LINUX下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

1、發(fā)信人: olly (劍膽琴心), 信區(qū): Linux標(biāo) 題: LINUX下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序三、UNIX系統(tǒng)下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序3.1、UNIX下設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的基本結(jié)構(gòu)在UNIX系統(tǒng)里，對用戶程序而言，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序隱藏了設(shè)備的具體細(xì)節(jié)，對各種不同設(shè)備提供了一致的接口，一般來說是把設(shè)備映射為一個(gè)特殊的設(shè)備文件，用戶程序可以象對其它文件一樣對此設(shè)備文件進(jìn)行操作。UNIX對硬件設(shè)備支持兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口：塊特別設(shè)備文件和字符特別設(shè)備文件，通過塊（字符）特別設(shè)備文件存取的設(shè)備稱為塊（字符）設(shè)備或具有塊（字符）設(shè)備接口。塊設(shè)備接口僅支持面向塊的I/O操作，所有I/O操作都通過在內(nèi)核地址空間中的I/O緩沖區(qū)進(jìn)行，它可

2、以支持幾乎任意長度和任意位置上的I/O請求，即提供隨機(jī)存取的功能。字符設(shè)備接口支持面向字符的I/O操作，它不經(jīng)過系統(tǒng)的快速緩存，所以它們負(fù)責(zé)管理自己的緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)。字符設(shè)備接口只支持順序存取的功能，一般不能進(jìn)行任意長度的I/O請求，而是限制I/O請求的長度必須是設(shè)備要求的基本塊長的倍數(shù)。顯然，本程序所驅(qū)動(dòng)的串行卡只能提供順序存取的功能，屬于是字符設(shè)備，因此后面的討論在兩種設(shè)備有所區(qū)別時(shí)都只涉及字符型設(shè)備接口。設(shè)備由一個(gè)主設(shè)備號和一個(gè)次設(shè)備號標(biāo)識(shí)。主設(shè)備號唯一標(biāo)識(shí)了設(shè)備類型，即設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序類型，它是塊設(shè)備表或字符設(shè)備表中設(shè)備表項(xiàng)的索引。次設(shè)備號僅由設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序解釋，一般用于識(shí)別在若干可能的硬件設(shè)備

3、中，I/O請求所涉及到的那個(gè)設(shè)備。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以分為三個(gè)主要組成部分：(1) 自動(dòng)配置和初始化子程序，負(fù)責(zé)檢測所要驅(qū)動(dòng)的硬件設(shè)備是否存在和是否能正常工作。如果該設(shè)備正常，則對這個(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)程序僅在初始化的時(shí)候被調(diào)用一次。(2) 服務(wù)于I/O請求的子程序，又稱為驅(qū)動(dòng)程序的上半部分。調(diào)用這部分是由于系統(tǒng)調(diào)用的結(jié)果。這部分程序在執(zhí)行的時(shí)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(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，因此可以在其中調(diào)用sleep()等與進(jìn)程運(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

4、的下半部分。在UNIX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UNIX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(gè)進(jìn)程運(yùn)行的時(shí)候，因此在中斷服務(wù)程序被調(diào)用的時(shí)候，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)子程序的時(shí)候，都帶有一個(gè)或多個(gè)參數(shù)，以唯一標(biāo)識(shí)請求服務(wù)的設(shè)備。在系統(tǒng)內(nèi)部，I/O設(shè)備的存取通過一組固定的入口點(diǎn)來進(jìn)行，這組入口點(diǎn)是由每個(gè)設(shè)備的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供的。一般來說，字符型設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序能夠提供如下幾個(gè)入口點(diǎn)：(1) open入口點(diǎn)。打開

5、設(shè)備準(zhǔn)備I/O操作。對字符特別設(shè)備文件進(jìn)行打開操作，都會(huì)調(diào)用設(shè)備的open入口點(diǎn)。open子程序必須對將要進(jìn)行的I/O操作做好必要的準(zhǔn)備工作，如清除緩沖區(qū)等。如果設(shè)備是獨(dú)占的，即同一 時(shí)刻只能有一個(gè)程序訪問此設(shè)備，則open子程序必須設(shè)置一些標(biāo)志以表示設(shè)備處于忙狀態(tài)。(2) close入口點(diǎn)。關(guān)閉一個(gè)設(shè)備。當(dāng)最后一次使用設(shè)備終結(jié)后，調(diào)用close子程序。獨(dú)占設(shè)備必須標(biāo)記設(shè)備可再次使用。(3) read入口點(diǎn)。從設(shè)備上讀數(shù)據(jù)。對于有緩沖區(qū)的I/O操作，一般是從緩沖區(qū)里讀數(shù)據(jù)。對字符特別設(shè)備文件進(jìn)行讀操作將調(diào)用read子程序。(4) write入口點(diǎn)。往設(shè)備上寫數(shù)據(jù)。對于有緩沖區(qū)的I/O操作，一般

