干貨：嵌入式Linux驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)要點(diǎn)

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)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。這種分類方法可以將控制輸入/輸出設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序與其他操作系統(tǒng)軟件分離開來(lái)。

字符設(shè)備與塊設(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一般緊接著發(fā)生。塊設(shè)備則不然，它利用一塊系統(tǒng)內(nèi)存作為緩沖區(qū)，若用戶進(jìn)程對(duì)設(shè)備的請(qǐng)求能滿足用戶的要求，就返回請(qǐng)求的數(shù)據(jù)；否則，就調(diào)用請(qǐng)求函數(shù)來(lái)進(jìn)行實(shí)際的I/O操作。塊設(shè)備主要是針對(duì)磁盤等慢速設(shè)備設(shè)計(jì)的，以免耗費(fèi)過(guò)多的CPU時(shí)間用來(lái)等待。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以通過(guò)BSD套接口訪問(wèn)數(shù)據(jù)。

每個(gè)設(shè)備文件都有其文件屬性（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2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。設(shè)備文件的主設(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(wú)法訪問(wèn)驅(qū)動(dòng)程序。

系統(tǒng)調(diào)用時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核與應(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)核與機(jī)器硬件之間的接口。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是內(nèi)核的一部分，它完成以下功能：

*對(duì)設(shè)備初始化和釋放

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

*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)

*檢測(cè)和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯(cuò)誤

MTD（Memory Technology Device）設(shè)備是閃存芯片、小型閃存卡、記憶棒之類的設(shè)備，它們?cè)?a target="_blank">嵌入式設(shè)備中的使用正在不斷增加。MTD驅(qū)動(dòng)程序是在Linux下專門為嵌入式環(huán)境開發(fā)的新的一類驅(qū)動(dòng)程序。相對(duì)于常規(guī)塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，使用MTD驅(qū)動(dòng)程序的優(yōu)點(diǎn)在于他們能更好的支持、管理給予閃存設(shè)備，有基于扇區(qū)的擦除和讀/寫操作的更好的接口。

驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)

Linux的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以分為3個(gè)主要組成部分：

1. 自動(dòng)配置和初始化子程序，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)所要驅(qū)動(dòng)的硬件設(shè)備是否存在和能否正常工作。如果該設(shè)備正常，則對(duì)這個(gè)設(shè)備及其相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序需要的軟件狀態(tài)進(jìn)行初始化。這部分驅(qū)動(dòng)程序僅在初始化時(shí)被調(diào)用一次。

2. 服務(wù)于I/O請(qǐng)求的子程序，又稱為驅(qū)動(dòng)程序的上半部分。調(diào)用這部分程序是由于系統(tǒng)調(diào)用的結(jié)果。這部分程序在執(zhí)行時(shí)，系統(tǒng)仍認(rèn)為是與進(jìn)行調(diào)用的進(jìn)程屬于同一個(gè)進(jìn)程，只是由用戶態(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(yùn)行環(huán)境，因而可以在其中調(diào)用sleep（）等與進(jìn)行運(yùn)行環(huán)境有關(guān)的函數(shù)。

3. 中斷服務(wù)子程序，又稱為驅(qū)動(dòng)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(dòng)程序的中斷服務(wù)子程序，而是由Linux系統(tǒng)來(lái)接收硬件中斷，再由系統(tǒng)調(diào)用中斷服務(wù)子程序。中斷可以在任何一個(gè)進(jìn)程運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生，因而在中斷服務(wù)程序被調(diào)用時(shí)，不能依賴于任何進(jìn)程的狀態(tài)，也就不能調(diào)用任何與進(jìn)程運(yùn)行環(huán)境有關(guān)的函數(shù)。因?yàn)樵O(shè)備驅(qū)動(dòng)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)子程序時(shí)，都帶有一個(gè)或多個(gè)參數(shù)，以唯一標(biāo)識(shí)請(qǐng)求服務(wù)的設(shè)備。

在系統(tǒng)內(nèi)部，I/O設(shè)備的存/取通過(guò)一組固定的入口點(diǎn)來(lái)進(jìn)行，這組入口點(diǎn)是由每個(gè)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序提供的。具體到Linux系統(tǒng)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序所提供的這組入口點(diǎn)由一個(gè)文件操作結(jié)構(gòu)來(lái)向系統(tǒng)進(jìn)行說(shuō)明。file_operation結(jié)構(gòu)定義于linux/fs.h文件中。

struct file_operation{

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 file *filp， const 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 （*mmap）（void）;

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

int （*release）（struct inode *inode， struct file *filp）;

int （*fasync）（struct inode *inode， struct file *filp）;

