LINUX下的设备驱动程序

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三、UNIX系统下的设备驱动程序
3.1、UNIX下设备驱动程序的基本结构
在UNIX系统里,对用户程序而言,设备驱动程序隐藏了设备的具体细节,
对各种不同设备提供了一致的接口,一般来说是把设备映射为一个特殊的设备文
件,用户程序可以象对其它文件一样对此设备文件进行操作。UNIX对硬件设备
支持两个标准接口:块特别设备文件和字符特别设备文件,通过块(字符)特别
设备文件存取的设备称为块(字符)设备或具有块(字符)设备接口。
块设备接口仅支持面向块的I/O操作,所有I/O操作都通过在内核地址空间
中的I/O缓冲区进行,它可以支持几乎任意长度和任意位置上的I/O请求,即提
供随机存取的功能。
字符设备接口支持面向字符的I/O操作,它不经过系统的快速缓存,所以它
们负责管理自己的缓冲区结构。字符设备接口只支持顺序存取的功能,一般不能
进行任意长度的I/O请求,而是限制I/O请求的长度必须是设备要求的基本块长
的倍数。显然,本程序所驱动的串行卡只能提供顺序存取的功能,属于是字符设
备,因此后面的讨论在两种设备有所区别时都只涉及字符型设备接口。
设备由一个主设备号和一个次设备号标识。主设备号唯一标识了设备类型,
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,一般用于识别在若干可能的硬件设备中,I/O请求所涉
及到的那个设备。
设备驱动程序可以分为三个主要组成部分:
(1) 自动配置和初始化子程序,负责检测所要驱动的硬件设备是否存在和是否
能正常工作。如果该设备正常,则对这个设备及其相关的、设备驱动程序
需要的软件状态进行初始化。这部分驱动程序仅在初始化的时候被调用一
次。
(2) 服务于I/O请求的子程序,又称为驱动程序的上半部分。调用这部分是由
于系统调用的结果。这部分程序在执行的时候,系统仍认为是和进行调用
的进程属于同一个进程,只是由用户态变成了核心态,具有进行此系统调
用的用户程序的运行环境,因此可以在其中调用sleep()等与进程运行环
境有关的函数。
(3) 中断服务子程序,又称为驱动程序的下半部分。在UNIX系统中,并不是
直接从中断向量表中调用设备驱动程序的中断服务子程序,而是由UNIX
系统来接收硬件中断,再由系统调用中断服务子程序。中断可以产生在任
何一个进程运行的时候,因此在中断服务程序被调用的时候,不能依赖于
任何进程的状态,也就不能调用任何与进程运行环境有关的函数。因为设
备驱动程序一般支持同一类型的若干设备,所以一般在系统调用中断服务
子程序的时候,都带有一个或多个参数,以唯一标识请求服务的设备。
在系统内部,I/O设备的存取通过一组固定的入口点来进行,这组入口点是
由每个设备的设备驱动程序提供的。一般来说,字符型设备驱动程序能够提供如
下几个入口点:
(1) open入口点。打开设备准备I/O操作。对字符特别设备文件进行打开操
作,都会调用设备的open入口点。open子程序必须对将要进行的I/O
操作做好必要的准备工作,如清除缓冲区等。如果设备是独占的,即同一
时刻只能有一个程序访问此设备,则open子程序必须设置一些标志以表
示设备处于忙状态。
(2) close入口点。关闭一个设备。当最后一次使用设备终结后,调用close
子程序。独占设备必须标记设备可再次使用。
(3) read入口点。从设备上读数据。对于有缓冲区的I/O操作,一般是从缓
冲区里读数据。对字符特别设备文件进行读操作将调用read子程序。
(4) write入口点。往设备上写数据。对于有缓冲区的I/O操作,一般是把数
据写入缓冲区里。对字符特别设备文件进行写操作将调用write子程序。
(5) ioctl入口点。执行读、写之外的操作。
(6) select入口点。检查设备,看数据是否可读或设备是否可用于写数据。
select系统调用在检查与设备特别文件相关的文件描述符时使用select入口点。
如果设备驱动程序没有提供上述入口点中的某一个,系统会用缺省的子程序
来代替。对于不同的系统,也还有一些其它的入口点。

