Linux设备驱动程序设计

Linux设备驱动的基本概念

      系统调用是操作系统内核和应用程序之间的接口；设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间的接口。设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节，这样在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以像操作普通文件一样对硬件设备进行操作。设备驱动程序是内核的一部分，它完成以下功能：

1、对设备初始化和释放。

2、把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据。

3、读取应用程序传送给设备文件的数据和回送应用程序请求的数据。

4、检测和处理设备出现的错误。

   在Linux操作系统下有两类主要的设备文件类型：字符设备和块设备。

   它们的区别是：在对字符设备发出读/写请求时，实际的硬件I/O就紧接着发生了。块设备则不然，它利用一块系统内存作缓冲区，当用户进程对设备请求能满足用户的要求，就返回请求的数据，如果不能，就调用请求函数来进行实际的I/O操作。块设备是主要针对磁盘等慢速设备设计的，以免耗费过多的CPU时间来等待。

   用户进程是通过设备文件来与实际的硬件打交道，每个设备文件都有其文件属性（c/b），表示是字符设备还是块设备。

   每个文件都有两个设备号，第一个是主设备号，标识驱动程序；第二个是次设备号，标识使用同一个设备驱动程序的不同的硬件设备，比如有两个软盘，就可以用次设备号来区分它们。设备文件的主设备号必须与设备驱动程序在登记时申请的主设备号一致，否则用户进程将无法访问到设备驱动程序。

    注意：在用户进程调用驱动程序时，系统进入核心态，这时不再是抢先式调度，也就是说，系统必须再驱动程序的子函数返回后才能进行其他的工作。如果驱动程序陷入死循环，那么整个内核系统就会崩溃只有重新启动机器。

Linux设备驱动程序设计实例

Linux系统中，设备驱动程序是操作系统内核的重要组成部分，在与硬件设备之间建立了标准的抽象接口。通过这个接口，用户可以像处理普通文件一样，对硬件设备进行打开(open)、关闭(close)、读写(read/write)等操作。通过分析和设计设备驱动程序，可以深入理解Linux系统和进行系统开发。本文通过一个简单的例子来说明设备驱动程序的设计。

1、程序清单

#ifndef __KERNEL__
#　define __KERNEL__　　         //按内核模块编译
#endif
#ifndef MODULE
#　define MODULE　　　　　　　　//设备驱动程序模块编译
#endif
#define DEVICE_NAME "MyDev"　　 
#define OPENSPK 1
#define CLOSESPK 2

//必要的头文件
#include <linux/module.h>　//同kernel.h,最基本的内核模块头文件
#include <linux/kernel.h>　//同module.h,最基本的内核模块头文件
#include <linux/sched.h>　 //这里包含了进行正确性检查的宏
#include <linux/fs.h>　　  //文件系统所必需的头文件
#include <asm/uaccess.h>　//这里包含了内核空间与用户空间进行数据交换时的
                            函数宏

#include <asm/io.h>　　　 //I/O访问

int my_major=0;　　　　　　　　 //主设备号
static int Device_Open=0;
static char Message[]="This is from device driver";
char *Message_Ptr;

int my_open(struct inode *inode, struct file *file)
{//每当应用程序用open打开设备时，此函数被调用
　printk ("ndevice_open(%p,%p)n", inode, file);
　if (Device_Open)
　　return -EBUSY;　　　//同时只能由一个应用程序打开
　Device_Open++;
　MOD_INC_USE_COUNT;　　//设备打开期间禁止卸载
　return 0;
}

static void　my_release(struct inode *inode, struct file *file)
{//每当应用程序用close关闭设备时，此函数被调用
　printk ("ndevice_release(%p,%p)n", inode, file);
　Device_Open --;
　MOD_DEC_USE_COUNT;　　//引用计数减1
}

ssize_t　my_read (struct file *f,char *buf,int size,loff_t off)
{//每当应用程序用read访问设备时，此函数被调用
　　int bytes_read=0;　　　 
#ifdef DEBUG
　　printk("nmy_read is called. User buffer is %p,size is dn",buf,size);
#endif
if (verify_area(VERIFY_WRITE,buf,size)==-EFAULT) 
　　return -EFAULT;
　　　　Message_Ptr=Message;
　　　　while(size && *Message_Ptr)
　　　　{　　　 
　　　　　　　　if(put_user(*(Message_Ptr++),buf++))　//写数据到用户空间
　　　　　　　　　　　 return -EINVAL;
　　　　　　　　size --;
　　　　　　　　bytes_read++;
　　　　}
　　　　return bytes_read; 
}

