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主題:嵌入式Linux驅動程序開發(fā)要點

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嵌入式Linux驅動程序開發(fā)要點  發(fā)帖心情 Post By:2010-11-24 9:14:36

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/輸出設備的驅動程序與其他操作系統(tǒng)軟件分離開來。

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,標識驅動程序;第二個是從設備號,標識使用同一個設備驅動程序的、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動程序。
系統(tǒng)調用時操作系統(tǒng)內(nèi)核與應用程序之間的接口,設備驅動程序是操作系統(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)的新的一類驅動程序。相對于常規(guī)塊設備驅動程序,使用MTD驅動程序的優(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。
驅動程序結構
Linux的設備驅動程序可以分為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動程序需要的軟件狀態(tài)進行初始化。這部分驅動程序僅在初始化時被調用一次。
2.
服務于I/O請求的子程序,又稱為驅動程序的上半部分。調用這部分程序是由于系統(tǒng)調用的結果。這部分程序在執(zhí)行時,系統(tǒng)仍認為是與進行調用的進程屬于同一
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)調用的用戶程序的運行環(huán)境,因而可以在其中調用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用設備驅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用時,不能依賴于任何進程的狀態(tài),也就不能調用任何
與進程運行環(huán)境有關的函數(shù)。因為設備驅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動程序提供的。具體到Linux系統(tǒng),設備驅動程序所提供的這組入口點由一個文件操作結構來向系統(tǒng)進行說明。file_operation結構定義于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結構中的成員幾乎全部是函數(shù)指針,所以實質上就是函數(shù)跳轉表。每個進程對設備的操作都會根據(jù)major、minor設備號,轉換成對file_operation結構的訪問。
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。

用戶自己的驅動程序中,首先要根據(jù)驅動程序的功能,完成file_operation結構中函數(shù)實現(xiàn)。不需要的函數(shù)接口可以直接在
file_operation結構中初始化為NULL。file_operation變量會在驅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,
會調用驅動程序注冊的file_operation結構中的函數(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動程序作為系統(tǒng)核心的一部分。設備驅動程序通過調用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);

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)來調用,調用時所帶參數(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,設備驅動程序在申請和釋放內(nèi)存時不是調用malloc和free,而代之以調用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。

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