基于嵌入式Linux的設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計(jì)

　　Linux為是一個成熟而穩(wěn)定的操作系統(tǒng)。將Linux植入嵌入式設(shè)備具有眾多的優(yōu)點(diǎn)，包括可剪裁和容易移植等，所以Linux操作系統(tǒng)在嵌入式領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。嵌入式Linux一直是嵌入式領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，與PC架構(gòu)不同，嵌入式系統(tǒng)的硬件具有多樣性和差異性，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)需要對特定系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，同時還要針對這些硬件來編寫驅(qū)動程序。Linux內(nèi)核就是通過驅(qū)動程序來同外圍設(shè)備打交道的，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須為每個設(shè)備編寫驅(qū)動程序，否則設(shè)備無法在操作系統(tǒng)下正常工作。

　　1 設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計(jì)的基本概念與模型

　　設(shè)備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核與機(jī)器硬件之間的接口，它為應(yīng)用程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)，在應(yīng)用程序看來，硬件設(shè)備只是一個設(shè)備文件，應(yīng)用程序可以象操作普通文件一樣對硬件設(shè)備進(jìn)行操作，設(shè)計(jì)驅(qū)動程序是內(nèi)核的一部分，可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

　　對設(shè)備初始化和釋放;

　　把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件，以及從硬件讀取數(shù)據(jù);

　　讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)，以及回送應(yīng)用程序請求的數(shù)據(jù);

　　檢測和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯誤。

　　前面已經(jīng)提到驅(qū)動程序的作用，而編寫驅(qū)動程序就是構(gòu)造一系列可供應(yīng)用程序調(diào)動的函數(shù)(包括open、release、read、write、llseek、ioctl等)。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，實(shí)現(xiàn)file_operations結(jié)構(gòu)中的函數(shù)，不需要的函數(shù)接口可以直接在file_operations結(jié)構(gòu)中初始化為NULL;file_operations變量會在驅(qū)動程序初始化時注冊到系統(tǒng)內(nèi)部。當(dāng)操作系統(tǒng)對設(shè)備操作時，會調(diào)用驅(qū)動程序注冊的file_operations結(jié)構(gòu)中的函數(shù)指針。

　　以下是嵌入式linux2.4設(shè)備驅(qū)動程序的最簡模型。

　　具體實(shí)現(xiàn)前面定義的函數(shù)時，需注意下面幾點(diǎn)：

　　1)在test_init函數(shù)中要通過調(diào)用register_chrdev()函數(shù)來向內(nèi)核注冊字符設(shè)備驅(qū)動程序。如果是塊設(shè)備，則還需調(diào)用mmmap()進(jìn)行地址空間的映射，再調(diào)用register_blkdev()函數(shù)來向內(nèi)核注冊塊設(shè)備驅(qū)動程序，在Linux系統(tǒng)中，對中斷的處理是屬于系統(tǒng)核心部分，因而如果設(shè)備與系統(tǒng)之間以中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，則必須把該設(shè)備的驅(qū)動程序作為系統(tǒng)核心的一部分，也就是說設(shè)備驅(qū)動程序要通過調(diào)用request_irq()函數(shù)來申請中斷，通過free_irq()函數(shù)來釋放中斷(在test_cleanup中實(shí)現(xiàn))。

　　2)open()函數(shù)和release()函數(shù)的具體實(shí)現(xiàn)有著一定的對應(yīng)性，在open()函數(shù)中主要是執(zhí)行打開設(shè)備時的一些初始化代碼，如果該驅(qū)動程序需要管理多個設(shè)備，那么還要獲取從設(shè)備號，根據(jù)從設(shè)備號來判斷需要操作的設(shè)備，其中，從設(shè)備號可通過調(diào)用函數(shù)MINOR(inode->i_rdev)來獲得，然后再調(diào)用宏MOD_INC_USE_COUNT來使得驅(qū)動程序使用計(jì)數(shù)器加1，而在release()函數(shù)中則要進(jìn)行相反的處理。即調(diào)用宏MOD_DEC_USE_COUNT來減小驅(qū)動程序使用計(jì)數(shù)器。

