一步步教你編寫(xiě)嵌入式Linux設備驅動(dòng)程序，快上車(chē)！

技術(shù)小白

一步步教你編寫(xiě)嵌入式Linux設備驅動(dòng)程序，快上車(chē)！
一、Linux device driver 的概念 　

系統調用是操作系統內核和應用程序之間的接口，設備驅動(dòng)程序是操作系統內核和機器硬件之間的接口。設備驅動(dòng)程序為應用程序屏蔽了硬件的細節，這樣在應用程序看來(lái)，硬件設備只是一個(gè)設備文件，應用程序可以象操作普通文件一樣對硬件設備進(jìn)行操作。設備驅動(dòng)程序是內核的一部分，它完成以下的功能:

1. 對設備初始化和釋放。
2. 把數據從內核傳送到硬件和從硬件讀取數據。
3. 讀取應用程序傳送給設備文件的數據和回送應用程序請求的數據。
4. 檢測和處理設備出現的錯誤。

在Linux操作系統下有三類(lèi)主要的設備文件類(lèi)型，一是字符設備，二是塊設備，三是網(wǎng)絡(luò )設備。字符設備和塊設備的主要區別是:在對字符設備發(fā)出讀/寫(xiě)請求時(shí)，實(shí)際的硬件I/O一般就緊接著(zhù)發(fā)生了，塊設備則不然，它利用一塊系統內存作緩沖區，當用戶(hù)進(jìn)程對設備請求能滿(mǎn)足用戶(hù)的要求，就返回請求的數據，如果不能，就調用請求函數來(lái)進(jìn)行實(shí)際的I/O操作。塊設備是主要針對磁盤(pán)等慢速設備設計的，以免耗費過(guò)多的CPU時(shí)間來(lái)等待。

已經(jīng)提到，用戶(hù)進(jìn)程是通過(guò)設備文件來(lái)與實(shí)際的硬件打交道。每個(gè)設備文件都都有其文件屬性(c/b)，表示是字符設備還是塊設備?另外每個(gè)文件都有兩個(gè)設備號，第一個(gè)是主設備號，標識驅動(dòng)程序，第二個(gè)是從設備號，標識使用同一個(gè)設備驅動(dòng)程序的不同的硬件設備，比如有兩個(gè)軟盤(pán)，就可以用從設備號來(lái)區分他們。設備文件的的主設備號必須與設備驅動(dòng)程序在登記時(shí)申請的主設備號一致，否則用戶(hù)進(jìn)程將無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)到驅動(dòng)程序。

最后必須提到的是，在用戶(hù)進(jìn)程調用驅動(dòng)程序時(shí)，系統進(jìn)入核心態(tài)，這時(shí)不再是搶先式調度。也就是說(shuō)，系統必須在你的驅動(dòng)程序的子函數返回后才能進(jìn)行其他的工作。如果你的驅動(dòng)程序陷入死循環(huán)，不幸的是你只有重新啟動(dòng)機器了，然后就是漫長(cháng)的fsck。

讀/寫(xiě)時(shí)，它首先察看緩沖區的內容，如果緩沖區的數據

如何編寫(xiě)linux操作系統下的設備驅動(dòng)程序

二、實(shí)例剖析

我們來(lái)寫(xiě)一個(gè)最簡(jiǎn)單的字符設備驅動(dòng)程序。雖然它什么也不做，但是通過(guò)它可以了解Linux的設備驅動(dòng)程序的工作原理。把下面的C代碼輸入機器，你就會(huì )獲得一個(gè)真正的設備驅動(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(shuō)所有的驅動(dòng)程序的開(kāi)頭都要包含，一般來(lái)講最好使用。

由于用戶(hù)進(jìn)程是通過(guò)設備文件同硬件打交道，對設備文件的操作方式不外乎就是一些系統調用，如 open，read，write，close…， 注意，不是fopen， fread，但是如何把系統調用和驅動(dòng)程序關(guān)聯(lián)起來(lái)呢?這需要了解一個(gè)非常關(guān)鍵的數據結構：

[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)結構的每一個(gè)成員的名字都對應著(zhù)一個(gè)系統調用。用戶(hù)進(jìn)程利用系統調用在對設備文件進(jìn)行諸如read/write操作時(shí)，系統調用通過(guò)設備文件的主設備號找到相應的設備驅動(dòng)程序，然后讀取這個(gè)數據結構相應的函數指針，接著(zhù)把控制權交給該函數。這是linux的設備驅動(dòng)程序工作的基本原理。既然是這樣，則編寫(xiě)設備驅動(dòng)程序的主要工作就是編寫(xiě)子函數，并填充file_operations的各個(gè)域。

下面就開(kāi)始寫(xiě)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)函數是為read調用準備的。當調用read時(shí)，read_test()被調用，它把用戶(hù)的緩沖區全部寫(xiě)1。buf 是read調用的一個(gè)參數。它是用戶(hù)進(jìn)程空間的一個(gè)地址。但是在read_test被調用時(shí)，系統進(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，用于向用戶(hù)傳送數據。另外還有很多類(lèi)似功能的函數。請參考，在向用戶(hù)空間拷貝數據之前，必須驗證buf是否可用。這就用到函數verify_area。