ssize_t my_write (struct file *f,const char *buf, int size,loff_t off)
{//每当应用程序用write访问设备时，此函数被调用
　　int i;
　　　　unsigned char uc;
#ifdef DEBUG
　printk("nmy_write is called. User buffer is %p,size is dn",buf,size);
#endif
if (verify_area(VERIFY_WRITE,buf,size)==-EFAULT) 
return -EFAULT;
　　　　printk("nData below is from user program:n");
　　　　for (i=0;i<size;i++)
　　　　　　　　if(!get_user(uc,buf++))       //从用户空间读数据
　　　　　　　　　　　　printk("%02x ",uc);
　　　　return size; 
}

int my_ioctl(struct inode *inod,struct file *f,unsigned int arg1,
             unsigned int arg2)
{//每当应用程序用ioctl访问设备时，此函数被调用
#ifdef DEBUG
　　printk("nmy_ioctl is called. Parameter is %p,size is %dn",arg1);
#endif
　 switch (arg1)
   {
　　　　case OPENSPK:
　　　　　　　　printk("nNow,open PC's speaker.n");
　　　　　　　　outb(inb(0x61)|3,0x61); //打开计算机的扬声器
　　　　　　　　break;
　　　　case CLOSESPK:
　　　　　　　　printk("nNow,close PC's speaker.");
　　　　　　　　outb(inb(0x61)&0xfc,0x61);//关闭计算机的扬声器
　　　　　　　　break;
   }
}

struct file_operations my_fops = {
　　NULL,　　　　　/* lseek */
　　my_read,
　　my_write,
　　NULL,
　　NULL,
　　my_ioctl,
　　NULL,
　　my_open,
　　my_release,
　/* nothing more, fill with NULLs */
};

int init_module(void)
{//每当装配设备驱动程序时，系统自动调用此函数
　　int result;
　　result = register_chrdev(my_major,DEVICE_NAME,&my_fops); 
　　if (result < 0) return result;
　　if (my_major == 0) 
　　　　　my_major = result; 
　　　　　printk("nRegister Ok. major-number=%dn",result);
　　　　　return 0;
}

void cleanup_module(void)
{//每当卸载设备驱动程序时，系统自动调用此函数
　　printk("nunloadn");
　  unregister_chrdev(my_major, DEVICE_NAME);
}

2、设备驱动程序设计

    Linux设备分为字符设备、块设备和网络设备。字符设备是不需要缓冲而直接
读写的设备，如串口、键盘、鼠标等，本例就是字符设备驱动程序；块设备的访问
通常需要缓冲来支持，以数据块为单位来读写，如磁盘设备等；网络设备是通过套
接字来访问的特殊设备。

1) 设备驱动程序和内核与应用程序的接口
    无论哪种类型的设备，Linux都是通过在内核中维护特殊的设备控制块来与设
备驱动程序接口的。在字符设备和块设备的控制块中，有一个重要的数据结构
file_operations，该结构中包含了驱动程序提供给应用程序访问硬件设备的各种
方法，其定义如下（参见fs.h）：

struct file_operations {
loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);　　　　
//响应应用程序中lseek调用的函数指针
ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *);
//响应应用程序中read调用的函数指针
ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *);
//响应应用程序中write调用的函数指针
int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);
//响应应用程序中readdir调用的函数指针
unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
//响应应用程序中select调用的函数指针
int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);
//响应应用程序中ioctl调用的函数指针
int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
//响应应用程序中mmap调用的函数指针
int (*open) (struct inode *, struct file *);　　
//响应应用程序中open调用的函数指针
int (*flush) (struct file *);　　　　　　　
int (*release) (struct inode *, struct file *);　
//响应应用程序中close调用的函数指针
int (*fsync) (struct file *, struct dentry *);　
int (*fasync) (int, struct file *, int);
int (*check_media_change) (kdev_t dev);
int (*revalidate) (kdev_t dev);
int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
};

多数情况下，只需为上面结构中的少数方法编写服务函数，其他均设为NULL即可。

    每一个可装配的设备驱动程序都必须有init_module和cleanup_module两个函数，装载和卸载设备时内核自动调用这两个函数。在init_module中，除了可以对硬件设备进行检查和初始化外，还必须调用register_* 函数将设备登记到系统中。本例中是通过register_chrdev来登记的，如果是块设备或网络设备则应该用
register_blkdev和register_netdev来登记。Register_chrdev 的主要功能是将设
备名和结构file_operations登记到系统的设备控制块中。

2) 与应用程序的数据交换
    由于设备驱动程序工作在内核存储空间，不能简单地用"="、"memcpy"等方法与应用程序交换数据。在头文件uaccess.h中定义了方法put_user(x, ptr)和
get_user(x, ptr)，用于内核空间与用户空间的数据交换。值x的类型根据指针
ptr的类型确定，请参见源代码中的my_read与my_write函数。

