系统调用是 *** 作系统内核和应用程序之间的接口，设备驱动程序是 *** 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，应用程序可以象 *** 作普通文件一样对硬件设备进行 *** 作。设备驱动程序是内核的一部分，它完成以下的功能:
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 *** 作系统下有三类主要的设备文件类型，一是字符设备，二是块设备，三是网络设备。字符设备和块设备的主要区别是:在对字符设备发出读/写请求时，实际的硬件I/O一般就紧接着发生了，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 *** 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。
已经提到，用户进程是通过设备文件来与实际的硬件打交道。每个设备文件都都有其文件属性(c/b)，表示是字符设备还是块设备?另外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，第二个是从设备号，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，就可以用从设备号来区分他们。设备文件的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驱动程序。
最后必须提到的是，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，系统必须在你的驱动程序的子函数返回后才能进行其他的工作。如果你的驱动程序陷入死循环，不幸的是你只有重新启动机器了，然后就是漫长的fsck。
二、实例剖析
我们来写一个最简单的字符设备驱动程序。虽然它什么也不做，但是通过它可以了解Linux的设备驱动程序的工作原理。把下面的C代码输入机器，你就会获得一个真正的设备驱动程序。
由于用户进程是通过设备文件同硬件打交道，对设备文件的 *** 作方式不外乎就是一些系统调用，如 open，read，write，close…， 注意，不是fopen， fread，但是如何把系统调用和驱动程序关联起来呢?这需要了解一个非常关键的数据结构：
STruct file_operatiONs {
int (*seek) (struct inode * ，struct file *， off_t ，int)
int (*read) (struct inode * ，struct file *， char ，int)
int (*write) (struct inode * ，struct file *， off_t ，int)
int (*readdir) (struct inode * ，struct file *， struct dirent * ，int)
int (*select) (struct inode * ，struct file *， int ，select_table *)
int (*ioctl) (struct inode * ，struct file *， unsined int ，unsigned long)
int (*mmap) (struct inode * ，struct file *， struct vm_area_struct *)
int (*open) (struct inode * ，struct file *)
int (*release) (struct inode * ，struct file *)
int (*fsync) (struct inode * ，struct file *)
int (*fasync) (struct inode * ，struct file *，int)
int (*check_media_change) (struct inode * ，struct file *)
int (*revalidate) (dev_t dev)
}
这个结构的每一个成员的名字都对应着一个系统调用。用户进程利用系统调用在对设备文件进行诸如read/write *** 作时，系统调用通过设备文件的主设备号找到相应的设备驱动程序，然后读取这个数据结构相应的函数指针，接着把控制权交给该函数。这是linux的设备驱动程序工作的基本原理。既然是这样，则编写设备驱动程序的主要工作就是编写子函数，并填充file_operations的各个域。
下面就开始写子程序。
#include <linux/types.h>基本的类型定义
#include <linux/fs.h>文件系统使用相关的头文件
#include <linux/mm.h>
#include <linux/errno.h>
#include <asm/segment.h>
unsigned int test_major = 0
static int read_test(struct inode *inode，struct file *file，char *buf，int count)
{
int left用户空间和内核空间
if (verify_area(VERIFY_WRITE，buf，count) == -EFAULT )
return -EFAULT
for(left = count left >0 left--)
{
__put_user(1，buf，1)
buf++
}
return count
}
这个函数是为read调用准备的。当调用read时，read_test()被调用，它把用户的缓冲区全部写1。buf 是read调用的一个参数。它是用户进程空间的一个地址。但是在read_test被调用时，系统进入核心态。所以不能使用buf这个地址，必须用__put_user()，这是kernel提供的一个函数，用于向用户传送数据。另外还有很多类似功能的函数。请参考，在向用户空间拷贝数据之前，必须验证buf是否可用。这就用到函数verify_area。为了验证BUF是否可以用。
static int write_test(struct inode *inode，struct file *file，const char *buf，int count)
{
return count
}
static int open_test(struct inode *inode，struct file *file )
{
MOD_INC_USE_COUNT模块计数加以，表示当前内核有个设备加载内核当中去
return 0
}
static void release_test(struct inode *inode，struct file *file )
{
MOD_DEC_USE_COUNT
}
这几个函数都是空 *** 作。实际调用发生时什么也不做，他们仅仅为下面的结构提供函数指针。
struct file_operations test_fops = {?
