Linux设备驱动框架

一、linux的设备驱动程序与外界的接口可以分为三个部分：

1．驱动程序与操作系统内核的接口。通过file_operations(include/linux/fs.h)数据结构来完成的。

2．驱动程序与系统引导的接口。这部分利用驱动程序对设备进行初始化。

3．驱动程序与设备的接口。这部分描述了驱动程序如何与设备进行交互，与具体的设备密切相关。

二、根据功能划分，设备驱动程序的代码有以下几部分：

1．驱动程序的注册和注销。

2．设备的打开和释放。

3．设备的读写操作。

4．设备的控制操作。

5．设备的中断和轮询处理。

三、驱动程序的注册和注销：

设备驱动程序可以在系统启动的时候初始化，也可以在需要的时候动态加载。字符设备的初始化由chr_dev_init()完成，包括对内存（devfs_register_chrdev(MEM_MAJOR,"mem",&memory_fops)），终端（tty_init()），打印机（lp_init()），鼠标（misc_init()）等字符设备的初始化。

块设备初始化由blk_dev_init()完成，这包括对IDE硬盘（ide_init()），软盘（floppy_init()），光驱等块设备的初始化。

每个字符设备或是块设备的初始化都是通过devfs_register_chrdev()或是devfs_register_blkdev()向内核注册。在关闭字符设备或是块设备时，还需要通过devfs_unregister_chrdev()或是devfs_unregister_blkdev()从内核中注销设备。

四、设备的打开和释放：

打开设备是由open()来完成的。例如，打印机是用lp_open()打开的，而硬盘是用hd_open()打开的。在大部分设备驱动程序中，open完成如下工作：

1．增加设备的是用计数。

2．检查设备的相关错误，如设备尚未准备好或是类似硬件的问题。

3．检查是首次打开，则初始化设备。

4．识别次设备号，如有必要则更新f_op指针。

5．如果需要，分配且设置要放在filp->private_data里的数据结构。

释放设备由release()来完成，例如释放打印机是用lp_release()，而释放终端设备是用tty_release()。释放设备的一般步骤包括：

1．释放在filp->private_data中的open分配的内存。

2．如果是最后一次释放，则关闭设备。

3．递减设别的使用计数。

五、设备的读写操作：

字符设备使用各自的read()和write()来进行数据读写。例如，对虚拟终端的读写是通过vcs_read()和vcs_write()来进行数据读写的。

块设备使用通用的generic_file_read()和generic_file_write()来进行数据读写。这两个通用函数向请求表添加读写请求，内核可以通过ll_rw_block()优化请求顺序。由于是对内存缓冲区而不是设备进行操作的，因而可以加快读写请求。如果内存缓冲区内没有要读入的数据或是要将写请求写入设备，那么就要真正的执行数据传输。这是通过数据结构request_queue和request_fn()来完成(include/linux/blkdev.h）。

六、设备的控制操作：

除了读写操作，有时还要控制设备。这可以通过设备驱动程序中的ioctl()来完成。例如IDE硬盘的控制可以通过hd_ioctl()，对光驱的控制可以通过cdrom_ioctl()。

与读写操作不同，ioctl()的用法与具体设备密切相关。以软驱的floppy_ioctl()为例(drivers/block/floppy.c）：

static int fd_ioctl(struct inode *inode,

struct file *filp,

unsigned int cmd,

unsigned long param);

其中，cmd的取值及含义都是与软驱有关的，比如，FDEJECT表示弹出软盘。

除了ioctl()，设备驱动程序还可能有其他控制函数，比如llseek()等。

七、设备的轮询和中断处理：

对于不支持中断的设备，读写时需要轮询设备状态，以及是否需要继续进行数据传输。例如，打印机。如果设备支持中断，则可按照中断方式进行。

由于嵌入式设备由于硬件种类非常丰富，在默认的内核发布版中不一定包括所有驱动程序。所以进行嵌入式Linux系统的开发，很大的工作量是为各种设备编写驱动程序。除非系统不使用操作系统，程序直接操纵硬件。嵌入式Linux系统驱动程序开发与普通Linux开发没有区别。可以在硬件生产厂家或者Internet上寻找驱动程序，也可以根据相近的硬件驱动程序来改写，这样可以加快开发速度。实现一个嵌入式Linux设备驱动的大致流程如下:

（1）查看原理图，理解设备的工作原理。一般嵌入式处理器的生产商提供参考电路，也可以根据需要自行设计。

（2）定义设备号。设备由一个主设备号和一个次设备号来标识。主设备号惟一标识了设备类型，即设备驱动程序类型，它是块设备表或字符设备表中设备表项的索引。次设备号仅由设备驱动程序解释，区分被一个设备驱动控制下的某个独立的设备。

