LINUX设备驱动开发及内核原理课件

嵌入式Linux驱动高级开发及内核原理

日程安排设备驱动简介建立和运行模块字符驱动调试技术并发和竞争高级字符驱动操作时间，延时和延后工作分配内存与硬件通讯中断处理块设备驱动日程安排设备驱动简介Kernel的作用Kernel可划分为下列功能单元进程管理:进程调度,资源分配,进程间通信.内存管理:其实也算是资源分配的一部分文件系统:管理,组织物理媒介上数据的方法设备控制:设备驱动(ldd3所关注的)网络:实质上是进程间通信.但它不局限于一个特定的进程.它关注收/发packets,路由,地址解析...

Kernel的结构模块可加载模块(lodablemodules)module:可实时加载到内核中的代码,它可动态连接到内核(insmod,rmmod)设备驱动就是module的代表,但module还包括文件系统等等.

字符设备和块设备字符设备:以字节流的形式被访问的设备。e.g:/dev/console:文本控制台./dev/ttyS0:串口它通过文件系统节点被访问.e.g:/dev/tty1,/dev/lp0字符设备与一般文件(regularfile)的区别可以在一般文件中前后移动(lseek),但只能顺序访问字符设备.当然,也有特例:framegrabbers.块设备:能支持文件系统的设备传统的UNIX:只能以block(512B)为单位访问块设备 Linux:能以访问字符设备的方式访问块设备,即以字节文单位访问块设备.Linux中字符设备与块设备的区别内核内部对数据的组织和管理不同,对驱动开发者来说透明接口不同:使用两套不同的interface网络设备网络接口:能与其他主机通信的设备它可以是硬件设备,也可以是软件设备,比如lo.(参考TCP/IP详解p26)网络接口只管收发数据包,而不管这些数据包被什么协议所使用不同于字符设备和块设备,网络接口没有对应的文件系统节点.虽然可以通过类似eth0这样的"文件名"来访问网络接口,但文件系统节点中却没有针对网络接口的节点内核与网络接口之间的通信也不同于内核与字符/块设备之间的通信(read,write),它们之间使用特定的传输数据包的函数调用其他设备也有一些module不能严格地划分类型.USBmodule:它工作在内核的USB子系统之上实际的USB设备可以是字符设备,块设备,也可以是网络接口在设备驱动之外,别的功能,不论硬件和软件,在内核中都是模块化的例如文件系统建立和运行模块建立开发环境ldd3例子开发环境linux驱动开发需要预先安装内核源码源码需要从官方下载或者其他发行版的官方下载直接解压到/usr/src目录下版本影响内核官方版本注意注意发行版的内部版本最新内核版本linux2.6.20/21工作队列接口变化小版本变动不会对驱动的架构造成太大影响对于不同发行版，不同内核版本要做少量移植和测试内核模块VS应用程序执行机制不同模块初始化模块退出类似事件编程使用库不一样无法使用标准库只能调用内核提供的函数用户空间VS内核空间用户空间VS内核空间应用程序运行在用户空间设备模块运行在内核空间运行模式不一样内存地址映射也不一样用户空间和内核空间的转换可能发生在进程中的系统调用时或者硬件中断系统调用虽然在内核中执行，但是依然是在进程的上下文中进行的，所以可以访问到进程中的数据。中断处理和进程是异步的了，而且不和任何进程有关系模块跨越两个空间，有两个触发入口一些函数作为系统调用的一部分执行一些函数负责中断处理

模块的加载卸载和查看加载使用insmod卸载使用rmmod查看使用lsmod模块代码staticint__initinitialization_function(void){

/*initializationcodehere*/}module_init(initialization_function);模块代码staticvoid__exitcleanup_function(void){

/*Cleanupcodehere*/}module_exit(cleanup_function);如何编写清理函数void__exitmy_cleanup_function(void){unregister_those(ptr3,"skull");unregister_that(ptr2,"skull");unregister_this(ptr1,"skull");return;}日程安排设备驱动简介建立和运行模块字符驱动主次设备号字符设备可以通过文件系统来存取字符设备一般位于/dev下有c标志的是字符设备有b标志的是块设备设备号文档Documentation/devices.txt主设备号决定驱动的种类次设备号决定使用哪个设备分配和释放设备编号分配指定的主设备号intregister_chrdev_region(dev_tfirst,unsignedintcount,char*name);动态分配主设备号intalloc_chrdev_region(dev_t*dev,unsignedintfirstminor,unsignedintcount,char*name);释放voidunregister_chrdev_region(dev_tfirst,unsignedintcount);字符驱动中重要的数据结构