read_test，
write_test，
open_test，
release_test，
}
设备驱动程序的主体可以说是写好了。现在要把驱动程序嵌入内核。驱动程序可以按照两种方式编译。一种是编译进kernel，另一种是编译成模块(modules)，如果编译进内核的话，会增加内核的大小，还要改动内核的源文件，而且不能动态的卸载，不利于调试，所以推荐使用模块方式。
int init_module(void)
{
int result
result = register_chrdev(0， "test"， &test_fops)对设备 *** 作的整个接口
if (result <0) {
printk(KERN_INFO "test: can't get major number\n")
return result
}
if (test_major == 0) test_major = result/* dynamic */
return 0
}
在用insmod命令将编译好的模块调入内存时，init_module 函数被调用。在这里，init_module只做了一件事，就是向系统的字符设备表登记了一个字符设备。register_chrdev需要三个参数，参数一是希望获得的设备号，如果是零的话，系统将选择一个没有被占用的设备号返回。参数二是设备文件名，参数三用来登记驱动程序实际执行 *** 作的函数的指针。
如果登记成功，返回设备的主设备号，不成功，返回一个负值。
void cleanup_module(void)
{
unregister_chrdev(test_major，"test")
}
在用rmmod卸载模块时，cleanup_module函数被调用，它释放字符设备test在系统字符设备表中占有的表项。
一个极其简单的字符设备可以说写好了，文件名就叫test.c吧。
下面编译 :
$ gcc -O2 -DMODULE -D__KERNEL__ -c test.c –c表示输出制定名，自动生成.o文件
得到文件test.o就是一个设备驱动程序。
如果设备驱动程序有多个文件，把每个文件按上面的命令行编译，然后
ld ?-r ?file1.o ?file2.o ?-o ?modulename。
驱动程序已经编译好了，现在把它安装到系统中去。
$ insmod ?–f ?test.o
如果安装成功，在/proc/devices文件中就可以看到设备test，并可以看到它的主设备号。要卸载的话，运行 :
$ rmmod test
下一步要创建设备文件。
mknod /dev/test c major minor
c 是指字符设备，major是主设备号，就是在/proc/devices里看到的。
用shell命令
$ cat /proc/devices
就可以获得主设备号，可以把上面的命令行加入你的shell script中去。
minor是从设备号，设置成0就可以了。
我们现在可以通过设备文件来访问我们的驱动程序。写一个小小的测试程序。
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
main()
{
int testdev
int i
char buf[10]
testdev = open("/dev/test"，O_RDWR)
if ( testdev == -1 )
{
printf("Cann't open file \n")
exit(0)
}
read(testdev，buf，10)
for (i = 0i <10i++)
printf("%d\n"，buf[i])
close(testdev)
}
编译运行，看看是不是打印出全1
以上只是一个简单的演示。真正实用的驱动程序要复杂的多，要处理如中断，DMA，I/O port等问题。这些才是真正的难点。上述给出了一个简单的字符设备驱动编写的框架和原理，更为复杂的编写需要去认真研究LINUX内核的运行机制和具体的设备运行的机制等等。希望大家好好掌握LINUX设备驱动程序编写的方法。
在学习之前一直对驱动开发非常的陌生，感觉有点神秘。不知道驱动开发和普通的程序开发究竟有什么不同；它的基本框架又是什么样的；他的开发环境有什么特殊的地方；以及怎么写编写一个简单的字符设备驱动前编译加载，下面我就对这些问题一个一个的介绍。一、驱动的基本框架