3.2、LINUX系统下的设备驱动程序
具体到LINUX系统里,设备驱动程序所提供的这组入口点由一个结构来向系
统进行说明,此结构定义为:
#include <linux/fs.h>
struct file_operations {
        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,
                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);
        void (*release) (struct inode *inode, struct file *filp);
        int (*fsync) (struct inode *inode, struct file *filp);
};
其中,struct inode提供了关于特别设备文件/dev/driver(假设此设备名
为driver)的信息,它的定义为:
#include <linux/fs.h>
struct inode {
        dev_t           i_dev;
        unsigned long   i_ino;  /* Inode number */
        umode_t         i_mode; /* Mode of the file */
        nlink_t         i_nlink;
        uid_t           i_uid;
        gid_t           i_gid;
        dev_t           i_rdev;  /* Device major and minor numbers*/
        off_t           i_size;
        time_t          i_atime;
        time_t          i_mtime;
        time_t          i_ctime;
        unsigned long   i_blksize;
        unsigned long   i_blocks;
        struct inode_operations * i_op;
      struct super_block * i_sb;
        struct wait_queue * i_wait;
        struct file_lock * i_flock;
        struct vm_area_struct * i_mmap;
        struct inode * i_next, * i_prev;
        struct inode * i_hash_next, * i_hash_prev;
        struct inode * i_bound_to, * i_bound_by;
        unsigned short i_count;
        unsigned short i_flags;  /* Mount flags (see fs.h) */
        unsigned char i_lock;
        unsigned char i_dirt;
        unsigned char i_pipe;
        unsigned char i_mount;
        unsigned char i_seek;
        unsigned char i_update;
        union {
                struct pipe_inode_info pipe_i;
                struct minix_inode_info minix_i;
                struct ext_inode_info ext_i;
                struct msdos_inode_info msdos_i;
                struct iso_inode_info isofs_i;
                struct nfs_inode_info nfs_i;
        } u;
};

struct file主要用于与文件系统对应的设备驱动程序使用。当然,其它设
备驱动程序也可以使用它。它提供关于被打开的文件的信息,定义为:
#include <linux/fs.h>
struct file {
        mode_t f_mode;
        dev_t f_rdev;             /* needed for /dev/tty */
        off_t f_pos;              /* Curr. posn in file */
        unsigned short f_flags;   /* The flags arg passed to open */
        unsigned short f_count;   /* Number of opens on this file */
        unsigned short f_reada;
        struct inode *f_inode;    /* pointer to the inode struct */
        struct file_operations *f_op;/* pointer to the fops struct*/
};

