如何編寫Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序
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序言
Linux是Unix操作系統(tǒng)的一種變種，在Linux下編寫驅(qū)動(dòng)程序的原理和思想完全類似于其他的Unix系統(tǒng)，但它dos或window環(huán)境下的驅(qū)動(dòng)程序有很大的區(qū)別。在Linux環(huán)境下設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序，思想簡(jiǎn)潔，操作方便，功能也很強(qiáng)大，但是支持函數(shù)少，只能依賴kernel中的函數(shù)，有些常用的操作要自己來(lái)編寫，而且調(diào)試也不方便。本人這幾周來(lái)為實(shí)驗(yàn)室自行研制的一塊多媒體卡編制了驅(qū)動(dòng)程序，獲得了一些經(jīng)驗(yàn)，愿與Linux fans共享，有不當(dāng)之處，請(qǐng)予指正。
以下的一些文字主要來(lái)源于khg，johnsonm的Write linux device driver，Brennan's Guide to Inline Assembly，The Linux A-Z，還有清華BBS上的有關(guān)device driver的一些資料. 這些資料有的已經(jīng)過(guò)時(shí)，有的還有一些錯(cuò)誤，我依據(jù)自己的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了修正.
一、Linux device driver 的概念
系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)內(nèi)核和應(yīng)用程序之間的接口，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機(jī)器硬件之間的接口.設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?yàn)閼?yīng)用程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)，這樣在應(yīng)用程序看來(lái)，硬件設(shè)備只是一個(gè)設(shè)備文件， 應(yīng)用程序可以象操作普通文件一樣對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行操作.設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是內(nèi)核的一部分，它完成以下的功能:
1.對(duì)設(shè)備初始化和釋放.
2.把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù).
3.讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)和回送應(yīng)用程序請(qǐng)求的數(shù)據(jù).
4.檢測(cè)和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯(cuò)誤.
在Linux操作系統(tǒng)下有兩類主要的設(shè)備文件類型，一種是字符設(shè)備，另一種是塊設(shè)備.字符設(shè)備和塊設(shè)備的主要區(qū)別是:在對(duì)字符設(shè)備發(fā)出讀/寫請(qǐng)求時(shí)，實(shí)際的硬件I/O一般就緊接著發(fā)生了，塊設(shè)備則不然，它利用一塊系統(tǒng)內(nèi)存作緩沖區(qū)，當(dāng)用戶進(jìn)程對(duì)設(shè)備請(qǐng)求能滿足用戶的要求，就返回請(qǐng)求的數(shù)據(jù)，如果不能，就調(diào)用請(qǐng)求函數(shù)來(lái)進(jìn)行實(shí)際的I/O操作.塊設(shè)備是主要針對(duì)磁盤等慢速設(shè)備設(shè)計(jì)的，以免耗費(fèi)過(guò)多的CPU時(shí)間來(lái)等待.
已經(jīng)提到，用戶進(jìn)程是通過(guò)設(shè)備文件來(lái)與實(shí)際的硬件打交道.每個(gè)設(shè)備文件都都有其文件屬性(c/b)，表示是字符設(shè)備還蔤強(qiáng)檣璞?另外每個(gè)文件都有兩個(gè)設(shè)備號(hào)，第一個(gè)是主設(shè)備號(hào)，標(biāo)識(shí)驅(qū)動(dòng)程序，第二個(gè)是從設(shè)備號(hào)，標(biāo)識(shí)使用同一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的不同的硬件設(shè)備，比如有兩個(gè)軟盤，就可以用從設(shè)備號(hào)來(lái)區(qū)分他們.設(shè)備文件的的主設(shè)備號(hào)必須與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在登記時(shí)申請(qǐng)的主設(shè)備號(hào)一致，否則用戶進(jìn)程將無(wú)法訪問(wèn)到驅(qū)動(dòng)程序.
最后必須提到的是，在用戶進(jìn)程調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入核心態(tài)，這時(shí)不再是搶先式調(diào)度.也就是說(shuō)，系統(tǒng)必須在你的驅(qū)動(dòng)程序的子函數(shù)返回后才能進(jìn)行其他的工作.如果你的驅(qū)動(dòng)程序陷入死循環(huán)，不幸的是你只有重新啟動(dòng)機(jī)器了，然后就是漫長(zhǎng)的fsck./hehe
讀/寫時(shí)，它首先察看緩沖區(qū)的內(nèi)容，如果緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)
如何編寫Linux操作系統(tǒng)下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序
我們來(lái)寫一個(gè)最簡(jiǎn)單的字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。雖然它什么也不做，但是通過(guò)它可以了解Linux的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的工作原理.把下面的C代碼輸入機(jī)器，你就會(huì)獲得一個(gè)真正的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序.不過(guò)我的kernel是2.0.34，在低版本的kernel上可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，我還沒(méi)測(cè)試過(guò)./xixi
#define __NO_VERSION__
#include linux/modules.h>
#include linux/version.h>
char kernel_version [] = UTS_RELEASE;
這一段定義了一些版本信息，雖然用處不是很大，但也必不可少.Johnsonm說(shuō)所有的驅(qū)動(dòng)程序的開頭都要包含linux/config.h>，但我看倒是未必.
