第十章嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動程序講課稿

1、嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)(xtng)(xtng)第十章第十章 嵌入式嵌入式Linux Linux 設(shè)備驅(qū)動設(shè)備驅(qū)動程序程序1第一頁，共27頁。第十章 Agendao10.1 Linux的設(shè)備(shbi)介紹o10.2 Linux設(shè)備(shbi)驅(qū)動程序介紹o10.3 Linux的設(shè)備(shbi)驅(qū)動程序的模塊結(jié)構(gòu)o10.4 Linux的設(shè)備(shbi)驅(qū)動程序的編寫舉例2第二頁，共27頁。10.1 Linux的設(shè)備(shbi)介紹o10.1.1 Linux的設(shè)備(shbi)分類o10.1.2 設(shè)備(shbi)文件o10.1.3 設(shè)備(shbi)號3第三頁，共27頁。10.1.1 Linux的設(shè)備(

2、shbi)分類oLinux支持三類硬件設(shè)備：o字符設(shè)備：指那些無須緩沖直接讀寫的設(shè)備 o塊設(shè)備：只能以塊為單位進行讀寫，典型的塊大小(dxio)為512或1024字節(jié)。 o網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 ：可以通過BSD套接口訪問 4第四頁，共27頁。10.1.2 設(shè)備(shbi)文件oLinux抽象了對硬件的處理，所有的硬件設(shè)備都可以作為普通文件來看待；它們可以使用和操作系統(tǒng)相同的、標準的系統(tǒng)調(diào)用接口來打開、關(guān)閉、讀寫和控制I/O的操作，而驅(qū)動程序的主要任務(wù)也就是要實現(xiàn)(shxin)這些系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。 5第五頁，共27頁。設(shè)備(shbi)文件oLinux系統(tǒng)中的所有硬件設(shè)備都使用一個特殊的設(shè)備文件來表示o例如，系

3、統(tǒng)中的第一個IDE硬盤用/dev/had來表示。 串口可以(ky)用/dev/stty0來表示.o由于引入了設(shè)備文件這一概念，Linux為文件和設(shè)備提供了一致的用戶接口。對用戶來說，設(shè)備文件與普通文件并無區(qū)別。6第六頁，共27頁。10.1.3 設(shè)備(shbi)號o每個設(shè)備文件都對應(yīng)有兩個設(shè)備號：o一個是主設(shè)備號，表示該設(shè)備的種類，也標識了該設(shè)備所使用的驅(qū)動程序；o另一個是次設(shè)備號，標識使用同一設(shè)備驅(qū)動程序的不同硬件設(shè)備。o使用mknod命令可以創(chuàng)建指定類型的設(shè)備文件，同時(tngsh)為其分配相應(yīng)的主設(shè)備號和次設(shè)備號。 orootxsbase root# mknod /dev/lp0 c 6

4、0 7第七頁，共27頁。第十章 Agendao10.1 Linux的設(shè)備介紹(jisho)o10.2 Linux設(shè)備驅(qū)動程序介紹(jisho)o10.3 Linux的設(shè)備驅(qū)動程序的模塊結(jié)構(gòu)o10.4 Linux的設(shè)備驅(qū)動程序的編寫舉例8第八頁，共27頁。10.2 Linux設(shè)備(shbi)驅(qū)動程序介紹o10.2.1 設(shè)備驅(qū)動(q dn)的層次o10.2.2 設(shè)備驅(qū)動(q dn)程序與外界的接口9第九頁，共27頁。設(shè)備(shbi)驅(qū)動程序o設(shè)備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機器(j q)硬件之間的接口。設(shè)備驅(qū)動程序為應(yīng)用程序屏蔽了硬件的細節(jié)，這樣在應(yīng)用程序看來，硬件設(shè)備只是一個設(shè)備文件， 應(yīng)用程序可以

