基于嵌入式Linux內(nèi)核的系統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)設(shè)計

引言

Linux是一個遵循POSIX標(biāo)準(zhǔn)的免費操作系統(tǒng)。具有BSD和SYSV的擴(kuò)展特性。與其他操作系統(tǒng)相比，嵌入式Linux系統(tǒng)以其可應(yīng)用于多種硬件平臺、內(nèi)核高效穩(wěn)定、源碼開放、軟件豐富、網(wǎng)絡(luò)通信和文件管理機(jī)制完善等優(yōu)良特性而正被作為研究熱點，越來越多的研究人員采用Linux平臺來開發(fā)自己的產(chǎn)品。Linux設(shè)備驅(qū)動程序在Linux內(nèi)核源代碼中占有很大比例，從2.0、2.2到 2.4版本的內(nèi)核，源代碼的長度日益增加，其實主要是設(shè)備驅(qū)動程序在增加。

設(shè)備驅(qū)動程序的編寫

設(shè)備驅(qū)動程序是linux內(nèi)核的一部分，是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機(jī)器硬件之間的接口，它由一組函數(shù)和一些私有數(shù)據(jù)組成，是連接應(yīng)用程序與具體硬件的橋梁。Linux的一個基本特點是它對硬件設(shè)備的管理抽象化，系統(tǒng)中的每一個設(shè)備都用一個特殊的文件來表示。所有的硬件設(shè)備都像普通的文件一樣看待，使用與操作系統(tǒng)相同的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)來進(jìn)行打開、讀寫和關(guān)閉。

在Linux 操作系統(tǒng)下有3類主要的設(shè)備文件類型：塊設(shè)備、字符設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。字符設(shè)備是指存取時沒有緩存的設(shè)備?？上裎募粯釉L問字符設(shè)備，字符設(shè)備驅(qū)動程序負(fù)責(zé)實現(xiàn)這些行為。系統(tǒng)的控制臺和并口就是字符設(shè)備的例子，它們可以很好地用“流”來描述。塊設(shè)備是文件系統(tǒng)的宿主，如磁盤。 Linux允許像字符設(shè)備那樣讀取塊設(shè)備——允許一次傳輸任意數(shù)目的字節(jié)。結(jié)果是，字符設(shè)備和塊設(shè)備讀取數(shù)方式一致。而網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不同于字符設(shè)備和塊設(shè)備， 它面向的上一層不是文件系統(tǒng)而是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層，是通過BSD套接口訪問數(shù)據(jù)。與設(shè)備相對應(yīng)的是三類設(shè)備驅(qū)動程序，字符設(shè)備驅(qū)動程序、塊設(shè)備驅(qū)動程序、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序。

字符設(shè)備驅(qū)動程序、塊設(shè)備驅(qū)動程序與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序的結(jié)構(gòu)體是不同的。

在linux 源代碼linux/ include / linux/ fs. h中定義了字符設(shè)備和塊設(shè)備驅(qū)動程序中必須使用的file_operations結(jié)構(gòu)，每個設(shè)備驅(qū)動都實現(xiàn)這個接口所定義的部分或全部函數(shù)。隨著內(nèi)核的不斷升級， file_operations結(jié)構(gòu)也越來越大，不同的版本的內(nèi)核會稍有不同。file_operations定義如下：

struct file_operations{

int（ * lseek） （ struct inode * ， struct file * ， off_t ， int） ; int（ *release） （ struct inode * ， struct file * ） ;

int（ * read） （ struct inode * ， struct file * ， char * ， int） ; int（ * fsync） （ struct inode *， struct file * ） ;

int（ *write） （ struct inode * ， struct file * ， const char *， int） ; int（ * fasync） （ struct inode * ， struct file *， int） ;

int（ * readdir） （ struct inode ， struct file ， void * ， dilldir） ; int（ *check_media_change） （ kdev_t dev） ;

int（*select） （ struct inode *， struct file * ， int， select_table * ） ; int（ * revalidate） （ kdev_t dev） ; };

int （ * ioctl） （ struct inode * ， struct file *， unsigned int， unsigned long） ;

int（ *mmap） （ struct inode * ， struct file * ， struct vm_area_struct * ） ;

int（ * open） （ struct inode *， struct file *） ;