1． 那么究竟什么是驱动程序，它有什么用呢:
l 驱动是硬件设备与应用程序之间的一个中间软件层
l 它使得某个特定硬件能够响应一个定义良好的内部编程接口，同时完全隐蔽了设备的工作细节
l 用户通过一组与具体设备无关的标准化的调用来完成相应的 *** 作
l 驱动程序的任务就是把这些标准化的系统调用映射到具体设备对于实际硬件的特定 *** 作上
l 驱动程序是内核的一部分，可以使用中断、DMA等 *** 作
l 驱动程序在用户态和内核态之间传递数据
2． Linux驱动的基本框架
3． Linux下设备驱动程序的一般可以分为以下三类
1)字符设备
a) 所有能够象字节流一样访问的设备都通过字符设备来实现
b)它们被映射为文件系统中的节点，通常在/dev/目录下面
c)一般要包含open read write close等系统调用的实现
2)块设备
d)通常是指诸如磁盘、内存、Flash等可以容纳文件系统的存储设备。
e) 块设备也是通过文件系统来访问，与字符设备的区别是：内核管理数据的方式不同
f) 它允许象字符设备一样以字节流的方式来访问，也可一次传递任意多的字节。
3)网络接口设备
g)通常它指的是硬件设备，但有时也可能是一个软件设备(如回环接口loopback)，它们由内核中网络子系统驱动，负责发送和接收数据包。
h)它们的数据传送往往不是面向流的，因此很难将它们映射到一个文件系统的节点上。
二、怎么搭建一个驱动的开发环境
因为驱动是要编译进内核,在启动内核时就会驱动此硬件设备；或者编译生成一个.o文件, 当应用程序需要时再动态加载进内核空间运行。因此编译任何一个驱动程序都要链接到内核的源码树。所以搭建环境的第一步当然是建内核源码树
1. 怎么建内核源码树
a) 首先看你的系统有没有源码树，在你的/lib/ modules目录下会有内核信息，比如我当前的系统里有两个版本：
#ls /lib/ modules
2.6.15-rc7 2.6.21-1.3194.fc7
查看其源码位置:
## ll /lib/modules/2.6.15-rc7/build
lrwxrwxrwx 1 root root 27 2008-04-28 19:19 /lib/modules/2.6.15-rc7/build ->/root/xkli/linux-2.6.15-rc7
发现build是一个链接文件，其所对应的目录就是源码树的目录。但现在这里目标目录已经是无效的了。所以得自己重新下载
b)下载并编译源码树
有很多网站上可以下载，但官方网址是：
http://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v2.6/
下载完后当然就是解压编译了
# tar –xzvf linux-2.6.16.54.tar.gz
#cd linux-2.6.16.54
## make menuconfig (配置内核各选项,如果没有配置就无法下一步编译，这里可以不要改任何东西)
#make
…
如果编译没有出错。那么恭喜你。你的开发环境已经搭建好了
三、了解驱动的基本知识
1. 设备号
1)什么是设备号呢？我们进系统根据现有的设备来讲解就清楚了：
#ls -l /dev/
crwxrwxrwx 1 root root 1, 3 2009-05-11 16:36 null
crw------- 1 root root 4, 0 2009-05-11 16:35 systty
crw-rw-rw- 1 root tty 5, 0 2009-05-11 16:36 tty
crw-rw---- 1 root tty 4, 0 2009-05-11 16:35 tty0
在日期前面的两个数（如第一列就是1,3）就是表示的设备号，第一个是主设备号，第二个是从设备号
2)设备号有什么用呢？
l 传统上, 主编号标识设备相连的驱动. 例如, /dev/null 和 /dev/zero 都由驱动 1 来管理, 而虚拟控制台和串口终端都由驱动 4 管理
l 次编号被内核用来决定引用哪个设备. 依据你的驱动是如何编写的自己区别
3)设备号结构类型以及申请方式
l 在内核中, dev_t 类型(在 中定义)用来持有设备编号, 对于 2.6.0 内核, dev_t 是 32 位的量, 12 位用作主编号, 20 位用作次编号.