5、象操作普通文件一樣對硬件設(shè)備進行操作。o設(shè)備驅(qū)動程序主要完成以下功能：o對設(shè)備初始化和釋放。o把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù)。o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)用程序請求的數(shù)據(jù)。o檢測和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯誤。 10第十頁，共27頁。10.2.1 設(shè)備驅(qū)動(q dn)的層次oLinux下的設(shè)備驅(qū)動程序是內(nèi)核的一部分，運行在內(nèi)核模式，也就是說設(shè)備驅(qū)動程序為內(nèi)核提供了一個I/O接口，用戶使用這個接口實現(xiàn)對設(shè)備的操作。oLinux的設(shè)備驅(qū)動程序介于（設(shè)備）文件系統(tǒng)與物理設(shè)備中間。用戶通過(tnggu)應(yīng)用程序進程輸入輸入請求，進而調(diào)用（設(shè)備）文件系統(tǒng)，（設(shè)備）文件系統(tǒng)通過(tnggu)設(shè)

6、備驅(qū)動程序控制物理設(shè)備進行設(shè)備的操作，如進行磁盤文件的讀出和寫入操作等等，如圖所示。oLinux設(shè)備驅(qū)動程序包含了中斷處理程序和設(shè)備服務(wù)子程序。11第十一頁，共27頁。設(shè)備驅(qū)動(q dn)的層次12第十二頁，共27頁。10.2.2 設(shè)備(shbi)驅(qū)動程序與外界的接口o打開的設(shè)備在內(nèi)核內(nèi)部由file結(jié)構(gòu)標識，內(nèi)核使用file_operations結(jié)構(gòu)訪問驅(qū)動程序的函數(shù)。ofile_operations結(jié)構(gòu)是一個定義在中的函數(shù)指針數(shù)組，這就是通常所說的設(shè)備驅(qū)動程序與外界的接口。o每個文件都與它自己(zj)的函數(shù)集相關(guān)聯(lián)（通過包括指向file_operations結(jié)構(gòu)的一個名為f_op的指針字段）

7、。這些操作主要負責系統(tǒng)調(diào)用的實現(xiàn)，并因此被命名為open、read 等。13第十三頁，共27頁。file_operations ostruct file_operations ostruct module *owner;oloff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);ossize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *);ossize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *);oint (*readdir) (s

8、truct file *, void *, filldir_t);ounsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);oint (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);oint (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);oint (*open) (struct inode *, struct file *);oint (*flush) (struct file

9、*);oint (*release) (struct inode *, struct file *);oint (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync);oint (*fasync) (int, struct file *, int);oint (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);ossize_t (*readv) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *);ossize_t (*w

10、ritev) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *);ossize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);ounsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);o#ifdef MAGIC_ROM_PTRoint (*romptr) (st

11、ruct file *, struct vm_area_struct *);o#endif /* MAGIC_ROM_PTR */o; 14第十四頁，共27頁。Ownermodule的擁有者。Llseek重新定位讀寫位置。Read從設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)。Write向字符設(shè)備中寫入數(shù)據(jù)。Readdir只用于文件系統(tǒng)，對設(shè)備無用。Ioctl控制設(shè)備，除讀寫操作外的其他控制命令。Mmap將設(shè)備內(nèi)存映射到進程地址空間，通常只用于塊設(shè)備。Open打開設(shè)備并初始化設(shè)備。Flush清除內(nèi)容，一般只用于網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)中。Release關(guān)閉設(shè)備并釋放資源。Fsync實現(xiàn)內(nèi)存與設(shè)備的同步，如將內(nèi)存數(shù)據(jù)寫入硬盤。Fasyn

12、c實現(xiàn)內(nèi)存與設(shè)備之間的異步通訊。Lock文件鎖定，用于文件共享時的互斥訪問。Readv在進行讀操作前要驗證地址是否可讀。Writev在進行寫操作前要驗證地址是否可寫。15第十五頁，共27頁。第十章 Agendao10.1 Linux的設(shè)備介紹o10.2 Linux設(shè)備驅(qū)動程序介紹o10.3 Linux的設(shè)備驅(qū)動程序的模塊結(jié)構(gòu)o10.4 Linux的設(shè)備驅(qū)動程序的編寫(binxi)舉例16第十六頁，共27頁。10.3 Linux的設(shè)備驅(qū)動程序的模塊(m kui)結(jié)構(gòu)oLinux中的可加載模塊（loadable module）是Linux內(nèi)核支持的動態(tài)可加載模塊（dynamic loadable