6、是把數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)里。對字符特別設(shè)備文件進(jìn)行寫操作將調(diào)用write子程序。(5) ioctl入口點(diǎn)。執(zhí)行讀、寫之外的操作。(6) select入口點(diǎn)。檢查設(shè)備，看數(shù)據(jù)是否可讀或設(shè)備是否可用于寫數(shù)據(jù)。select系統(tǒng)調(diào)用在檢查與設(shè)備特別文件相關(guān)的文件描述符時(shí)使用select入口點(diǎn)。如果設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序沒有提供上述入口點(diǎn)中的某一個(gè)，系統(tǒng)會(huì)用缺省的子程序來代替。對于不同的系統(tǒng)，也還有一些其它的入口點(diǎn)。3.2、LINUX系統(tǒng)下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序具體到LINUX系統(tǒng)里，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序所提供的這組入口點(diǎn)由一個(gè)結(jié)構(gòu)來向系統(tǒng)進(jìn)行說明，此結(jié)構(gòu)定義為：#include <linux/fs.h>struct fi

7、le_operations 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, char *buf,int count); int (*readdir)(struct inode *inode,struct file *filp, struct diren

8、t *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); void (*release) (struct inod

9、e *inode, struct file *filp); int (*fsync) (struct inode *inode, struct file *filp);其中，struct inode提供了關(guān)于特別設(shè)備文件/dev/driver（假設(shè)此設(shè)備名為driver）的信息，它的定義為：#include <linux/fs.h>struct inode dev_t i_dev; unsigned long i_ino; /* Inode number */ umode_t i_mode; /* Mode of the file */ nlink_t i_nlink; uid_t

10、 i_uid; gid_t i_gid; dev_t i_rdev; /* Device major and minor numbers*/ off_t i_size; time_t i_atime; time_t i_mtime; time_t i_ctime; unsigned long i_blksize; unsigned long i_blocks; struct inode_operations * i_op; struct super_block * i_sb; struct wait_queue * i_wait; struct file_lock * i_flock; str

11、uct vm_area_struct * i_mmap; struct inode * i_next, * i_prev; struct inode * i_hash_next, * i_hash_prev; struct inode * i_bound_to, * i_bound_by; unsigned short i_count; unsigned short i_flags; /* Mount flags (see fs.h) */ unsigned char i_lock; unsigned char i_dirt; unsigned char i_pipe; unsigned ch

12、ar i_mount; unsigned char i_seek; unsigned char i_update; union struct pipe_inode_info pipe_i; struct minix_inode_info minix_i; struct ext_inode_info ext_i; struct msdos_inode_info msdos_i; struct iso_inode_info isofs_i; struct nfs_inode_info nfs_i; u;struct file主要用于與文件系統(tǒng)對應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序使用。當(dāng)然，其它設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序也可以使用

13、它。它提供關(guān)于被打開的文件的信息，定義為：#include <linux/fs.h>struct file mode_t f_mode; dev_t f_rdev; /* needed for /dev/tty */ off_t f_pos; /* Curr. posn in file */ unsigned short f_flags; /* The flags arg passed to open */ unsigned short f_count; /* Number of opens on this file */ unsigned short f_reada; struc

14、t inode *f_inode; /* pointer to the inode struct */ struct file_operations *f_op;/* pointer to the fops struct*/;在結(jié)構(gòu)file_operations里，指出了設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序所提供的入口點(diǎn)位置，分別是：(1) lseek，移動(dòng)文件指針的位置，顯然只能用于可以隨機(jī)存取的設(shè)備。(2) 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in