l 能获得一个 dev_t 的主或者次编号方式：
MAJOR(dev_t dev)//主要
MINOR(dev_t dev)//次要
l 但是如果你有主次编号, 需要将其转换为一个 dev_t, 使用: MKDEV(int major, int minor)
4)怎么在程序中分配和释放设备号
在建立一个字符驱动时需要做的第一件事是获取一个或多个设备编号来使用. 可以达到此功能的函数有两个：
l 一个是你自己事先知道设备号的
register_chrdev_region, 在 中声明:
int register_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count, char *name)
first 是你要分配的起始设备编号. first 的次编号部分常常是 0,count 是你请求的连续设备编号的总数. name 是应当连接到这个编号范围的设备的名子它会出现在 /proc/devices 和 sysfs 中.
l 第二个是动态动态分配设备编号
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned int firstminor, unsigned int count, char *name)
使用这个函数, dev 是一个只输出的参数, 它在函数成功完成时持有你的分配范围的第一个数. fisetminor 应当是请求的第一个要用的次编号它常常是 0. count 和 name 参数如同给 request_chrdev_region 的一样.
5)设备编号的释放使用
不管你是采用哪些方式分配的设备号。使用之后肯定是要释放的，其方式如下：
void unregister_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count)
6)
2. 驱动程序的二个最重要数据结构
1) file_operation
倒如字符设备scull的一般定义如下：
struct file_operations scull_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.llseek = scull_llseek,
.read = scull_read,
.write = scull_write,
.ioctl = scull_ioctl,
.open = scull_open,
.release = scull_release,
}
file_operation也称为设备驱动程序接口
定义在 , 是一个函数指针的集合. 每个打开文件(内部用一个 file 结构来代表)与它自身的函数集合相关连( 通过包含一个称为 f_op 的成员, 它指向一个 file_operations 结构). 这些 *** 作大部分负责实现系统调用, 因此, 命名为 open, read, 等等
2) File
定义位于include/fs.h
struct file结构与驱动相关的成员
l mode_t f_mode 标识文件的读写权限
l loff_t f_pos 当前读写位置
l unsigned int_f_flag 文件标志，主要进行阻塞/非阻塞型 *** 作时检查
l struct file_operation * f_op 文件 *** 作的结构指针
l void * private_data 驱动程序一般将它指向已经分配的数据
l struct dentry* f_dentry 文件对应的目录项结构
3. 字符设备注册
1)内核在内部使用类型 struct cdev 的结构来代表字符设备. 在内核调用你的设备 *** 作前, 必须编写分配并注册一个或几个这些结构. 有 2 种方法来分配和初始化一个这些结构.
l 如果你想在运行时获得一个独立的 cdev 结构,可以这样使用:
struct cdev *my_cdev = cdev_alloc()
my_cdev->ops = &my_fops
l 如果想将 cdev 结构嵌入一个你自己的设备特定的结构你应当初始化你已经分配的结构, 使用:
void cdev_init(struct cdev *cdev, struct file_operations *fops)
2)一旦 cdev 结构建立, 最后的步骤是把它告诉内核, 调用:
int cdev_add(struct cdev *dev, dev_t num, unsigned int count)
说明：dev 是 cdev 结构, num 是这个设备响应的第一个设备号, count 是应当关联到设备的设备号的数目. 常常 count 是 1, 但是有多个设备号对应于一个特定的设备的情形.
3)为从系统去除一个字符设备, 调用:
void cdev_del(struct cdev *dev)
4. open 和 release
欢迎分享，转载请注明来源：内存溢出
微信扫一扫
支付宝扫一扫
评论列表（0条）