一步步教你編寫嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，快上車！

技術(shù)小白

一步步教你編寫嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，快上車！
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，然后就是漫長的fsck。

讀/寫時(shí)，它首先察看緩沖區(qū)的內(nèi)容，如果緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)

如何編寫linux操作系統(tǒng)下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

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。
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1. #define  __NO_VERSION__   
2. #include     
3. #include     
4. 　　char kernel_version [] = UTS_RELEASE;

這一段定義了一些版本信息，雖然用處不是很大，但也必不可少。Johnsonm說所有的驅(qū)動(dòng)程序的開頭都要包含，一般來講最好使用。

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)：

[cpp] view plain copy
1. struct file_operations   
2. {   
3. int (*seek) (struct inode * ，struct file *， off_t ，int);   
4. int (*read) (struct inode * ，struct file *， char ，int);   
5. int (*write) (struct inode * ，struct file *， off_t ，int);   
6. int (*readdir) (struct inode * ，struct file *， struct dirent * ，int);   
7. int (*select) (struct inode * ，struct file *， int ，select_table *);   
8. int (*ioctl) (struct inode * ，struct file *， unsined int ，unsigned long);   
9. int (*mmap) (struct inode * ，struct file *， struct vm_area_struct *);   
10. int (*open) (struct inode * ，struct file *);   
11. int (*release) (struct inode * ，struct file *);   
12. int (*fsync) (struct inode * ，struct file *);   
13. int (*fasync) (struct inode * ，struct file *，int);   
14. int (*check_media_change) (struct inode * ，struct file *);   
15. int (*revalidate) (dev_t dev);   
16. }   

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。
[cpp] view plain copy
1. #include    
2. #include    
3. #include    
4. #include    
5. #include    
6. unsigned int test_major = 0;   
7. static int read_test(struct inode *node，struct file *file，char *buf，int count)  
8. {   
9. int left;   
10. if (verify_area(VERIFY_WRITE，buf，count) == -EFAULT )   
11. return -EFAULT;   
12. for(left = count ; left > 0 ; left--)   
13. {   
14. __put_user(1，buf，1);   
15. buf++;   
16. }   
17. return count;   
18. }   

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。

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1. static int write_tibet(struct inode *inode，struct file *file，const char *buf，int count)   
2. {   
3. return count;   
4. }   
5.   
6. static int open_tibet(struct inode *inode，struct file *file )   
7. {  
8. MOD_INC_USE_COUNT;   
9. return 0;   
10. }   
11.   
12. static void release_tibet(struct inode *inode，struct file *file )   
13. {   
14. MOD_DEC_USE_COUNT;   
15. }   

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。

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1. struct file_operations test_fops = {   
2. NULL，   
3. read_test，   
4. write_test，   
5. NULL， /* test_readdir */   
6. NULL，   
7. NULL， /* test_ioctl */   
8. NULL， /* test_mmap */   
9. open_test，   
10. release_test，   
11. NULL， /* test_fsync */   
12. NULL， /* test_fasync */   
13. /* nothing more， fill with NULLs */   
14. };   

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。

[cpp] view plain copy
1. int init_module(void)   
2. {   
3. int result;   
4. result = register_chrdev(0， "test"， &test_fops);   
5. if (result < 0) {   
6. printk(KERN_INFO "test: can't get major number\n");   
7. return result;   
8. }   
9. if (test_major == 0) test_major = result; /* dynamic */   
10. return 0;   
11. }   

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。

[cpp] view plain copy
1. void cleanup_module(void)   
2. {   
3. unregister_chrdev(test_major，"test");   
4. }   

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 :

[cpp] view plain copy
1. $ gcc -O2 -DMODULE -D__KERNEL__ -c test.c   

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

[cpp] view plain copy
1. 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。

[cpp] view plain copy
1. $ 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 :

[cpp] view plain copy
1. $ rmmod test   

下一步要?jiǎng)?chuàng)建設(shè)備文件。

[cpp] view plain copy
1. 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

[cpp] view plain copy
1. $ 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。

[cpp] view plain copy
1. #include    
2. #include    
3. #include    
4. #include    
5. main()   
6. {   
7. int testdev;   
8. int i;   
9. char buf[10];   
10. testdev = open("/dev/test"，O_RDWR);   
11. if ( testdev == -1 )   
12. {   
13. printf("Cann't open file \n");   
14. exit(0);   
15. }   
16. read(testdev，buf，10);   
17. for (i = 0; i < 10;i++)   
18. printf("%d\n"，buf[i]);   
19. close(testdev);   
20. }   