3) 与硬件设备的接口

    Linux中为设备驱动程序访问I/O端口、硬件中断和DMA提供了简便方法，相应的头文件分别为io.h、irq.h、dma.h。由于篇辐限制，本例中只涉及到I/O端口访问。Linux提供的I/O端口访问方法主要有：inb()、inw()、outb()、outw()、inb_p()、inw_p()、outb_p()、outw_p()等。要注意的是，设备驱动程序在使用端口前，应该先用check_region()检查该端口的占用情况，如果指定的端口可用，则再用request_region()向系统登记。说明check_region()、request_region()的头文件是ioport.h。

4) 内存分配

    设备驱动程序作为内核的一部分，不能使用虚拟内存，必须利用内核提供的
kmalloc()与kfree()来申请和释放内核存储空间。Kmalloc()带两个参数，第一个
要申请的是内存数量，在早期的版本中，这个数量必须是2的整数幂，如128、256
。关于kmalloc()与kfree()的用法，可参考内核源程序中的malloc.h与slab.c程序
。

3、程序的编译和访问

   本例在Linux 2.2.x.x中可以成功编译和运行。先用下面的命令行进行编译：
gcc -Wall -O2 -c MyDev.c该命令行中参数-Wall告诉编译程序显示警告信息；参数-O2是关于代码优化的设置，注意内核模块必须优化；参数-c规定只进行编译和汇编，不进行连接。正确编译后，形成MyDev.o文件。可以输入命insmod MyDev.o来装载此程序。如果装配成功，则显示信息：Register Ok.major-number=xx。利用命令lsmod可以看到该模块被装配到系统中。为了访问该模块，应该用命令mknode来创建设备文件。下面的应用程序可以对创建的设备文件进行访问。
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>
#define DEVICE_NAME MyDev
#define OPENSPK 1
#define CLOSESPK 2
char buf[128];
int main(){
　int f=open(DEVICE_NAME,O_RDRW);
　if (f==-1) return 1;
　printf("nHit enter key to read device...");
  read(f,buf,128);　printf(buf);
  printf("nHit enter key to write device ...");
  write(f,"test",4);
  printf("nHit enter key to open PC's speaker...");
  ioctl(f,OPENSPK);
  printf("nHit enter key to close PC's speaker...");
  ioctl(f,CLOSESPK);
　close(f);
}
 

Linux设备驱动程序中注意的问题

1、I/O端口

   和硬件打交道离不开I/O端口，在Linux下，操作系统没有对I/O端口屏蔽，也就是是说，任意驱动程序都可以对任意的I/O口操作，这样就很容易引起混乱。每个驱动程序应该自己避免误用端口。有两个重要的kernel函数可以保证驱动程序做到这一点。

check_region(int io_port,int off_set)

这个函数查看系统的I/O表，看是否有别的驱动程序在占用某段I/O端口。

参数1：I/O端口的基地址。

参数2：I/O端口占用的范围。

返回值：0－没有被占用；非0－已经被占用。

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

如果这段I/O口没有被占用，在驱动程序中就可以使用它。在使用之前，必须向系统登记，以防其被其他程序占用，登记后，在/proc/ioports文件中可以看到登记的I/O口。

参数1：I/O端口的基地址。

参数2：I/O端口占用的范围。

参数3：使用这段I/O地址的设备名。

在对I/O端口登记后，就可以放心地使用inb(),outb()之类的函数来访问了。

 

2、内存操作

   在设备驱动程序中动态开辟内存，不是用malloc，而是kmalloc，或者使用get_free_pages直接申请页。释放内存使用的是kfree或free_pages。

 

3中断处理

   同处理I/O端口一样，要使用一个中断，必须先向系统登记。

int request_irq(unsigned int irq,

                void(*handle)(int,void*,struct pt_regs*),

                unsigned int long flags,

                const char* device);

irq:要申请的中断。

bandle：中断处理函数指针。

flags：SA_INTERRUPT-请求一个快速中断；0－正常中断。

device：设备名。

如果登记成功，返回0，这时在/proc/interrupts文件中可以看到请求的中断。

 

4、和设备文件对话

   驱动程序提供了对设备操作的接口，同时在程序中实现了基本操作所需要的基本函数，用户程序通过访问设备文件的方式对设备间接操作，Linux系统提供了ioctl()函数可以很方便的实现这一操作。

int ioctl(int fd,int cmd,...)；

fd：用户程序打开设备时使用open函数返回的文件标识符。

cmd：用户程序对设备的控制命令。

省略号：一些补充参数，一般多于一个，有或没有是和cmd的意义相关的。

注意：cmd设备的控制命令选择需要根据Linux文档所提供的标准控制字中选择合适

      的控制字，如果选择不合适会造成和系统中的其他设备冲突。

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