應(yīng)用程序只有通過對設(shè)備文件的open、release、read、write、ioctl等才能訪問字符設(shè)備和塊設(shè)備。用戶自己定義好 file_operations結(jié)構(gòu)后，編寫出設(shè)備實際所需要的各操作函數(shù)，對于不需要的操作函數(shù)用NULL初始化，這些操作函數(shù)將被注冊到內(nèi)核，當(dāng)應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備相應(yīng)的設(shè)備文件進(jìn)行文件操作時，內(nèi)核會找到相應(yīng)的操作函數(shù)，并進(jìn)行調(diào)用。如果操作函數(shù)使用NULL，操作函數(shù)就進(jìn)行默認(rèn)處理。

對于字符設(shè)備而言，llseek（ ），read（ ），write（），ioctl（ ），open（ ），release（ ）這些函數(shù)是不可缺的；對于塊設(shè)備，open（ ），release（ ），ioctl（），check_media_change（ ），revalidate（ ）是不可缺少的。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備結(jié)構(gòu)體 net_device 定義在 includelinuxnetdevice.h 里，如下所示：

struct net_device

{

char name ; int （*init）（struct

net_device *dev）;

unsigned short flags ; int （*open）

（struct net_device *dev）;

unsigned long base_addr; int

（*stop）（struct net_device *dev）

unsigned int irq ; int

（*hard_start_xmit）（struct sk_buff *skb，

unsigned char dev_addr; struct

net_device *dev）;

unsigned char addr_len; int

（*set_mac_address）（ struct net_device

unsigned long trans_start; *dev，void* addr）;

……

}

定義好net_device結(jié)構(gòu)體后，根據(jù)實際情況編寫操作函數(shù)，其中hard_start_xmit（）函數(shù)是用來發(fā)送數(shù)據(jù)的，set_mac_address（）是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置的。

當(dāng)linux初始化時將調(diào)用初始化函數(shù)int device_init（ ），該函數(shù)包括以下內(nèi)容：

注冊所用設(shè)備。linux用設(shè)備號來標(biāo)識字符設(shè)備和塊設(shè)備。設(shè)備號分為主設(shè)備號和從設(shè)備號，最終形成設(shè)備接點。設(shè)備節(jié)點在訪問字符設(shè)備和塊設(shè)備的設(shè)備驅(qū)動程序時將使用。通常主設(shè)備號標(biāo)識設(shè)備對應(yīng)的驅(qū)動程序，大多數(shù)設(shè)備是“一個主設(shè)備號對應(yīng)一個驅(qū)動程序”，如：虛擬控制臺和串口終端由驅(qū)動程序4管理。次設(shè)備號由內(nèi)核使用，用于確定設(shè)備文件所指的設(shè)備。字符設(shè)備和塊設(shè)備注冊時必須先定義好設(shè)備號。

字符設(shè)備注冊函數(shù)如下：

int register_chrdev（unsigned int major ，const char *name， struct file_oprations *fops）;

其中 major是主設(shè)備號。

由于對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序的訪問不需要設(shè)備節(jié)點，它的注冊函數(shù)如下：

int register_netdev（struct net_device *dev）

注冊設(shè)備所用的中斷。中斷在現(xiàn)代計算機(jī)結(jié)構(gòu)中有重要的地位，操作系統(tǒng)必須提供程序響應(yīng)中斷的能力。一般是把一個中斷處理程序注冊到系統(tǒng)中去。操作系統(tǒng)在硬件中斷發(fā)生后調(diào)用驅(qū)動程序的處理程序。

注冊中斷所用的函數(shù)如下：

int request_irq （unsigned irq，void（*handler）（int，void*，struct pt_regs*），unsigned long flags，const char*device，void* dev_id）;

其中，irq是中斷向量;handler是中斷處理函數(shù)；flags是中斷處理中的掩碼；devices是設(shè)備名；dev_id是在中斷共享使用的id。