（3）实现初始化函数。在驱动程序中实现驱动的注册和卸载。

（4）设计所要实现的文件操作，定义file_operations结构。

（5）实现所需的文件操作调用，如read、write等。

（6）实现中断服务，并用request_irq向内核注册，中断并不是每个设备驱动所必需的。

（7）编译该驱动程序到内核中，或者用insmod命令加载模块。

（8）测试该设备，编写应用程序，对驱动程序进行测试

包括设备注册在内，设备驱动的初始化函数主要完成的功能是有以下5项。

（1）对驱动程序管理的硬件进行必要的初始化。

对硬件寄存器进行设置。比如，设置中断掩码，设置串口的工作方式、并口的数据方向等。

（2）初始化设备驱动相关的参数。

一般说来，每个设备都要定义一个设备变量，用以保存设备相关的参数。在这一步骤里对设备变量中的项进行初始化。

（3）在内核注册设备。

调用register_chrdev()函数来注册设备。

（4）注册中断。

如果设备需要IRQ支持，则要使用request_irq()函数注册中断。

（5）其他初始化工作。

初始化部分一般还负责给设备驱动程序申请包括内存、时钟、I/O端口等在内的系统资源，这些资源也可以在open子程序或者其他地方申请。这些资源不用时，应该释放，以利于资源的共享。

若驱动程序是内核的一部分，初始化函数则要按如下方式声明：

int __init chr_driver_init(void);

其中__init是必不可少的，在系统启动时会由内核调用chr_driver_init，完成驱动程序的初始化。

当驱动程序是以模块的形式编写时，则要按照如下方式声明：

int init_module(void)

当运行后面介绍的insmod命令插入模块时，会调用init_module函数完成初始化工作。

设备驱动开发的基本函数：

1．I/O口函数

无论驱动程序多么复杂，归根结底，无非还是向某个端口或者某个寄存器位赋值，这个值只能是0或1。接收值的就是I/O口。与中断和内存不同，使用一个没有申请的I/O端口不会使处理器产生异常，也就不会导致诸如“segmentation fault”一类的错误发生。由于任何进程都可以访问任何一个I/O端口，此时系统无法保证对I/O端口的操作不会发生冲突，甚至因此而使系统崩溃。因此，在使用I/O端口前，也应该检查此I/O端口是否已有别的程序在使用，若没有，再把此端口标记为正在使用，在使用完以后释放它。

这样需要用到如下几个函数：

int check_region(unsigned int from, unsigned int extent);

void request_region(unsigned int from, unsigned int extent,const char *name);

void release_region(unsigned int from, unsigned int extent);

调用这些函数时的参数为：

? from表示所申请的I/O端口的起始地址；

? extent为所要申请的从from开始的端口数；

? name为设备名，将会出现在/proc/ioports文件里；

? check_region返回0表示I/O端口空闲，否则为正在被使用。

在申请了I/O端口之后，可以借助asm/io.h中的如下几个函数来访问I/O端口：

inline unsigned int inb(unsigned short port);

inline unsigned int inb_p(unsigned short port);

inline void outb(char value, unsigned short port);

inline void outb_p(char?value, unsigned short port);

其中inb_p和outb_p插入了一定的延时以适应某些低速的I/O端口。

2．时钟函数

在设备驱动程序中，一般都需要用到计时机制。在Linux系统中，时钟是由系统接管的，设备驱动程序可以向系统申请时钟。与时钟有关的系统调用有：

#include <asm/param.h>

#include <linux/timer.h>

void add_timer(struct timer_list * timer);

int del_timer(struct timer_list * timer);

inline void init_timer(struct timer_list * timer);

struct timer_list的定义为：

struct timer_list {

struct timer_list *next;

struct timer_list *prev;

unsigned long expires;

unsigned long data;

void (*function)(unsigned long d);

};

其中，expires是要执行function的时间。系统核心有一个全局变量jiffies表示当前时间，一般在调用add_timer时jiffies=JIFFIES+num，表示在num个系统最小时间间隔后执行function函数。系统最小时间间隔与所用的硬件平台有关，在核心里定义了常数HZ表示一秒内最小时间间隔的数目，则num*HZ表示num秒。系统计时到预定时间就调用function，并把此子程序从定时队列里删除，可见，如果想要每隔一定时间间隔执行一次的话，就必须在function里再一次调用add_timer。function的参数d即为timer里面的data项。

3．内存操作函数

作为系统核心的一部分，设备驱动程序在申请和释放内存时不是调用malloc和free，而代之以调用kmalloc和kfree，它们在linux/kernel.h中被定义为：

void * kmalloc(unsigned int len, int priority);

void kfree(void * obj);

参数len为希望申请的字节数，obj为要释放的内存指针。priority为分配内存操作的优先级，即在没有足够空闲内存时如何操作，一般由取值GFP_KERNEL解决即可。

4．复制函数

在用户程序调用read、write时，因为进程的运行状态由用户态变为核心态，地址空间也变为核心地址空间。由于read、write中参数buf是指向用户程序的私有地址空间的，所以不能直接访问，必须通过下面两个系统函数来访问用户程序的私有地址空间。

#include <asm/segment.h>

void memcpy_fromfs(void * to,const void * from,unsigned long n);

void memcpy_tofs(void * to,const void * from,unsigned long n);

memcpy_fromfs由用户程序地址空间往核心地址空间复制，memcpy_tofs则反之。参数to为复制的目的指针，from为源指针，n为要复制的字节数。

在设备驱动程序里，可以调用printk来打印一些调试信息，printk的用法与printf类似。printk打印的信息不仅出现在屏幕上，同时还记录在文件syslog里。