13、module），它們是內(nèi)核的一部分，但是并沒有編譯到內(nèi)核里面去。o模塊可以單獨編譯成目標(mbio)代碼，以.o的目標(mbio)文件形式存在。它可以根據(jù)需要在系統(tǒng)啟動后動態(tài)加載到系統(tǒng)內(nèi)核之中。當模塊不再被需要時，可以動態(tài)地寫在出系統(tǒng)內(nèi)核。oLinux中地大多數(shù)設(shè)備驅(qū)動程序都以模塊地形式存在。 17第十七頁，共27頁。模塊(m kui)o模塊的裝載和卸載有兩種方式：o可以通過超級用戶運行insmod和rmmod命令顯式地將模塊載入內(nèi)核(ni h)或從內(nèi)核(ni h)中卸載；o內(nèi)核(ni h)自身也可以在需要時，請求守護進程（kerneld）裝載和卸載模塊。o模塊方式對性能的影響：o采用了一些額

14、外的代碼和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它們占用了一部分內(nèi)存。o用戶進程通過模塊對內(nèi)核(ni h)資源進行的訪問是間接的，不可避免地降低了內(nèi)核(ni h)資源地訪問效率。 18第十八頁，共27頁。常用命令olsmod ： 列出當前系統(tǒng)中加載的模塊。oinsmod, modprobe ：用于加載當前模塊，但insmod不會自動解決依存關(guān)系，而modprobe則可以根據(jù)模塊間依存關(guān)系以及/etc/modules/conf文件中的內(nèi)容自動插入模塊。ormmod ：把某個不再使用的模塊從內(nèi)核中卸載。odepmod ：制造模塊相關(guān)文件（module dependency file），以便(ybin)后面要使用insmod命

15、令用來查詢模塊的具體位置 19第十九頁，共27頁。第十章 Agendao10.1 Linux的設(shè)備介紹o10.2 Linux設(shè)備驅(qū)動程序介紹o10.3 Linux的設(shè)備驅(qū)動程序的模塊(m kui)結(jié)構(gòu)o10.4 Linux的設(shè)備驅(qū)動程序的編寫舉例20第二十頁，共27頁。字符(z f)設(shè)備驅(qū)動程序o一個最簡單的字符設(shè)備驅(qū)動程序o該字符設(shè)備具備4個基本操作bytedevice_open(),bytedevice_write(),bytedevice_read(),bytedevice_release()o實現(xiàn)的基本功能為向這個(zh ge)新建的字符設(shè)備先寫入一些數(shù)據(jù)，然后再從這個(zh ge)設(shè)

16、備中讀取這些數(shù)據(jù)。 21第二十一頁，共27頁。1 主要(zhyo)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和全局變量 ofile_operations oStructobytedevice.c 22第二十二頁，共27頁。2 主要(zhyo)接口函數(shù) obytedevice_open，bytedevice_release：主要是對設(shè)備進行初始化和釋放，實現(xiàn)了設(shè)備的打開和關(guān)閉功能。 obytedevice_read：當設(shè)備文件(wnjin)執(zhí)行該函數(shù)調(diào)用時，表面上看像時從設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)，實際上是從內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)隊列中讀取，通過copy_to_user()函數(shù)，把數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間傳送到用戶空間，使得用戶空間的其他代碼(測試代碼)可以

17、訪問這些數(shù)據(jù)。 obytedevice_write：和bytedevice_read()函數(shù)相似，只不過數(shù)據(jù)傳送的方向發(fā)生了變化，即把參數(shù)中的count字節(jié)數(shù)從用戶空間的緩沖區(qū)buf復(fù)制到硬件或者內(nèi)核的緩沖區(qū)中。 23第二十三頁，共27頁。3 模塊(m kui)加載 o采取模塊加載的方式 ：init_module和cleanup_module函數(shù)o主要使用(shyng)了驅(qū)動程序的注冊與注銷中的register_chrdev()和unregister_chrdev()。 24第二十四頁，共27頁。4 驅(qū)動(q dn)安裝過程 o完成上面的工作后，對前面的代碼進行編譯，并通過insmod的方式加載其到內(nèi)核中。o比如bytedevice源代碼放在/usr/src/bytedevice下，可以這樣編譯，生成bytedevice.o文件：o$ gcc bytedevice.c I /usr/src/bytedevice/include c bytedevice.c D_KERNEL_ DMODULEo接下來把目標文件加載到內(nèi)核。可以