};

file_operation結(jié)構(gòu)中的成員幾乎全部是函數(shù)指針，所以實(shí)質(zhì)上就是函數(shù)跳轉(zhuǎn)表。每個(gè)進(jìn)程對(duì)設(shè)備的操作都會(huì)根據(jù)major、minor設(shè)備號(hào)，轉(zhuǎn)換成對(duì)file_operation結(jié)構(gòu)的訪問(wèn)。

常用的操作包括以下幾種：

*lseek， 移動(dòng)文件指針的位置，只能用于可以隨機(jī)存取的設(shè)備。

*read， 進(jìn)行讀操作，參數(shù)buf為存放讀取結(jié)果的緩沖區(qū)，count為所要讀取的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。返回值為負(fù)表示讀取操作發(fā)生錯(cuò)誤；否則，返回實(shí)際讀取的字節(jié)數(shù)。對(duì)于字符型，要求讀取的字節(jié)數(shù)和返回的實(shí)際讀取字節(jié)數(shù)都必須是inode-i_blksize的倍數(shù)。

*write， 進(jìn)行寫操作，與read類似

*readdir， 取得下一個(gè)目錄入口點(diǎn)，只有與文件系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)備程序才使用。

*select， 進(jìn)行選擇操作。如果驅(qū)動(dòng)程序沒有提供select入口，select操作會(huì)認(rèn)為設(shè)備已經(jīng)準(zhǔn)備好進(jìn)行任何I/O操作。

*ioctl， 進(jìn)行讀、寫以外的其他操作，參數(shù)cmd為自定義的命令

*mmap， 用于把設(shè)備的內(nèi)容映射到地址空間，一般只有塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序使用

*open， 打開設(shè)備準(zhǔn)備進(jìn)行I/O操作。返回0表示打開成功，返回負(fù)數(shù)表示失敗。如果驅(qū)動(dòng)程序沒有提供open入口，則只要/dev/driver文件存在就認(rèn)為打開成功。

*release， 即close操作。

在用戶自己的驅(qū)動(dòng)程序中，首先要根據(jù)驅(qū)動(dòng)程序的功能，完成file_operation結(jié)構(gòu)中函數(shù)實(shí)現(xiàn)。不需要的函數(shù)接口可以直接在file_operation結(jié)構(gòu)中初始化為NULL。file_operation變量會(huì)在驅(qū)動(dòng)程序初始化時(shí)注冊(cè)到系統(tǒng)內(nèi)部。當(dāng)操作系統(tǒng)對(duì)設(shè)備操作時(shí)，會(huì)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序注冊(cè)的file_operation結(jié)構(gòu)中的函數(shù)指針。

Linux對(duì)中斷的處理

在Linux系統(tǒng)里，對(duì)中斷的處理是屬于系統(tǒng)核心部分，因而如果設(shè)別與系統(tǒng)之間以中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，就必須把該設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序作為系統(tǒng)核心的一部分。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)調(diào)用request_irq函數(shù)來(lái)申請(qǐng)中斷，通過(guò)free_irq來(lái)釋放中斷。它們被定義為：

＃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_id）;

void free_irq（unsigned int irq， void *dev_id）;

參數(shù)irq表示所要申請(qǐng)的硬件中斷號(hào)；handler為向系統(tǒng)登記的中斷處理子程序，中斷產(chǎn)生時(shí)由系統(tǒng)來(lái)調(diào)用，調(diào)用時(shí)所帶參數(shù)irq為中斷號(hào)；dev_id為申請(qǐng)時(shí)告訴系統(tǒng)的設(shè)備標(biāo)識(shí)；regs為中斷發(fā)生時(shí)的寄存器內(nèi)容；device為設(shè)備名，將會(huì)出現(xiàn)在/proc/interrupts文件里；flag是申請(qǐng)時(shí)的選項(xiàng)，它決定中斷處理程序的一些特性，其中最重要的是中斷處理程序是快速處理程序還是慢速處理程序。快速處理程序運(yùn)行時(shí)，所有中斷都被屏蔽，而慢速處理程序運(yùn)行時(shí)，除了正在處理的中斷外，其他中斷都沒有被屏蔽。在Linux系統(tǒng)中，中斷可以被不同的中斷處理程序共享。

作為系統(tǒng)核心的一部分，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在申請(qǐng)和釋放內(nèi)存時(shí)不是調(diào)用malloc和free，而代之以調(diào)用kmalloc和kfree，它們被定義為：

＃include

void *kmalloc（unsigned int len， int priority）;

void kfree（void *obj）;

參數(shù)len為希望申請(qǐng)的字節(jié)數(shù)；obj為要釋放的內(nèi)存指針；priority為分配內(nèi)存操作的優(yōu)先級(jí)，即在沒有足夠空閑內(nèi)存時(shí)如何操作，一般用GFP_KERNEL。