　　3)歸根到底，驅(qū)動函數(shù)的實(shí)現(xiàn)就是調(diào)用內(nèi)核所支持的函數(shù)(包括內(nèi)核提供的API和用戶自己定義的寄存器操作函數(shù))來完成對設(shè)備的操作，雖然嵌入式系統(tǒng)設(shè)備的種類眾多，不同設(shè)備操作的具體實(shí)現(xiàn)方法不可能相同，但是Linux操作系統(tǒng)提供了一系列特殊API，為開發(fā)內(nèi)核驅(qū)動程序帶來了很大的方便，調(diào)用這些API時需要注意的是：通常情況下，應(yīng)用程序是通過內(nèi)核接口訪問驅(qū)動程序的(這是驅(qū)動程序的主要使用方式)，因此驅(qū)動程序需要與應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)，但是操作系統(tǒng)內(nèi)核和驅(qū)動程序在內(nèi)核空間中運(yùn)行，而用戶程序在用戶空間中運(yùn)行，用戶程序不能訪問內(nèi)核空間，操作系統(tǒng)內(nèi)核和驅(qū)動程序也不能使用指針或memcpy()等常規(guī)的C庫函與用戶空間傳輸數(shù)據(jù)，造成這種狀況的主要原因是linux操作系統(tǒng)使用了虛擬內(nèi)存機(jī)制，使用了虛擬內(nèi)存機(jī)制后，用戶空間的內(nèi)存可能被換出，當(dāng)內(nèi)核使用用戶空間指針時，對應(yīng)的頁面可能已經(jīng)不在內(nèi)存中了，因此在使用調(diào)用函數(shù)時要注意：設(shè)備驅(qū)動程序在申請和釋放內(nèi)存時不是調(diào)用malloc()和free()，而調(diào)用kmalloc()和kfree();用于內(nèi)核空間與用戶空間進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝的函數(shù)主要有access_ok()(檢查某內(nèi)存空間是否有權(quán)訪問)，copy_to_user()和put_usr()(內(nèi)核函數(shù)向用戶空間傳輸數(shù)據(jù))，copy_from_user()和get_user()(用戶空間向內(nèi)核空間傳輸數(shù)據(jù));關(guān)于內(nèi)核空間與I/O空間的數(shù)據(jù)交換，不同體系結(jié)構(gòu)的處理器對I/O的處理方式也不同，x86系列處理器中，I/O與內(nèi)存完成不同，它是分開編址的，訪問它要使用專用的指令;而對ARM體系結(jié)構(gòu)的處理器來說，則是不區(qū)分I/O和內(nèi)存，統(tǒng)一編址的，可以使用同樣的指令訪問，在驅(qū)動程序中可以使用一系列函數(shù)來訪問I/O口，如outb()、outw()、outl()inb()、inw()、inl()、outsb()、outsw()、outsl()、insb()、insw()和insl()等。

　　2 Linux2.6與2.4內(nèi)核驅(qū)動程序的區(qū)別

　　為了徹底防止對正在被使用的內(nèi)核模塊進(jìn)行錯誤操作，linux2.6內(nèi)核在加載和導(dǎo)出內(nèi)核模塊方面都較2.4內(nèi)核有所改進(jìn)，避免了用戶執(zhí)行將導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰的操作(例如強(qiáng)制刪除模塊等)。同時，當(dāng)驅(qū)動程序需要在多個文件中包含頭文件時，不必定義宏來檢查內(nèi)核的版本。與2.4內(nèi)核相比，2.6內(nèi)核在可擴(kuò)展性、吞吐率等方面有較大提升，其新特性主要包括：使用了新的調(diào)度器算法;內(nèi)核搶占功能顯著地降低了用戶交互式應(yīng)用程序;多媒體應(yīng)用程序等類似應(yīng)用程序的延遲;改進(jìn)了線程模型以及對NPTL的支持，顯著改善了虛擬內(nèi)存在一定成程度負(fù)載下的性能;能夠支持更多的文件系統(tǒng);引進(jìn)了內(nèi)存池技術(shù);支持更多的系統(tǒng)設(shè)備，在2.4內(nèi)核中有約束大型系統(tǒng)的限制，其支持的每一類設(shè)備的最大數(shù)量為256，而2.6內(nèi)核則徹底打破了這些限制，可以支持4095種主要的設(shè)備類型，且每個單獨(dú)的類型又可以支持超過一百萬個的子設(shè)備;支持反向映射機(jī)制(reverse mapping)，內(nèi)存管理器為每一個物理頁建立一個鏈表，包含指向當(dāng)前映射頁中每個進(jìn)程的頁表?xiàng)l目的指針。該鏈表叫PTE鏈，它極大的提高了找到那些映射某個頁的進(jìn)程的速度。

　　Linux操作系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動程序是在內(nèi)核空間運(yùn)行的程序，其中涉及很多內(nèi)核的操作，隨著Linux內(nèi)核版本的升級，驅(qū)動程序的開發(fā)必然也要作出相應(yīng)的修改，總之，在linux2.6內(nèi)核上編寫設(shè)備驅(qū)動程序時具體要注意以下幾個方面：

　　1)Linux2.6內(nèi)核驅(qū)動程序必須由MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL")語句來定義許可證，而不能再用2.4內(nèi)核的MODULE_LICENSE("GPL")。否則，在編譯時會出現(xiàn)警告提示。

　　2)Linux2.6內(nèi)核驅(qū)動程序可以用int try_module_get(&module)來加載模塊，用module_put()函數(shù)來卸載模塊，而以前2.4內(nèi)核使用的宏MOD_INC_USE_COUNT和MOD_DEC_USE_COUNT則可不用。