15、ode->i_blksize的的倍數(shù)。(3) write，進(jìn)行寫操作，與read類似。(4) 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)備驅(qū)動(dòng)程序才使用。(5) selec，進(jìn)行選擇操作，如果驅(qū)動(dòng)程序沒有提供select入口，select操作將會(huì)認(rèn)為設(shè)備已經(jīng)準(zhǔn)備好進(jìn)行任何的I/O操作。(6) ioctl，進(jìn)行讀、寫以外的其它操作，參數(shù)cmd為自定義的的命令。(7) 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。(8) 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/dr

16、iver文件存在就認(rèn)為打開成功。(9) release，即close操作。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序所提供的入口點(diǎn)，在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序初始化的時(shí)候向系統(tǒng)進(jìn)行登記，以便系統(tǒng)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候調(diào)用。LINUX系統(tǒng)里，通過調(diào)用register_chrdev向系統(tǒng)注冊字符型設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。register_chrdev定義為： #include <linux/fs.h> #include <linux/errno.h> int register_chrdev(unsigned int major, const char *name, struct file_operations *fops);其中，ma

17、jor是為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序向系統(tǒng)申請的主設(shè)備號，如果為0則系統(tǒng)為此驅(qū)動(dòng)程序動(dòng)態(tài)地分配一個(gè)主設(shè)備號。name是設(shè)備名。fops就是前面所說的對各個(gè)調(diào)用的入口點(diǎn)的說明。此函數(shù)返回0表示成功。返回-EINVAL表示申請的主設(shè)備號非法，一般來說是主設(shè)備號大于系統(tǒng)所允許的最大設(shè)備號。返回-EBUSY表示所申請的主設(shè)備號正在被其它設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序使用。如果是動(dòng)態(tài)分配主設(shè)備號成功，此函數(shù)將返回所分配的主設(shè)備號。如果register_chrdev操作成功，設(shè)備名就會(huì)出現(xiàn)在/proc/devices文件里。初始化部分一般還負(fù)責(zé)給設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序申請系統(tǒng)資源，包括內(nèi)存、中斷、時(shí)鐘、I/O端口等，這些資源也可以在open子程序

18、或別的地方申請。在這些資源不用的時(shí)候，應(yīng)該釋放它們，以利于資源的共享。在UNIX系統(tǒng)里，對中斷的處理是屬于系統(tǒng)核心的部分，因此如果設(shè)備與系統(tǒng)之間以中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的話，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)程序通過調(diào)用request_irq函數(shù)來申請中斷，通過free_irq來釋放中斷。它們的定義為：#include <linux/sched.h>int request_irq(unsigned int irq, void (*handler)(int irq,void dev_id,struct pt_regs *regs), unsigned long fl

19、ags, const char *device, void *dev_id);void free_irq(unsigned int irq, void *dev_id);參數(shù)irq表示所要申請的硬件中斷號。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)來調(diào)用，調(diào)用時(shí)所帶參數(shù)irq為中斷號，dev_id為申請時(shí)告訴系統(tǒng)的設(shè)備標(biāo)識(shí)，regs為中斷發(fā)生時(shí)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（flag里設(shè)置了SA_INTERRUPT）還是慢速處理程

20、序（不設(shè)置SA_INTERRUPT），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，其它中斷都沒有被屏蔽。在LINUX系統(tǒng)中，中斷可以被不同的中斷處理程序共享，這要求每一個(gè)共享此中斷的處理程序在申請中斷時(shí)在flags里設(shè)置SA_SHIRQ，這些處理程序之間以dev_id來區(qū)分。如果中斷由某個(gè)處理程序獨(dú)占，則dev_id可以為NULL。request_irq返回0表示成功，返回-INVAL表示irq>15或handler=NULL，返回-EBUSY表示中斷已經(jīng)被占用且不能共享。作為系統(tǒng)核心的一部分，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在申請和釋放內(nèi)存時(shí)不是調(diào)用malloc和fr

21、ee，而代之以調(diào)用kmalloc和kfree，它們被定義為：#include <linux/kernel.h>void * kmalloc(unsigned int len, int priority);void kfree(void * obj);參數(shù)len為希望申請的字節(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，即在沒有足夠空閑內(nèi)存時(shí)如何操作，一般用GFP_KERNEL。與中斷和內(nèi)存不同，使用一個(gè)沒有申請的I/O端口不會(huì)使CPU產(chǎn)生異常，也就不會(huì)導(dǎo)致諸如“segmentation fault"一類的錯(cuò)誤發(fā)生。任何進(jìn)程都可以訪問任何一個(gè)I/O