[cpp] view plain copy
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)函數都是空操作。實(shí)際調用發(fā)生時(shí)什么也不做，他們僅僅為下面的結構提供函數指針。

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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. };   

設備驅動(dòng)程序的主體可以說(shuō)是寫(xiě)好了�，F在要把驅動(dòng)程序嵌入內核。驅動(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)內核的話(huà)，會(huì )增加內核的大小，還要改動(dòng)內核的源文件，而且不能動(dòng)態(tài)的卸載，不利于調試，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入內存時(shí)，init_module 函數被調用。在這里，init_module只做了一件事，就是向系統的字符設備表登記了一個(gè)字符設備。

register_chrdev需要三個(gè)參數，參數一是希望獲得的設備號，如果是零的話(huà)，系統將選擇一個(gè)沒(méi)有被占用的設備號返回。參數二是設備文件名，參數三用來(lái)登記驅動(dòng)程序實(shí)際執行操作的函數的指針。

如果登記成功，返回設備的主設備號，不成功，返回一個(gè)負值。

[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函數被調用，它釋放字符設備test在系統字符設備表中占有的表項。

一個(gè)極其簡(jiǎn)單的字符設備可以說(shuō)寫(xiě)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)設備驅動(dòng)程序。

如果設備驅動(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。   

驅動(dòng)程序已經(jīng)編譯好了，現在把它安裝到系統中去。

[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備test，并可以看到它的主設備號。要卸載的話(huà)，運行 :

[cpp] view plain copy
1. $ rmmod test   

下一步要創(chuàng )建設備文件。

[cpp] view plain copy
1. mknod /dev/test c major minor   

c 是指字符設備，major是主設備號，就是在/proc/devices里看到的。

用shell命令

[cpp] view plain copy
1. $ cat /proc/devices   

就可以獲得主設備號，可以把上面的命令行加入你的shell script中去。

minor是從設備號，設置成0就可以了。

我們現在可以通過(guò)設備文件來(lái)訪(fǎng)問(wèn)我們的驅動(dòng)程序。寫(xiě)一個(gè)小小的測試程序。

[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)用的驅動(dòng)程序要復雜的多，要處理如中斷，DMA，I/O port等問(wèn)題。這些才是真正的難點(diǎn)。請看下節，實(shí)際情況的處理。

如何編寫(xiě)Linux操作系統下的設備驅動(dòng)程序

三、設備驅動(dòng)程序中的一些具體問(wèn)題  

1.  I/O Port

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

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

1）check_region(int io_port， int off_set)

這個(gè)函數察看系統的I/O表，看是否有別的驅動(dòng)程序占用某一段I/O口。

參數1：io端口的基地址，
參數2：io端口占用的范圍。
返回值：0 沒(méi)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(méi)有被占用，在我們的驅動(dòng)程序中就可以使用它。在使用之前，必須向系統登記，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1：io端口的基地址。
參數2：io端口占用的范圍。
參數3：使用這段io地址的設備名。
在對I/O口登記后，就可以放心地用inb()， outb()之類(lèi)的函來(lái)訪(fǎng)問(wèn)了。

在一些pci設備中，I/O端口被映射到一段內存中去，要訪(fǎng)問(wèn)這些端口就相當于訪(fǎng)問(wèn)一段內存。經(jīng)常性的，我們要獲得一塊內存的物理地址。

2. 內存操作

在設備驅動(dòng)程序中動(dòng)態(tài)開(kāi)辟內存，不是用malloc，而是kmalloc，或者用get_free_pages直接申請頁(yè)。釋放內存用的是kfree，或free_pages。 請注意，kmalloc等函數返回的是物理地址！

注意，kmalloc最大只能開(kāi)辟128k-16，16個(gè)字節是被頁(yè)描述符結構占用了。

內存映射的I/O口，寄存器或者是硬件設備的RAM(如顯存)一般占用F0000000以上的地址空間。在驅動(dòng)程序中不能直接訪(fǎng)問(wèn)，要通過(guò)kernel函數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內存用作DMA傳送。這塊程序需要一直駐留在內存，不能被交換到文件中去。但是kmalloc最多只能開(kāi)辟128k的內存。

這可以通過(guò)犧牲一些系統內存的方法來(lái)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: 是要申請的中斷。
handle：中斷處理函數指針。
flags：SA_INTERRUPT 請求一個(gè)快速中斷，0 正常中斷。
device：設備名。

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

4.一些常見(jiàn)的問(wèn)題

對硬件操作，有時(shí)時(shí)序很重要。但是如果用C語(yǔ)言寫(xiě)一些低級的硬件操作的話(huà)，gcc往往會(huì )對你的程序進(jìn)行優(yōu)化，這樣時(shí)序會(huì )發(fā)生錯誤。如果用匯編寫(xiě)呢，gcc同樣會(huì )對匯編代碼進(jìn)行優(yōu)化，除非用volatile關(guān)鍵字修飾。最保險的辦法是禁止優(yōu)化。這當然只能對一部分你自己編寫(xiě)的代碼。如果對所有的代碼都不優(yōu)化，你會(huì )發(fā)現驅動(dòng)程序根本無(wú)法裝載。這是因為在編譯驅動(dòng)程序時(shí)要用到gcc的一些擴展特性，而這些擴展特性必須在加了優(yōu)化選項之后才能體現出來(lái)。



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