　　3)前面給出的字符型設(shè)備驅(qū)動程序模型中結(jié)構(gòu)體file_operations的定義要采用下面的形式。這是因?yàn)樵贚inux內(nèi)核中對結(jié)構(gòu)體的定義形式發(fā)生了變化，不再支持原來的定義形式。

　　4)就字符型設(shè)備而言，test_open()函數(shù)中向內(nèi)核注冊設(shè)備的調(diào)用函數(shù)register_chrdev()可以升級為int register_chrdev_region(dev_t from，unsigned count，char * name)，如果要動態(tài)申請主設(shè)備號可調(diào)用函數(shù)int alloc_chrdev_region(dev_t * dev,unsigned baseminor,unsigned count,char * name)來完成;原來的注冊函數(shù)還可以用，只是不能注冊設(shè)備號大于256的設(shè)備，同理，對于塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的注冊函數(shù)也有著相對應(yīng)的代替函數(shù)。

　　5)在聲明驅(qū)動程序是否要導(dǎo)出符號表方面有著很大的變化。當(dāng)驅(qū)動程序模塊裝入內(nèi)核后，它所導(dǎo)出的任何符號都會變成公共符合表的一部分，在/proc/ksyms中可以看到這些新增加的符號。通常情況之下，模塊只需實(shí)現(xiàn)自己的功能，不必導(dǎo)出任何符號，然而，如果有其他模塊需要使用模塊導(dǎo)出的符號時，就必須導(dǎo)出符號，只有顯示的導(dǎo)出符號才能被其他模塊使用，Linux2.6內(nèi)核中默認(rèn)不導(dǎo)出所有的符號，不必使用EXPORT_NO_SYMBOLS宏來定義;而在2.4內(nèi)核中恰恰相反，它默認(rèn)導(dǎo)出所有的符號，除非使用EXPORT_NO_SYMBOLS，因此在上面給出的范例中可以省略去該定義語句。

　　6)Linx內(nèi)核統(tǒng)一了很多設(shè)備類型，同時也支持更大的系統(tǒng)和更多的設(shè)備，原來Linux2.4內(nèi)核中的變量kdev_t已經(jīng)被廢除不可用，取而代之的是dev_t。它拓展到了32位，其中包括12位主設(shè)備號和20位次設(shè)備號。調(diào)用函數(shù)為unsigned int iminor(struct inode * inode)和unsigned int imajor(struct inode * inode)，而不再用Linux2.4版本中的int MAJOR(kdev_t dev)和int MINOR(kdev_t dev)。

　　所有的內(nèi)存分配函數(shù)不再包含在頭文件中，而是包含在中，而原來的已經(jīng)不存在。所以當(dāng)在驅(qū)動程序中要用到函數(shù)kmalloc()或kfree()等內(nèi)存分配函數(shù)時，就必須要定義頭文件而不是。同時，前面提到的申請內(nèi)存和釋放內(nèi)存函數(shù)的具體參數(shù)也有了一定的改變，包括：分配標(biāo)志GFP_BUFFER被取消，取而代之的是GFP_NOIO和GFP_NOFS;新增了_GFP_REPEAT、_GFP_NOFAIL和_GFP_NORETRY分配標(biāo)志等，使得內(nèi)存操作更加方便。

　　8)因?yàn)閮?nèi)核中有些地方的內(nèi)存分配是不允許失敗的，所以為了確保這種情況下得成功分配，linux2.6版本內(nèi)核中開發(fā)了一種稱為"內(nèi)存池"的抽象。內(nèi)存池其實(shí)相當(dāng)于后備的高速緩存，以便在緊急狀態(tài)下使用。要使用內(nèi)存池的處理函數(shù)時，必須包含頭文件。內(nèi)存池處理函數(shù)主要有以下幾個：mempool_t *mempool_create()、void*mempool_alloc()、void mempool_free()、int mempool_resize();

　　另外值得一提的是：2.6內(nèi)核為了區(qū)別以.o為擴(kuò)展名的常規(guī)對象文件，將內(nèi)核模塊的擴(kuò)展名改為.ko，所以驅(qū)動程序最后是被編譯為ko后綴的可加載模塊，在應(yīng)用程序中加載驅(qū)動程序模塊時要注意。 結(jié)語

　　驅(qū)動程序的開發(fā)作為嵌入式linux系統(tǒng)開發(fā)過程當(dāng)中最重要的環(huán)節(jié)之一，與硬件特性和操作系統(tǒng)的內(nèi)核有著緊密的聯(lián)系。隨著linux內(nèi)核版本的升級，內(nèi)核驅(qū)動程序必然要作出相應(yīng)的改進(jìn)，相信隨著嵌入式Linux系統(tǒng)在各個領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，具有可搶占實(shí)時性的Linux2.6內(nèi)核必定會在嵌入式領(lǐng)域大顯身手。本文會對廣大的驅(qū)動程序開發(fā)人員有一定的幫助。