fileinodeRelease方法释放由open分配的,保存在filp->private中的所有内容在最后一次关闭操作时关闭设备日程安排设备驱动简介建立和运行模块字符驱动调试技术通过打印调试通过宏可以定义日志级别参考P79如果开启Klogd及Syslogd则输出到日志日志文件参考/var/log/message在printk当中打印设备编号Print_dev_tFormat_dev_t日程安排设备驱动简介建立和运行模块字符驱动调试技术并发和竞争并发和管理并发源很多多个进程运行SMP多个CPU并行设备中断延迟机制（工作队列，定时器，Tasklet)并发和竞争两个或多个进程读写某些共享数据，而最后的结果取决于进程运行的精确时序，就称为竞争条件(RaceConditions)。竞争情况来自对资源的共享存取的结果.存取管理的常用技术是加锁或者互斥其次常用的技术是引用计数临界区把对共享内存进行访问的程序片段称作临界区(criticalregion)，或临界段(criticalsection)。如果我们能够适当地安排使得两个进程不可能同时处于临界区，则就能够避免竞争条件。临界区四要素任何两个进程不能同时处于临界区临界区外的进程不能阻塞其他进程不能使进程在临界区外无限等待不应对CPU的速度和数目做假设PV操作解决同步互斥PV原语的含义

P操作和V操作是不可中断的程序段，称为原语。PV原语及信号量的概念都是由荷兰科学家E.W.Dijkstra提出的。信号量sem是一整数，sem大于等于零时代表可供并发进程使用的资源实体数，但sem小于零时则表示正在等待使用临界区的进程数。

P原语操作的动作是：

（1）sem减1；

（2）若sem减1后仍大于或等于零，则进程继续执行；

（3）若sem减1后小于零，则该进程被阻塞后进入与该信号相对应的队列中，然后转进程调度。

V原语操作的动作是：

（1）sem加1；

（2）若相加结果大于零，则进程继续执行；

（3）若相加结果小于或等于零，则从该信号的等待队列中唤醒一等待进程，然后再返回原进程继续执行或转进程调度。

PV操作对于每一个进程来说，都只能进行一次，而且必须成对使用。在PV原语执行期间不允许有中断的发生。

解决互斥用PV原语实现进程的互斥由于用于互斥的信号量sem与所有的并发进程有关，所以称之为公有信号量。公有信号量的值反映了公有资源的数量。只要把临界区置于P(sem)和V(sem)之间，即可实现进程间的互斥。就象火车中的每节车厢只有一个卫生间，该车厢的所有旅客共享这个公有资源：卫生间，所以旅客间必须互斥进入卫生间，只要把卫生间放在P(sem)和V(sem)之间，就可以到达互斥的效果。

