基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)的驅(qū)動程序開發(fā)要點

在Linux操作系統(tǒng)下有3類主要的設備文件類型：塊設備、字符設備和網(wǎng)絡設備。這種分類方法可以將控制輸入/輸出設備的驅(qū)動程序與其他操作系統(tǒng)軟件分離開來。

字符設備與塊設備的主要區(qū)別是：在對字符設備發(fā)出讀/寫請求時，實際的硬件I/O一般緊接著發(fā)生。塊設備則不然，它利用一塊系統(tǒng)內(nèi)存作為緩沖區(qū)，若用戶進程對設備的請求能滿足用戶的要求，就返回請求的數(shù)據(jù);否則，就調(diào)用請求函數(shù)來進行實際的I/O操作。塊設備主要是針對磁盤等慢速設備設計的，以免耗費過多的CPU時間用來等待。網(wǎng)絡設備可以通過BSD套接口訪問數(shù)據(jù)。

每個設備文件都有其文件屬性(c/b)，表示是字符設備還是塊設備。另外每個文件都有2個設備號，第一個是主設備號，標識驅(qū)動程序;第二個是從設備號，標識使用同一個設備驅(qū)動程序的、不同的硬件設備。設備文件的主設備號必須與設備驅(qū)動程序在登記時申請的主設備號一致，否則用戶進程將無法訪問驅(qū)動程序。

系統(tǒng)調(diào)用時操作系統(tǒng)內(nèi)核與應用程序之間的接口，設備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核與機器硬件之間的接口。設備驅(qū)動程序是內(nèi)核的一部分，它完成以下功能：

◆對設備初始化和釋放

◆把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù)

◆讀取應用程序傳送給設備文件的數(shù)據(jù)和回送應用程序請求的數(shù)據(jù)

◆檢測和處理設備出現(xiàn)的錯誤

MTD(Memory Technology Device)設備是閃存芯片、小型閃存卡、記憶棒之類的設備，它們在嵌入式設備中的使用正在不斷增加。MTD驅(qū)動程序是在Linux下專門為嵌入式環(huán)境開發(fā)的新的一類驅(qū)動程序。相對于常規(guī)塊設備驅(qū)動程序，使用MTD驅(qū)動程序的優(yōu)點在于他們能更好的支持、管理給予閃存設備，有基于扇區(qū)的擦除和讀/寫操作的更好的接口。

驅(qū)動程序結(jié)構

Linux的設備驅(qū)動程序可以分為3個主要組成部分：

1. 自動配置和初始化子程序，負責監(jiān)測所要驅(qū)動的硬件設備是否存在和能否正常工作。如果該設備正常，則對這個設備及其相關的設備驅(qū)動程序需要的軟件狀態(tài)進行初始化。這部分驅(qū)動程序僅在初始化時被調(diào)用一次。

2. 服務于I/O請求的子程序，又稱為驅(qū)動程序的上半部分。調(diào)用這部分程序是由于系統(tǒng)調(diào)用的結(jié)果。這部分程序在執(zhí)行時，系統(tǒng)仍認為是與進行調(diào)用的進程屬于同一個進程，只是由用戶態(tài)變成了核心態(tài)，具有進行此系統(tǒng)調(diào)用的用戶程序的運行環(huán)境，因而可以在其中調(diào)用sleep()等與進行運行環(huán)境有關的函數(shù)。

3. 中斷服務子程序，又稱為驅(qū)動程序的下半部分。在Linux系統(tǒng)中，并不是直接從中斷向量表中調(diào)用設備驅(qū)動程序的中斷服務子程序，而是由Linux系統(tǒng)來接收硬件中斷，再由系統(tǒng)調(diào)用中斷服務子程序。中斷可以在任何一個進程運行時產(chǎn)生，因而在中斷服務程序被調(diào)用時，不能依賴于任何進程的狀態(tài)，也就不能調(diào)用任何與進程運行環(huán)境有關的函數(shù)。因為設備驅(qū)動程序一般支持同一類型的若干設備，所以一般在系統(tǒng)調(diào)用中斷服務子程序時，都帶有一個或多個參數(shù)，以唯一標識請求服務的設備。