22、端口。此時(shí)系統(tǒng)無法保證對I/O端口的操作不會(huì)發(fā)生沖突，甚至?xí)虼硕瓜到y(tǒng)崩潰。因此，在使用I/O端口前，也應(yīng)該檢查此I/O端口是否已有別的程序在使用，若沒有，再把此端口標(biāo)記為正在使用，在使用完以后釋放它。這樣需要用到如下幾個(gè)函數(shù)：int check_region(unsigned int from, unsigned int extent);void request_region(unsigned int from, unsigned int extent, const char *name);void release_region(unsigned int from, unsigned in

23、t extent);調(diào)用這些函數(shù)時(shí)的參數(shù)為：from表示所申請的I/O端口的起始地址；extent為所要申請的從from開始的端口數(shù)；name為設(shè)備名，將會(huì)出現(xiàn)在/proc/ioports文件里。check_region返回0表示I/O端口空閑，否則為正在被使用。在申請了I/O端口之后，就可以如下幾個(gè)函數(shù)來訪問I/O端口：#include <asm/io.h>inline unsigned int inb(unsigned short port);inline unsigned int inb_p(unsigned short port);inline void outb(char

24、 value, unsigned short port);inline void outb_p(char value, unsigned short port);其中inb_p和outb_p插入了一定的延時(shí)以適應(yīng)某些慢的I/O端口。在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序里，一般都需要用到計(jì)時(shí)機(jī)制。在LINUX系統(tǒng)中，時(shí)鐘是由系統(tǒng)接管，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以向系統(tǒng)申請時(shí)鐘。與時(shí)鐘有關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用有：#include <asm/param.h>#include <linux/timer.h>void add_timer(struct timer_list * timer);int del_timer(st

25、ruct timer_list * timer);inline void init_timer(struct timer_list * timer);struct timer_list的定義為：struct timer_list struct timer_list *next; struct timer_list *prev; unsigned long expires; unsigned long data; void (*function)(unsigned long d); ;其中expires是要執(zhí)行function的時(shí)間。系統(tǒng)核心有一個(gè)全局變量JIFFIES表示當(dāng)前時(shí)間，一般在調(diào)用a

26、dd_timer時(shí)jiffies=JIFFIES+num,表示在num個(gè)系統(tǒng)最小時(shí)間間隔后執(zhí)行function。系統(tǒng)最小時(shí)間間隔與所用的硬件平臺(tái)有關(guān)，在核心里定義了常數(shù)HZ表示一秒內(nèi)最小時(shí)間間隔的數(shù)目，則num*HZ表示num秒。系統(tǒng)計(jì)時(shí)到預(yù)定時(shí)間就調(diào)用function，并把此子程序從定時(shí)隊(duì)列里刪除，因此如果想要每隔一定時(shí)間間隔執(zhí)行一次的話，就必須在function里再一次調(diào)用add_timer。function的參數(shù)d即為timer里面的data項(xiàng)。在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序里，還可能會(huì)用到如下的一些系統(tǒng)函數(shù)：#include <asm/system.h>#define cli() _asm

27、_ _volatile_ ("cli":)#define sti() _asm_ _volatile_ ("sti":)這兩個(gè)函數(shù)負(fù)責(zé)打開和關(guān)閉中斷允許。#include <asm/segment.h>void memcpy_fromfs(void * to,const void * from,unsigned long n);void memcpy_tofs(void * to,const void * from,unsigned long n);在用戶程序調(diào)用read 、write時(shí)，因?yàn)檫M(jìn)程的運(yùn)行狀態(tài)由用戶態(tài)變?yōu)楹诵膽B(tài)，地址空間也變?yōu)楹诵牡刂房臻g。而read、write中參數(shù)buf是指向用戶程序的私有地址空間的，所以不能直接訪問，必須通過上述兩個(gè)系統(tǒng)函數(shù)來訪問用戶程序的私有地址空間。memcpy_fromfs由用戶程序地址空間往核心地址空間復(fù)制，memcpy_tofs則反之。參數(shù)to為復(fù)制的目的指針，from為源指針，n為要復(fù)制的字節(jié)數(shù)。在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序里，可以調(diào)用printk來打印一些調(diào)試信息，用法與printf類似。printk打印的信息不僅出現(xiàn)在屏幕上，同時(shí)還記錄在文件syslog里。3.3、