解决同步用PV原语实现进程的同步与进程互斥不同，进程同步时的信号量只与制约进程及被制约进程有关而不是与整组并发进程有关，所以称该信号量为私有信号量。利用PV原语实现进程同步的方法是：首先判断进程间的关系为同步的，且为各并发进程设置私有信号量，然后为私有信号量赋初值，最后利用PV原语和私有信号量规定各进程的执行顺序。Linux信号量实现voidsema_init(structsemaphore*sem,intval);DECLARE_MUTEX(name);DECLARE_MUTEX_LOCKED(name);voidinit_MUTEX(structsemaphore*sem);voidinit_MUTEX_LOCKED(structsemaphore*sem);voiddown(structsemaphore*sem);intdown_interruptible(structsemaphore*sem);intdown_trylock(structsemaphore*sem);voidup(structsemaphore*sem);日程安排设备驱动简介建立和运行模块字符驱动调试技术并发和竞争高级字符驱动操作ioctl接口大部分驱动需要通过设备驱动进行各种硬件控制的能力.大部分设备可进行超出简单的数据传输之外的操作;例如,设备锁上它的门,弹出它的介质,报告错误信息,改变波特率,或者自我销毁.这些操作常常通过ioctl方法来支持,它通过相同名字的系统调用来实现.阻塞I/O数据操作可能会遇到read的调用时可能没有数据时Write的调用时设备没有准备好接受数据当驱动不能立刻满足要求怎么办程序员希望调用read或write并且使调用返回驱动应当(缺省地)阻塞进程,使它进入睡眠直到请求可继续.进程的休眠进程被置为睡眠,从调度器的运行队列移除睡眠的进程被搁置一边,等待以后发生事件睡眠注意安全编程在原子上下文时不能睡眠休眠醒来,无法确定休眠时间和时序休眠的进程必须有时机被唤醒与休眠相关的数据结构和函数等待队列等待-唤醒函数wait_event(queue,condition)wait_event_interruptible(queue,condition)wait_event_timeout(queue,condition,timeout)wait_event_interruptible_timeout(queue,condition,timeout)voidwake_up(wait_queue_head_t*queue);voidwake_up_interruptible(wait_queue_head_t*queue);阻塞操作的推荐用法阻塞操作标准语法:如果一个进程调用read但是没有数据可用(尚未),这个进程必须阻塞.这个进程在有数据达到时被立刻唤醒,并且那个数据被返回给调用者,即便小于在给方法的count参数中请求的数量.如果一个进程调用write并且在缓冲中没有空间,这个进程必须阻塞,并且它必须在一个与用作read的不同的等待队列中.当一些数据被写入硬件设备,并且在输出缓冲中的空间变空闲,这个进程被唤醒并且写调用成功,尽管数据可能只被部分写入，这时缓冲内没有足够空间给被请求的count字节.非阻塞I/O,poll和select可以实现非阻塞读写多个文件三者的区别和联系select在BSDUnix中引入poll是SystemV的解决方案epoll扩展到几千个文件描述符，提高了性能内部实现unsignedint(*poll)(structfile*filp,poll_table*wait);日程安排设备驱动简介建立和运行模块字符驱动调试技术并发和竞争高级字符驱动操作时间，延时和延后工作测量时间流失内核通过定时器中断来跟踪时间的流动定时器中断由系统定时硬件以规律地间隔产生每次发生一个时钟中断,一个内核计数器的值递增.这个计数器在系统启动时初始化为0,因此它代表从最后一次启动以来的时钟嘀哒的数目这个计数器是一个64-位变量(即便在32-位的体系上)并且称为jiffies_64获知当前时间voiddo_gettimeofday(structtimeval*tv);延后执行长延时技术忙等待让出处理器超时短延时技术voidndelay(unsignedlongnsecs);voidudelay(unsignedlongusecs);voidmdelay(unsignedlongmsecs);

内核定时器structtimer_list{/*...*/unsignedlongexpires;void(*function)(unsignedlong);unsignedlongdata;};voidinit_timer(structtimer_list*timer);structtimer_listTIMER_INITIALIZER(_function,_expires,_data);voidadd_timer(structtimer_list*timer);intdel_timer(structtimer_list*timer);Tasklets机制structtasklet_struct{/*...*/void(*func)(unsignedlong);unsignedlongdata;};voidtasklet_init(structtasklet_struct*t,void(*func)(unsignedlong),unsignedlongdata);DECLARE_TASKLET(name,func,data);DECLARE_TASKLET_DISABLED(name,func,data);Tasklet特性一个tasklet能够被禁止并且之后被重新使能;它不会执行直到它被使能与被禁止相同的的次数.如同定时器,一个tasklet可以注册它自己.一个tasklet能被调度来执行以正常的优先级或者高优先级.后一组一直是首先执行.taslet可能立刻运行,如果系统不在重载下,但是从不会晚于下一个时钟嘀哒.一个tasklet可能和其他tasklet并发,但是对它自己是严格地串行的--同样的tasklet从不同时运行在超过一个处理器上.同样,如已经提到的,一个tasklet常常在调度它的同一个CPU上运行.工作队列工作队列表面类似于tasketstasklet在软件中断上下文中运行的结果是所有的tasklet代码必须是原子的.相反,工作队列函数在一个特殊内核进程上下文运行;结果,它们有更多的灵活性.特别地,工作队列函数能够睡眠.tasklet常常在它们最初被提交的处理器上运行.工作队列以相同地方式工作内核代码可以请求工作队列函数被延后一个明确的时间间隔.工作队列structworkqueue_struct*create_workqueue(constchar*name);structworkqueue_struct*create_singlethread_workqueue(constchar*name);

