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Linux系统驱动概述 驱动程序与应用程序的区别 n 应用程序一般有一个main函数，从头到尾执行一 个任务；应用程序可以和GLIBC库连接 n 驱动程序没有main函数，通过使用宏 module_init(初始化函数名) 将初始化函数加入内 核全局初始化函数列表中，在内核初始化时执行 驱动的初始化函数，从而完成驱动的初始化和注 册，之后驱动便停止等待被应用软件调用。驱动 程序中有一个宏moudule_exit(退出处理函数名)注 册退出处理函数。它在驱动退出时被调用。驱动 程序中是不能使用标准C库的 内核版本与编译器的版本依赖 n 当模块与内核链接时，insmod会检查模块和当前内核版本 是否匹配，每个模块都定义了版本符号_module_kernel _version,这个符号位于模块文件的ELF头的.modinfo段中。 只要在模块中包含，编译器就会自动定义 这个符号 n 每个内核版本都需要特定版本的编译器的支持，高版本的 编译器并不适合低版本的内核，Linux-2.4版本的insmod 命 令装载模块时，首先从/lib/modules目录和内核相关的子目 录中查找模块文件，如果需要从当前目录装载，使用 insmod module.o。 设备驱动程序的作用 n 设备驱动程序将复杂的硬件抽象成一个结构良好的设备 ，并通过提供统一的程序接口为系统的其它部分提供使 用设备的能力和方法。 n 设备驱动程序(应该只是)为系统的其它部分提供各种使用 设备的能力，使用设备的方法应该由应用程序决定。 n Linux下对外设的访问只能通过驱动程序 n Linux对于驱动程序有统一的接口，以文件的形式定义系 统的驱动程序： Open、Release、read、write、ioctl n 驱动程序是内核的一部分，可以使用中断、DMA等操作 n 驱动程序需要在用户态和内核态之间传递数据 设备驱动程序的分类 n 字符设备驱动程序 各种串行接口，并行接口等。 n 块设备驱动程序 磁盘设备等 n 网络设备驱动程序 网卡等。 n 杂项设备驱动程序 不属于上述三种设备之外的一些设备，如SCSI, 时钟等。 在操作系统中的位置 n 设备驱动程序是内核代码的一部分。 n 驱动程序的地址空间是内核的地址空间。 n 驱动程序的代码直接对设备硬件(实际是设备的各 种寄存器)进行控制(实际就是读写操作)。 n 应用程序通过操作系统的系统调用执行相应的驱 动程序函数。中断则直接执行相应的中断程序代 码。 n 设备驱动程序的file_operations结构体的地址被注 册到内核中的设备链表中。 n 块设备和字符设备以设备文件的方式建立在文件 系统中的/dev目录下，而且每个设备都有一个主 设备号和一个次设备号。 在操作系统中的位置 主设备号和次设备号 n主设备号相同的设备使用相同的驱动程序， 次设备号用于区分具体设备的实例。 主设备号标识设备对应的驱动程序 一个驱动程序可以控制若干个设备，次设备号提供了一种 区分它们的方法 n系统增加一个驱动程序就要赋予它一个主设 备号。这一赋值过程在驱动程序的初始化过 程中 int register_chrdev(unsigned int major, const char*name,struct file_operations *fops); 主设备号和次设备号 创建设备节点 n 设备已经注册到内核表中，对于设备的访问 通过设备文件（设备文件与设备驱动程序的 主设备号匹配），内核会调用驱动程序中的 正确函数 n 给程序一个它们可以请求设备驱动程序的名 字。这个名字必须插入到/dev目录中，并与驱 动程序的主设备号和次设备号相连 n 使用mknod在文件系统上创建一个设备节点 mknod /dev/mydevice c 254 0 动态分配设备号 n在Documentation/device.txt文件中可以 找到已经静态分配给大部分设备的列表 n由于许多数字已经分配了，为新设备选 择一个唯一的号码是很困难的 n如果调用register_chrdev时的major为零 ，函数就会选择一个空闲号码并做为返 回值返回 动态分配的问题 动态分配的主设备号不能保证总是一样的 ，无法事先创建设备节点 n可以从/proc/devices读取 cat /proc/devices n利用脚本动态创建设备文件节点 设备管理的问题 如今，Linux 支持很多不同种类的硬件。这 意味着/dev中都有数百个特殊文件来表示所有 这些设备。而且，这些特殊文件中大多数甚至 不会映射到系统中存在的设备上 使用devfs n在Linux 2.4的内核里引入了devfs来解 决 linux下设备文件管理的问题 n在驱动程序中通过devfs_register()函数 创建设备文件系统的节点 n系统启动的时候mount设备文件系统 n所有需要的设备节点都由内核自动管理 。 /dev目录下只有挂载的设备 Linux 2.6内核与devfs nLinux 2.6内核引入了sysfs文件系统为每个系统的硬件树进行分级处理 nDevfs在Linux 2.6中被标记为舍弃的特性（在Linux 2.6.15及以后的版本则 取消了对它的支持 ），而使用udev。 维护动态设备 从sysfs获得的信息，可以提供对特定设备的固定设备名。对于热插拔 的设备，这尤其重要 udev 是在用户空间的脚本文件，这很容易被编辑和修改 可以和hotplug脚本配合使用 n为了保证旧应用程序的兼容性，在嵌入式系统中，用devfs还是一个好方 法。即使在Linux 2.6.15内核以后，也可以通过ndevfs（nano devfs）补丁 提供对devfs特性的兼容。 在Linux 2.6内核中使用udev n建议，在2.6.15以后的版本中使用udev n使用ramfs作为udev的载体 mount t ramfs none /dev nudev使用的规则集位于/etc/udev/* nudev的官方地址： /pub/linux/utils/kerne l/hotplug/udev.html 设备驱动程序的使用方法 n应用层使用open、close、read、write系 统调用需要编写应用程序 n使用系统命令可以进行最基本的测试： cat /dev/urandom echo /dev/urandom /dev/fb0 dd if=/dev/touchscreen of=/var/tmp/test bs=16 count=100 Linux设备驱动程序结构 n结构体file_operations的定义，在 include/linux/fs.h中 n主要包括：open，close（或者release）， read，write，ioctl，poll，mmap等 简单的Linux驱动程序原理 Linux设备驱动程序结构的例子（1 ） Linux设备驱动程序结构的例子 (2) /* * 驱动程序中使用的各种函数的原型声明。