當(dāng)linux不使用該設(shè)備時，就要調(diào)用清除函數(shù)void_devicie_exit （ ），它同初始化函數(shù)相對應(yīng)的，主要是：

注銷設(shè)備，字符設(shè)備注銷函數(shù)如下：

int unregister_chrdev（unsigned int major ，const char *name，　struct file_oprations *fops）；

注銷中斷，注銷中斷所用的函數(shù)如下：

int free_irq （unsigned irq，void（*handler）（int，void*，struct pt_regs*），unsigned long flags，const char*device，void* dev_id）;

釋放資源，模塊初始化和清除函數(shù)采用module_init（device_init），module_exit（device_exit） 形式

編寫服務(wù)子程序

服務(wù)于I/O請求的子程序，又稱為驅(qū)動程序的上半部分。調(diào)用這部分是由于系統(tǒng)調(diào)用的結(jié)果。這部分程序在執(zhí)行的時候．系統(tǒng)仍認(rèn)為是和進(jìn)行調(diào)用的進(jìn)程屬于同一個進(jìn)程． 只是用戶態(tài)變成了核心態(tài)，具有進(jìn)行此系統(tǒng)調(diào)用的用戶程序的運行環(huán)境．因此可以在其中調(diào)用sleep等與進(jìn)程運行環(huán)境有關(guān)的函數(shù)。

中斷服務(wù)子程序，又稱為驅(qū)動程序的下半部分。在Linux系統(tǒng)中．并不是直接從中斷向量表中調(diào)用設(shè)備驅(qū)動程序的中斷服務(wù)子程序，而是由Linux系統(tǒng)來接收硬件中斷，再由系統(tǒng)調(diào)用中斷服務(wù)子程序。中斷可以產(chǎn)生在任何一個進(jìn)程運行的時候，因此在中斷服務(wù)程序被調(diào)用的時候．不能依賴于仟何進(jìn)程的狀態(tài)，也就不能調(diào)用任何與進(jìn)程運行環(huán)境相關(guān)的函數(shù)。因為設(shè)備驅(qū)動程序一般支持同一類型的若干設(shè)備，所以一般在系統(tǒng)調(diào)用中斷服務(wù)程序的時候，都帶有一個或多個參數(shù)，以唯一標(biāo)識請求服務(wù)的設(shè)備。

設(shè)備驅(qū)動程序的使用

直接將驅(qū)動程序編譯進(jìn)linux內(nèi)核

將設(shè)備驅(qū)動程序復(fù)制到 linux/drivers相關(guān)的子目錄下，比如字符設(shè)備驅(qū)動程序 就放在linux/drivers/char下。

修改linux/drivers相關(guān)的子目錄的Makefile，

如obj-$（config_dev_driver） +=dev_driver.o，這樣在編譯內(nèi)核時將會編譯dev_driver.c，生成 dev_driver.o.

對內(nèi)核進(jìn)行重新編譯時，進(jìn)行相關(guān)的配置，比如要使用AT91RM9200的UART，就要如下配置：

Character devices -》 Serial drivers -》AT91RM9200 serial port support

將驅(qū)動程序編譯成驅(qū)動模塊

在設(shè)備驅(qū)動程序中要有兩個重要函數(shù)：

module_init（dev_init），module_exit（dev_exit）

利用相應(yīng)的交叉編譯器以及編譯命令將驅(qū)動程序dev_driver.c編譯成dev_driver.o 這樣的動態(tài)驅(qū)動模塊。利用insmod命令給系統(tǒng)安裝驅(qū)動模塊，如果在/dev目錄下沒有相應(yīng)的設(shè)備文件，就可以使用mknod創(chuàng)建一個設(shè)備文件。利用 rmmod命令卸載驅(qū)動模塊，設(shè)備文件的刪除可以用rm命令。

結(jié)語

設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)是在Linux環(huán)境中最復(fù)雜的編程任務(wù)之一 。它需要和硬件打交道，容易引起系統(tǒng)崩潰，而且很難調(diào)試。掌握設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)技術(shù)，將使得開發(fā)嵌入式Linux的系統(tǒng)更為迅速和有效。