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)。請(qǐng)看下節(jié)，實(shí)際情況的處理。

如何編寫Linux操作系統(tǒng)下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

三、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中的一些具體問題  

1.  I/O Port

和硬件打交道離不開I/O Port，老的ISA設(shè)備經(jīng)常是占用實(shí)際的I/O端口，在linux下，操作系統(tǒng)沒有對(duì)I/O口屏蔽，也就是說，任何驅(qū)動(dòng)程序都可對(duì)任意的I/O口操作，這樣就很容易引起混亂。每個(gè)驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)該自己避免誤用端口。

有兩個(gè)重要的kernel函數(shù)可以保證驅(qū)動(dòng)程序做到這一點(diǎn)。

1）check_region(int io_port， int off_set)

這個(gè)函數(shù)察看系統(tǒng)的I/O表，看是否有別的驅(qū)動(dòng)程序占用某一段I/O口。

參數(shù)1：io端口的基地址，
參數(shù)2：io端口占用的范圍。
返回值：0 沒有占用， 非0，已經(jīng)被占用。

2）request_region(int io_port， int off_set，char *devname)

如果這段I/O端口沒有被占用，在我們的驅(qū)動(dòng)程序中就可以使用它。在使用之前，必須向系統(tǒng)登記，以防止被其他程序占用。登記后，在/proc/ioports文件中可以看到你登記的io口。

參數(shù)1：io端口的基地址。
參數(shù)2：io端口占用的范圍。
參數(shù)3：使用這段io地址的設(shè)備名。
在對(duì)I/O口登記后，就可以放心地用inb()， outb()之類的函來訪問了。

在一些pci設(shè)備中，I/O端口被映射到一段內(nèi)存中去，要訪問這些端口就相當(dāng)于訪問一段內(nèi)存。經(jīng)常性的，我們要獲得一塊內(nèi)存的物理地址。

2. 內(nèi)存操作

在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中動(dòng)態(tài)開辟內(nèi)存，不是用malloc，而是kmalloc，或者用get_free_pages直接申請(qǐng)頁。釋放內(nèi)存用的是kfree，或free_pages。 請(qǐng)注意，kmalloc等函數(shù)返回的是物理地址！

注意，kmalloc最大只能開辟128k-16，16個(gè)字節(jié)是被頁描述符結(jié)構(gòu)占用了。

內(nèi)存映射的I/O口，寄存器或者是硬件設(shè)備的RAM(如顯存)一般占用F0000000以上的地址空間。在驅(qū)動(dòng)程序中不能直接訪問，要通過kernel函數(shù)vremap獲得重新映射以后的地址。

另外，很多硬件需要一塊比較大的連續(xù)內(nèi)存用作DMA傳送。這塊程序需要一直駐留在內(nèi)存，不能被交換到文件中去。但是kmalloc最多只能開辟128k的內(nèi)存。

這可以通過犧牲一些系統(tǒng)內(nèi)存的方法來解決。

3. 中斷處理

同處理I/O端口一樣，要使用一個(gè)中斷，必須先向系統(tǒng)登記。

[cpp] view plain copy
1. int request_irq(unsigned int irq ，void(*handle)(int，void *，struct pt_regs *)，  
2. unsigned int long flags， const char *device);   

irq: 是要申請(qǐng)的中斷。
handle：中斷處理函數(shù)指針。
flags：SA_INTERRUPT 請(qǐng)求一個(gè)快速中斷，0 正常中斷。
device：設(shè)備名。

如果登記成功，返回0，這時(shí)在/proc/interrupts文件中可以看你請(qǐng)求的中斷。

4.一些常見的問題

對(duì)硬件操作，有時(shí)時(shí)序很重要。但是如果用C語言寫一些低級(jí)的硬件操作的話，gcc往往會(huì)對(duì)你的程序進(jìn)行優(yōu)化，這樣時(shí)序會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。如果用匯編寫呢，gcc同樣會(huì)對(duì)匯編代碼進(jìn)行優(yōu)化，除非用volatile關(guān)鍵字修飾。最保險(xiǎn)的辦法是禁止優(yōu)化。這當(dāng)然只能對(duì)一部分你自己編寫的代碼。如果對(duì)所有的代碼都不優(yōu)化，你會(huì)發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序根本無法裝載。這是因?yàn)樵诰幾g驅(qū)動(dòng)程序時(shí)要用到gcc的一些擴(kuò)展特性，而這些擴(kuò)展特性必須在加了優(yōu)化選項(xiàng)之后才能體現(xiàn)出來。



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