日程安排设备驱动简介建立和运行模块字符驱动调试技术并发和竞争高级字符驱动操作时间，延时和延后工作分配内存内存分配内存分配的最常用接口.#include<linux/slab.h>void*kmalloc(size_tsize,intflags);voidkfree(void*obj);内存分配标志控制内存分配如何进行的标志,从最少限制的到最多的.GFP_USER和GFP_KERNEL优先级允许当前进程被置为睡眠来满足请求.GFP_NOFS和GFP_NOIO禁止文件系统操作和所有的I/O操作,分别地,而GFP_ATOMIC分配根本不能睡眠.#include<linux/mm.h>GFP_USERGFP_KERNELGFP_NOFSGFP_NOIOGFP_ATOMIC内存分配标志这些标志分配内存时修改内核的行为__GFP_DMA__GFP_HIGHMEM__GFP_COLD__GFP_NOWARN__GFP_HIGH__GFP_REPEAT__GFP_NOFAIL__GFP_NORETRYslab缓存创建和销毁一个slab缓存.这个缓存可被用来分配几个相同大小的对象.#include<linux/malloc.h>kmem_cache_t*kmem_cache_create(char*name,size_tsize,size_toffset,unsignedlongflags,constructor(),destructor());intkmem_cache_destroy(kmem_cache_t*cache);缓存标志在创建一个缓存时可指定的标志.SLAB_CTOR_ATOMICSLAB_CTOR_CONSTRUCTOR缓存中分配释放单个对象从缓存中分配和释放一个单个对象./proc/slabinfo一个包含对slab缓存使用情况统计的虚拟文件.void*kmem_cache_alloc(kmem_cache_t*cache,intflags);voidkmem_cache_free(kmem_cache_t*cache,constvoid*obj);日程安排设备驱动简介建立和运行模块字符驱动调试技术并发和竞争高级字符驱动操作时间，延时和延后工作分配内存I/O读写硬件读写屏障硬件内存屏障.它们请求CPU(和编译器)来检查所有的跨这个指令的内存读,写#include<asm/system.h>voidrmb(void);voidread_barrier_depends(void);voidwmb(void);voidmb(void);I/O读写用来读和写I/O端口的函数.它们还可以被用户空间程序调用,如果它们有正当的权限来存取端口.#include<asm/io.h>unsignedinb(unsignedport);voidoutb(unsignedcharbyte,unsignedport);unsignedinw(unsignedport);voidoutw(unsignedshortword,unsignedport);unsignedinl(unsignedport);voidoutl(unsigneddoubleword,unsignedport);延时读写函数如果在一次I/O操作后需要一个小延时,你可以使用在前一项中介绍的这些函数的6个暂停对应部分;这些暂停函数以_p结尾unsignedinb_p(unsignedport);字串函数这些"字串函数"被优化为传送数据从一个输入端口到一个内存区,或者其他的方式.这些传送通过读或写到同一端口count次来完成.voidinsb(unsignedport,void*addr,unsignedlongcount);voidoutsb(unsignedport,void*addr,unsignedlongcount);voidinsw(unsignedport,void*addr,unsignedlongcount);voidoutsw(unsignedport,void*addr,unsignedlongcount);voidinsl(unsignedport,void*addr,unsignedlongcount);voidoutsl(unsignedport,void*addr,unsignedlongcount);I/O端口资源分配I/O端口的资源分配器.这个检查函数成功返回0并且在错误时小于0#include<linux/ioport.h>structresource*request_region(unsignedlongstart,unsignedlonglen,char*name);voidrelease_region(unsignedlongstart,unsignedlonglen);intcheck_region(unsignedlongstart,unsignedlonglen);I/O地址映射ioremap重映射一个物理地址范围到处理器的虚拟地址空间,使它对内核可用.iounmap释放映射当不再需要它时.#include<asm/io.h>void*ioremap(unsignedlongphys_addr,unsignedlongsize);void*ioremap_nocache(unsignedlongphys_addr,unsignedlongsize);voidiounmap(void*virt_addr);内存区处理资源分配为内存区处理资源分配的函数structresource*request_mem_region(unsignedlongstart,unsignedlonglen,char*name);voidrelease_mem_region(unsignedlongstart,unsignedlonglen);intcheck_mem_region(unsignedlongstart,unsignedlonglen);I/O内存存取函数用来使用I/O内存的存取者函数.#include<asm/io.h>unsignedintioread8(void*addr);unsignedintioread16(void*addr);unsignedintioread32(void*addr);voidiowrite8(u8value,void*addr);voidiowrite16(u16value,void*addr);voidiowrite32(u32value,void*addr);