标准的作法是将函数原型声明 * 放在一个头文件中，然后在该文件开始处使用#include引用，并在该 *文件中定义。 * *这里我们将函数的声明和定义放在一起。所以下面的代码既是函数的声明， * 也是函数的定义。 */ static ssize_t demo_read(structfile *filp, char *buffsize_tcnt, loof_t*off) /* 这里是read函数的代码* / return ret; static ssize_t demo_write(structfile *filp, char *buffsize_tcnt, loff_t*off) /* 这里是write函数的代码*/ return ret; Linux设备驱动程序结构的例子 (3) static int demo_ioctl(structinode*inode, structfile *filpunsigned intcmd, unsigned long arg) /* 这里是ioctl函数的代码，它的一般格式为一个switch分支语句 *switch(cmd) *case CMD1: *. *break; *. *case CMDn: *. *break *default: *. *break; * */ return ret; ioctl()函数用于控制驱动程序本身的一些特性和参数，如设定驱动 程序使用的缓冲区的大小，设定串行通讯的速率等。 Linux设备驱动程序结构的例子 (4) static int demo_open(structinode*inode, structfile *filp) /* 这里是open函数的代码*/ return ret; static int demo_close(structinode*inode, structfile *filp) /* 这里是close函数的代码*/ return ret; 上述5个函数，既read(), write(), ioctl(), open(), close()，是一个字符设备 驱动程序最基本的需要由驱动程序的作者完成的函数。这5个函数将对应 于相应的5个系统调用： read() - demo_read() write() - demo_write() ioctl() - demo_ioctl () open() - demo_open() close() - demo_close() 系统调用驱动程序函数 Linux设备驱动程序结构的例子 (5) static struct file_operations demo_fops= read: demo_read, write: demo_write, ioctl: demo_ioctl, open: demo_open, release: demo_close, ; file_operations是一个结构体类型，定义在include/linux/fs.h中。 上述代码定义了一个file_operations类型的结构体demo_fops，并将其中的 一些成员赋了初值。 结构体demo_fops将作为一个参数在注册一个设备驱动程序时传递给内核 。内核使用设备链表维护各种注册的设备。不同类型的设备使用不同的 链表。 Linux设备驱动程序结构的例子 (6) static int_init demo_init(void) /* 设备初始化代码等*/ if(register_chrdev(DEMO_MAJOR, “demo”, return EIO; /* 其他初始化代码*/ return ret; static void _exit demo_exit(void) /* 设备撤消代码*/ if(unregister_chrdev(DEMO_MAJOR, “demo”) Printk(ERN_ERR“demo.c: unable to remove the ” “device with major %d.n”, DEMO_MAJOR); return; /* 其它设备撤消代码*/ return; Linux设备驱动程序结构的例子 (7) module_init(demo_init); module_exit(demo_exit); 这两个函数，module_init()和module_exit()，用于告诉内核，当 一个驱动程序加载和退出（或撤消）时，需要执行的操作。不 同驱动程序在加载和退出时，除了基本的向内核注册设备驱动 程序外，还有各自的针对具体设备的操作。 Linux设备驱动程序结构的例子 (8) 要点总结: 宏：_KERNEL_, MODULE, _VERSION_ _KERNEL_：表明这将是用于内核的代码，否则很多内核过程将无法使用。 MODULE：如果是以模块方式编译，需要定义这个宏；如果是静态连接则不用 。 _VERSION_：定义这个宏则需要驱动程序的内核版本要和内核版本一致。 module_init()/module_exit(): demo_init()/demo_exit() 每个驱动程序都要有这两个函数，它们分别用于设备驱动程序的加载和撤消。 static struct file_operations demo_fops: 每个驱动程序都要有这样的结构体，可能不止一个。用register_chrdev（） 注册驱动程序时这个结构体的起始地址被传送到内核的设备表中。 DEMO_MAJOR: 每个设备驱动程序有一个主设备号(major number)。不同设备驱动程序不能 使用相同的主设备号。一个设备驱动程序可以管理不同的(但一般是同一类的) 设备，通过次设备号(minor number)区分。 demo_ open()/close()，read()/write(), ioctl(): 根据具体驱动程序定义和使用。一般open()/close()总是需要的，而且 open()和close()一定要成对出现。 设备驱动程序的使用 n 驱动程序模块的动态链接和静态链接 n 创建设备文件 n 使用设备 驱动程序模块的加载 n 设备驱动程序被静态编译到内核中的情况: module_init()指示内核在启动过程中运行设备的初始化函数，如demo_init()函 数。驱动程序的加载随内核的启动一起完成。 静态编译的内核模块不能被动态卸载，只有到系统关闭时由内核执行相应的卸 载函数，如demo_exit()。 嵌入式操作系统一般使用静态内核模块以减少系统的尺寸和复杂性。 n 设备驱动程序被动态加载到内核中的情