在系統(tǒng)內(nèi)部，I/O設備的存/取通過一組固定的入口點來進行，這組入口點是由每個設備的驅(qū)動程序提供的。具體到Linux系統(tǒng)，設備驅(qū)動程序所提供的這組入口點由一個文件操作結(jié)構來向系統(tǒng)進行說明。file_operation結(jié)構定義于linux/fs.h文件中。

struct file_operation{

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, const char *buf, int count);

int (*readdir)(struct inode *inode, struct file *filp, struct dirent *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);

int (*release)(struct inode *inode, struct file *filp);

int (*fasync)(struct inode *inode, struct file *filp);

};

file_operation結(jié)構中的成員幾乎全部是函數(shù)指針，所以實質(zhì)上就是函數(shù)跳轉(zhuǎn)表。每個進程對設備的操作都會根據(jù)major、minor設備號，轉(zhuǎn)換成對file_operation結(jié)構的訪問。

常用的操作包括以下幾種：

◆lseek, 移動文件指針的位置，只能用于可以隨機存取的設備。

◆read, 進行讀操作，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。返回值為負表示讀取操作發(fā)生錯誤;否則，返回實際讀取的字節(jié)數(shù)。對于字符型，要求讀取的字節(jié)數(shù)和返回的實際讀取字節(jié)數(shù)都必須是inode-i_blksize的倍數(shù)。

◆write, 進行寫操作，與read類似

◆readdir, 取得下一個目錄入口點，只有與文件系統(tǒng)相關的設備程序才使用。

◆select, 進行選擇操作。如果驅(qū)動程序沒有提供select入口，select操作會認為設備已經(jīng)準備好進行任何I/O操作。

◆ioctl, 進行讀、寫以外的其他操作，參數(shù)cmd為自定義的命令

◆mmap, 用于把設備的內(nèi)容映射到地址空間，一般只有塊設備驅(qū)動程序使用

◆open, 打開設備準備進行I/O操作。返回0表示打開成功，返回負數(shù)表示失敗。如果驅(qū)動程序沒有提供open入口，則只要/dev/driver文件存在就認為打開成功。

◆release, 即close操作。

在用戶自己的驅(qū)動程序中，首先要根據(jù)驅(qū)動程序的功能，完成file_operation結(jié)構中函數(shù)實現(xiàn)。不需要的函數(shù)接口可以直接在file_operation結(jié)構中初始化為NULL。file_operation變量會在驅(qū)動程序初始化時注冊到系統(tǒng)內(nèi)部。當操作系統(tǒng)對設備操作時，會調(diào)用驅(qū)動程序注冊的file_operation結(jié)構中的函數(shù)指針。

Linux對中斷的處理

在Linux系統(tǒng)里，對中斷的處理是屬于系統(tǒng)核心部分，因而如果設別與系統(tǒng)之間以中斷方式進行數(shù)據(jù)交換，就必須把該設備的驅(qū)動程序作為系統(tǒng)核心的一部分。設備驅(qū)動程序通過調(diào)用request_irq函數(shù)來申請中斷，通過free_irq來釋放中斷。它們被定義為：

#i nclude

int request_irq(unsigned int irq,

void (*handler)(int irq, void dev_id, struct pt_regs *regs),

unsigned long flags,

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)生時由系統(tǒng)來調(diào)用，調(diào)用時所帶參數(shù)irq為中斷號;dev_id為申請時告訴系統(tǒng)的設備標識;regs為中斷發(fā)生時的寄存器內(nèi)容;device為設備名，將會出現(xiàn)在/proc/interrupts文件里;flag是申請時的選項，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還是慢速處理程序。快速處理程序運行時，所有中斷都被屏蔽，而慢速處理程序運行時，除了正在處理的中斷外，其他中斷都沒有被屏蔽。在Linux系統(tǒng)中，中斷可以被不同的中斷處理程序共享。

作為系統(tǒng)核心的一部分，設備驅(qū)動程序在申請和釋放內(nèi)存時不是調(diào)用malloc和free，而代之以調(diào)用kmalloc和kfree，它們被定義為：

#i nclude

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)存時如何操作，一般用GFP_KERNEL。

linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）