I/O内存函数.旧的,类型不安全的存取I/O内存的函数.unsignedreadb(address);unsignedreadw(address);unsignedreadl(address);voidwriteb(unsignedvalue,address);voidwritew(unsignedvalue,address);voidwritel(unsignedvalue,address);memset_io(address,value,count);memcpy_fromio(dest,source,nbytes);memcpy_toio(dest,source,nbytes);日程安排设备驱动简介建立和运行模块字符驱动调试技术并发和竞争高级字符驱动操作时间，延时和延后工作分配内存与硬件通讯中断处理注册注销中断处理调用这个注册和注销一个中断处理.#include<linux/interrupt.h>intrequest_irq(unsignedintirq,irqreturn_t(*handler)(),unsignedlongflags,constchar*dev_name,void*dev_id);voidfree_irq(unsignedintirq,void*dev_id);中断申请标志给request_irq的标志.SA_INTERRUPT请求安装一个快速处理者(相反是一个慢速的).SA_SHIRQ安装一个共享的处理者#include<asm/signal.h>SA_INTERRUPTSA_SHIRQSA_SAMPLE_RANDOM中断的文件系统节点报告硬件中断和安装的处理者的文件系统节点./proc/interrupts/proc/stat驱动使用探测函数驱动使用的函数,探测决定哪个中断线被设备在使用.probe_irq_on的结果必须传回给probe_irq_off在中断产生之后.probe_irq_off的返回值是被探测的中断号.unsignedlongprobe_irq_on(void);intprobe_irq_off(unsignedlong);中断处理返回从一个中断处理返回的可能值,指示是否一个来自设备的真正的中断出现了.IRQ_NONEIRQ_HANDLEDIRQ_RETVAL(intx)使能和禁止中断可以使能和禁止中断。共享处理不使用这个函数.voiddisable_irq(intirq);voiddisable_irq_nosync(intirq);voidenable_irq(intirq);禁止中断使用local_irq_save来禁止本地处理器的中断并且记住它们之前的状态voidlocal_irq_save(unsignedlongflags);voidlocal_irq_restore(unsignedlongflags);使能和禁止中断在当前处理器无条件禁止和使能中断的函数.voidlocal_irq_disable(void);voidlocal_irq_enable(void);日程安排设备驱动简介建立和运行模块字符驱动调试技术并发和竞争高级字符驱动操作时间，延时和延后工作分配内存与硬件通讯中断处理块设备驱动块设备注册register_blkdev注册一个块驱动到内核,并且,可选地,获得一个主编号.一个驱动可被注销,使用unregister_blkdev.#include<linux/fs.h>intregister_blkdev(unsignedintmajor,constchar*name);intunregister_blkdev(unsignedintmajor,constchar*name);块设备相关数据结构块设备驱动的数据结构.structblock_device_operations描述内核中单个块设备的结构.#include<linux/genhd.h>structgendisk;分配gendisk结构的函数,并且返回它们到系统.structgendisk*alloc_disk(intminors);voidadd_disk(structgendisk*gd); 块设备相关函数voidset_capacity(structgendisk*gd,sector_tsectors);存储设备能力(以512-字节)在gendisk结构中.voidadd_disk(structgendisk*gd);添加一个磁盘到内核.一旦调用这个函数,你的磁盘的方法可被内核调用.intcheck_disk_change(structblock_device*bdev);一个内核函数,检查在给定磁盘驱动器中的介质改变,并且采取要求的清理动作当检测到这样一个改变.请求队列相关函数#include<linux/blkdev.h>request_queue_tblk_init_queue(request_fn_proc*request,spinlock_t*lock);voidblk_cleanup_queue(request_queue_t*);处理块请求队列的创建和删除的函数.structrequest*elv_next_request(request_queue_t*queue);voidend_request(structrequest*req,intsuccess);elv_next_request从一个请求队列中获得下一个请求;end_request可用在每个简单驱动器中来标识一个(或部分)请求完成.voidblkdev_dequeue_request(structrequest*req);voidelv_requeue_request(request_queue_t*queue,structrequest*req);从队列中除去一个请求,并且放回它的函数如果需要.voidblk_stop_queue(request_queue_t*queue);voidblk_start_queue(request_queue_t*queue);如果你需要阻止对你的请求函数的进一步调用,调用blk_stop_queue来完成.调用blk_start_queue来使你的请求方法被再次调用.请求队列参数控制函数设置各种队列参数的函数,来控制请求如何被创建给一个特殊设备voidblk_queue_bounce_limit(request_queue_t*queue,u64dma_addr);voidblk_queue_max_sectors(request_queue_t*queue,unsignedshortmax);voidblk_queue_max_phys_segments(request_queue_t*queue,unsignedshortmax);voidblk_queue_max_hw_segments(request_queue_t*queue,unsignedshortmax);voidblk_queue_max_segment_size(request_queue_t*queue,unsignedintmax);blk_queue_segment_boundary(request_queue_t*queue,unsignedlongmask);voidblk_queue_dma_alignment(request_queue_t*queue,intmask);voidblk_queue_hardsect_size(request_queue_t*queue,unsignedshort