設備驅動基本原理10.2Linux設備驅動程序模塊10.3Linux設備驅動程序接口10.4Linux設備驅動程序實現過程10.5怎樣編寫設備驅動程序10.6Linux2.6內核驅動原理本章小結

10.1Linux設備驅動基本原理

10.1.1概述

操作系統是通過各種驅動程序來駕馭硬件設備，它為用戶屏蔽了各種各樣的硬件設備，驅動硬件是操作系統最基本的功能，并且提供統一的操作方式。正如我們查看屏幕上的文檔時，不用去管到底使用nVIDIA芯片，還是ATI芯片的顯示卡，只需知道輸入命令后，需要的文字就顯示在屏幕上。硬件驅動程序是操作系統最基本的組成部分，在Linux內核源程序中也占有較高的比例。圖10-1設備驅動程序在系統結構圖中的位置從圖10-1中可以看出，設備驅動程序在整個系統中的功能是：

①它是操作系統內核和機器硬件之間的接口；

②它控制著設備的操作動作；

③向應用程序提供一個可用的程序接口與設備互動。10.1.2設備文件

當加載了設備驅動模塊程序后，應該怎樣訪問這些設備呢？

Linux是一種類Unix系統，Unix的一個基本特點是一切皆為文件，它抽象了設備的處理，將所有的硬件設備都像普通文件一樣看待，也就是說硬件可以跟普通文件一樣打開、關閉和讀寫。

系統中的設備都用一個設備特殊文件代表，叫做設備文件，設備文件又分為Block(塊)型設備文件、Character(字符)型設備文件和Socket(網絡插件)型設備文件。10.1.3使用/proc目錄中的文件監視驅動程序的狀態

通過設備文件怎樣訪問到相應的驅動程序呢？

它們中間有一個橋梁，那就是proc文件系統，它一般會被加載到?/proc目錄。訪問設備文件時，操作系統通常會通過查找?/proc目錄下的值，確定由哪些驅動模塊來完成任務。如果proc文件系統沒有加載，訪問設備文件時就會出現錯誤。

10.2Linux設備驅動程序模塊

Linux內核中采用可加載的模塊化設計，一般情況下編譯的Linux內核是支持可插入式模塊的，也就是將最基本的核心代碼編譯在內核中，其他的代碼可以選擇是在內核中，或者編譯為內核的模塊文件。即Linux下的設備驅動程序可以按照兩種方式進行編譯：一種是直接靜態編譯成內核的一部分；另一種是編譯成可以動態加載的模塊。

10.3Linux設備驅動程序接口

Linux下的設備驅動程序被組織為一組完成不同任務的函數的集合，通過這些函數使得Linux的設備操作猶如文件一般。

1.?llseek

該函數用來修改文件的當前讀寫位置，并將新位置作為(正的)返回值返回。

2.?read

當對設備特殊文件進行read()系統調用時，將調用驅動程序read()函數。該函數用來從設備中讀取數據。當該函數指針被賦為NULL值時，將導致read系統調用出錯并返回-EINVAL(“Invalidargument，非法參數”)。函數返回非負值表示成功讀取的字節數(返回值為“signedsize”數據類型，通常就是目標平臺上的固有整數類型)。

3.?write

當設備特殊文件進行write()系統調用時，將調用驅動程序的write()函數。該函數用來向設備發送數據。如果沒有這個函數，write系統調用會向調用程序返回一個?-EINVAL。如果返回值非負，則表示成功寫入的字節數。

4.?readdir

讀取目錄，對于設備文件來說，這個字段應該為NULL，它僅用于讀且只對文件系統有用。

5.?poll

用來查詢設備是否可讀或可寫，或是否處于某種特殊狀態。

6.?ioctl

該函數是特殊的控制函數，可以通過它向設備傳遞控制信息或從設備取得狀態信息，函數原型為：

int(*ioctl)(structinode*,structfile*,unsignedint,unsignedlong)

7.?open

對設備特殊文件進行open()系統調用時，將調用驅動程序的open()函數：

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

8.?release

當最后一個打開設備的用戶進程執行close()系統調用時，內核將調用驅動程序的release()函數。release函數的主要任務是清理未結束的輸入/輸出操作、釋放資源、用戶自定義排他標志的復位等。

10.4Linux設備驅動程序實現過程

Linux的設備驅動程序實現過程大致可以分為如下幾個部分：

(1)驅動程序的注冊與注銷；

(2)設備的打開與釋放；

(3)設備的讀寫操作；

(4)設備的控制操作；

(5)中斷處理。10.4.1驅動程序的注冊與注銷

內核提供一個字符設備注冊表，用于管理登記各種字符設備的名字和對應操作。該數據結構在文件fs/devices.c中定義，定義形式為：

structdevice_struct{

constchar*name;//設備名稱

structfile_operations*fops;//設備相關文件操作

}

staticstrutdevice_structchrdevs[MAXCHRDEV]10.4.2設備的打開與釋放

打開設備：是通過調用file_operations結構中的函數open()來完成的，它是驅動程序用來為后面的操作完成初始化準備工作的。10.4.3設備的控制操作(ioctl)

ioctl方法主要用于對設備進行讀寫之外的其他控制，比如配置設備、進入或退出某種操作模式，這些操作一般都無法通過read/write文件操作來完成，這就是ioctl操作的功能。10.4.4中斷處理

中斷是所有現在微處理器的重要功能，Linux驅動程序中對于中斷的處理方法一般使用以下幾個函數：

(1)請求安裝某個中斷號的處理函數：

externintrequest_irq(unsignedintirq,void(*handler)(int,void*,structpt_regs*),unsignedlongflag,constchar*dev_name,void*dev_id);

(2)釋放中斷函數：

externvoidfree_irq(unsignedint,void*);

request_irq函數中的參數說明如表10-2所示。

10.5怎樣編寫設備驅動程序

上面講述了設備驅動程序相關的概念和基本原理，下面通過一個實例來講述編寫設備驅動程序的一般方法。

假設一個非常簡單的虛擬字符設備：這個設備中只有一個4個字節的全局變量intglobal_var，而這個設備的名字叫做“globalvar”。對“globalvar”設備的讀寫等操作，即是對其中全局變量global_var的操作。驅動程序是內核的一部分，因此我們需要給其添加模塊初始化函數，該函數用來完成對所控設備的初始化工作，并調用register_chrdev()函數注冊字符設備：與模塊初始化函數對應的就是模塊卸載函數，需要調用register_chrdev()的反函數unregister_chrdev()：圖10-2加載globalvar模塊結果圖10-3Linux版本鏈接錯誤圖10-4“globalvar”模塊測試

10.6Linux2.6內核驅動原理

從2.6版本開始引入了platform這個概念。首先介紹一下2.6版本注冊一個驅動的步驟：

(1)定義一個platform_driver結構；

(2)初始化這個結構，指定其probe、remove等函數，并初始化其中的driver變量；

(3)實現其probe、remove等函數。當用戶打開一個設備，并調用其read、write等函數的時候，就可以通過上面的file_operations來找到相關的函數。所以，用戶驅動程序還需要實現這些函數，具體實現和相關的設備有密切的關系