在结构file_operations里,指出了设备驱动程序所提供的入口点位置,分
别是:
(1) lseek,移动文件指针的位置,显然只能用于可以随机存取的设备。
(2) read,进行读操作,参数buf为存放读取结果的缓冲区,count为所要
读取的数据长度。返回值为负表示读取操作发生错误,否则返回实际读取
的字节数。对于字符型,要求读取的字节数和返回的实际读取字节数都必
须是inode->i_blksize的的倍数。
(3) write,进行写操作,与read类似。
(4) readdir,取得下一个目录入口点,只有与文件系统相关的设备驱动程序
才使用。
(5) selec,进行选择操作,如果驱动程序没有提供select入口,select操
作将会认为设备已经准备好进行任何的I/O操作。
(6) ioctl,进行读、写以外的其它操作,参数cmd为自定义的的命令。
(7) mmap,用于把设备的内容映射到地址空间,一般只有块设备驱动程序使
用。
(8) open,打开设备准备进行I/O操作。返回0表示打开成功,返回负数表
示失败。如果驱动程序没有提供open入口,则只要/dev/driver文件存
在就认为打开成功。
(9) release,即close操作。
设备驱动程序所提供的入口点,在设备驱动程序初始化的时候向系统进行登
记,以便系统在适当的时候调用。LINUX系统里,通过调用register_chrdev
向系统注册字符型设备驱动程序。register_chrdev定义为:
 #include <linux/fs.h>
 #include <linux/errno.h>
 int register_chrdev(unsigned int major, const char *name,
             struct file_operations *fops);
其中,major是为设备驱动程序向系统申请的主设备号,如果为0则系统为此
驱动程序动态地分配一个主设备号。name是设备名。fops就是前面所说的对各个
调用的入口点的说明。此函数返回0表示成功。返回-EINVAL表示申请的主设备号
非法,一般来说是主设备号大于系统所允许的最大设备号。返回-EBUSY表示所申
请的主设备号正在被其它设备驱动程序使用。如果是动态分配主设备号成功,此
函数将返回所分配的主设备号。如果register_chrdev操作成功,设备名就会出
现在/proc/devices文件里。
初始化部分一般还负责给设备驱动程序申请系统资源,包括内存、中断、时
钟、I/O端口等,这些资源也可以在open子程序或别的地方申请。在这些资源不
用的时候,应该释放它们,以利于资源的共享。
在UNIX系统里,对中断的处理是属于系统核心的部分,因此如果设备与系
统之间以中断方式进行数据交换的话,就必须把该设备的驱动程序作为系统核心
的一部分。设备驱动程序通过调用request_irq函数来申请中断,通过free_irq
来释放中断。它们的定义为:
#include <linux/sched.h>
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);
参数irq表示所要申请的硬件中断号。handler为向系统登记的中断处理子
程序,中断产生时由系统来调用,调用时所带参数irq为中断号,dev_id为申
请时告诉系统的设备标识,regs为中断发生时寄存器内容。device为设备名,
将会出现在/proc/interrupts文件里。flag是申请时的选项,它决定中断处理
程序的一些特性,其中最重要的是中断处理程序是快速处理程序(flag里设置
了SA_INTERRUPT)还是慢速处理程序(不设置SA_INTERRUPT),快速处理程序
运行时,所有中断都被屏蔽,而慢速处理程序运行时,除了正在处理的中断外,
其它中断都没有被屏蔽。在LINUX系统中,中断可以被不同的中断处理程序共享,
这要求每一个共享此中断的处理程序在申请中断时在flags里设置SA_SHIRQ,
这些处理程序之间以dev_id来区分。如果中断由某个处理程序独占,则dev_id
可以为NULL。request_irq返回0表示成功,返回-INVAL表示irq>15或
handler==NULL,返回-EBUSY表示中断已经被占用且不能共享。
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,它们被定义为:
#include <linux/kernel.h>
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,一般用GFP_KERNEL。
与中断和内存不同,使用一个没有申请的I/O端口不会使CPU产生异常,也
就不会导致诸如“segmentation fault"一类的错误发生。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,甚至会
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,就可以如下几个函数来访问I/O端口:
#include <asm/io.h>
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慢的I/O端口。
在设备驱动程序里,一般都需要用到计时机制。在LINUX系统中,时钟是由
系统接管,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。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,
因此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。
在设备驱动程序里,还可能会用到如下的一些系统函数:
#include <asm/system.h>
#define cli() __asm__ __volatile__ ("cli"::)
#define sti() __asm__ __volatile__ ("sti"::)
这两个函数负责打开和关闭中断允许。
#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);
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。而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,必须通过上述两个系统函数来访问用
户程序的私有地址空间。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,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。

3.3、LINUX系统下的具体实现
在LINUX里,除了直接修改系统核心的源代码,把设备驱动程序加进核心里
以外,还可以把设备驱动程序作为可加载的模块,由系统管理员动态地加载它,
使之成为核心地一部分。也可以由系统管理员把已加载地模块动态地卸载下来。
LINUX中,模块可以用C语言编写,用gcc编译成目标文件(不进行链接,作
为*.o文件存在),为此需要在gcc命令行里加上-c的参数。在编译时,还应该在
gcc的命令行里加上这样的参数:-D__KERNEL__ -DMODULE。由于在不链接时,g
cc只允许一个输入文件,因此一个模块的所有部分都必须在一个文件里实现。
编译好的模块*.o放在/lib/modules/xxxx/misc下(xxxx表示核心版本,如
在核心版本为2.0.30时应该为/lib/modules/2.0.30/misc),然后用depmod -a
使此模块成为可加载模块。模块用insmod命令加载,用rmmod命令来卸载,并可
以用lsmod命令来查看所有已加载的模块的状态。
编写模块程序的时候,必须提供两个函数,一个是int init_module(void),
供insmod在加载此模块的时候自动调用,负责进行设备驱动程序的初始化工作。
init_module返回0以表示初始化成功,返回负数表示失败。另一个函数是void
cleanup_module (void),在模块被卸载时调用,负责进行设备驱动程序的清除
工作。
在成功的向系统注册了设备驱动程序后(调用register_chrdev成功后),
就可以用mknod命令来把设备映射为一个特别文件,其它程序使用这个设备的时
候,只要对此特别文件进行操作就行了。
附录:参考文献
1、 《UNIX操作系统设计与实现》
 陈华瑛、李建国主编
 电子工业出版社出版
2、  《Linux Kernel Hacker's Guide》
 作者:Michael K. Johnson
3、 《Kernel Jorn》
 作者:Alessandro Rubini & Georg Zezchwitz
 连载于《Linux Journal》1996年36期
4、 Linux核心源代码(核心版本2.0.30)
5、 Linux-HOWTO

本文地址:http://com.8s8s.com/it/it30539.htm