由于用戶進(jìn)程是通過(guò)設(shè)備文件同硬件打交道，對(duì)設(shè)備文件的操作方式不外乎就是一些系統(tǒng)調(diào)用，如 open，read，write，close....， 注意，不是fopen， fread，但是如何把系統(tǒng)調(diào)用和驅(qū)動(dòng)程序關(guān)聯(lián)起來(lái)呢?這需要了解一個(gè)非常關(guān)鍵的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):
struct file_operations { int (*seek) (struct inode * ，struct file *， off_t ，int); |
這個(gè)結(jié)構(gòu)的每一個(gè)成員的名字都對(duì)應(yīng)著一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用.用戶進(jìn)程利用系統(tǒng)調(diào)用在對(duì)設(shè)備文件進(jìn)行諸如read/write操作時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用通過(guò)設(shè)備文件的主設(shè)備號(hào)找到相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，然后讀取這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相應(yīng)的函數(shù)指針，接著把控制權(quán)交給該函數(shù).這是linux的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序工作的基本原理.既然是這樣，則編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的主要工作就是編寫子函數(shù)，并填充file_operations的各個(gè)域.
相當(dāng)簡(jiǎn)單，不是嗎?
下面就開始寫子程序.
#include linux/types.h> static int read_test(struct inode *node，struct file *file， int left; if (verify_area(VERIFY_WRITE，buf，count) == -EFAULT ) for(left = count ; left > 0 ; left--) |
這個(gè)函數(shù)是為read調(diào)用準(zhǔn)備的.當(dāng)調(diào)用read時(shí)，read_test()被調(diào)用，它把用戶的緩沖區(qū)全部寫1.buf 是read調(diào)用的一個(gè)參數(shù).它是用戶進(jìn)程空間的一個(gè)地址.但是在read_test被調(diào)用時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入核心態(tài).所以不能使用buf這個(gè)地址，必須用__put_user()，這是kernel提供的一個(gè)函數(shù)，用于向用戶傳送數(shù)據(jù).另外還有很多類似功能的函數(shù).請(qǐng)參考.在向用戶空間拷貝數(shù)據(jù)之前，必須驗(yàn)證buf是否可用。
這就用到函數(shù)verify_area.
static int write_tibet(struct inode *inode，struct file *file， static int open_tibet(struct inode *inode，struct file *file ) static void release_tibet(struct inode *inode，struct file *file ) |
這幾個(gè)函數(shù)都是空操作.實(shí)際調(diào)用發(fā)生時(shí)什么也不做，他們僅僅為下面的結(jié)構(gòu)提供函數(shù)指針。
| struct file_operations test_fops = { NULL， read_test， write_test， NULL， /* test_readdir */ NULL， NULL， /* test_ioctl */ NULL， /* test_mmap */ open_test， release_test， NULL， /* test_fsync */ NULL， /* test_fasync */ /* nothing more， fill with NULLs */ }; |
設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的主體可以說(shuō)是寫好了?，F(xiàn)在要把驅(qū)動(dòng)程序嵌入內(nèi)核。驅(qū)動(dòng)程序可以按照兩種方式編譯。一種是編譯進(jìn)kernel，另一種是編譯成模塊(modules)，如果編譯進(jìn)內(nèi)核的話，會(huì)增加內(nèi)核的大小，還要改動(dòng)內(nèi)核的源文件，而且不能動(dòng)態(tài)的卸載，不利于調(diào)試，所以推薦使用模塊方式。
int init_module(void) result = register_chrdev(0， "test"， test_fops); if (result 0) { if (test_major == 0) test_major = result; /* dynamic */ |
在用insmod命令將編譯好的模塊調(diào)入內(nèi)存時(shí)，init_module 函數(shù)被調(diào)用。在這里，init_module只做了一件事，就是向系統(tǒng)的字符設(shè)備表登記了一個(gè)字符設(shè)備。register_chrdev需要三個(gè)參數(shù)，參數(shù)一是希望獲得的設(shè)備號(hào)，如果是零的話，系統(tǒng)將選擇一個(gè)沒(méi)有被占用的設(shè)備號(hào)返回。參數(shù)二是設(shè)備文件名，參數(shù)三用來(lái)登記驅(qū)動(dòng)程序?qū)嶋H執(zhí)行操作的函數(shù)的指針。
如果登記成功，返回設(shè)備的主設(shè)備號(hào)，不成功，返回一個(gè)負(fù)值。
| void cleanup_module(void) { unregister_chrdev(test_major， "test"); } |
在用rmmod卸載模塊時(shí)，cleanup_module函數(shù)被調(diào)用，它釋放字符設(shè)備test在系統(tǒng)字符設(shè)備表中占有的表項(xiàng)。
一個(gè)極其簡(jiǎn)單的字符設(shè)備可以說(shuō)寫好了，文件名就叫test.c吧。
下面編譯
$ gcc -O2 -DMODULE -D__KERNEL__ -c test.c
得到文件test.o就是一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。
如果設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序有多個(gè)文件，把每個(gè)文件按上面的命令行編譯，然后
ld -r file1.o file2.o -o modulename.
驅(qū)動(dòng)程序已經(jīng)編譯好了，現(xiàn)在把它安裝到系統(tǒng)中去。
$ insmod -f test.o
如果安裝成功，在/proc/devices文件中就可以看到設(shè)備test，并可以看到它的主設(shè)備號(hào)。
要卸載的話，運(yùn)行
$ rmmod test
下一步要?jiǎng)?chuàng)建設(shè)備文件。
mknod /dev/test c major minor
c 是指字符設(shè)備，major是主設(shè)備號(hào)，就是在/proc/devices里看到的。
用shell命令
$ cat /proc/devices | awk "\$2=="test" {print \$1}"
就可以獲得主設(shè)備號(hào)，可以把上面的命令行加入你的shell script中去。
minor是從設(shè)備號(hào)，設(shè)置成0就可以了。
我們現(xiàn)在可以通過(guò)設(shè)備文件來(lái)訪問(wèn)我們的驅(qū)動(dòng)程序。寫一個(gè)小小的測(cè)試程序。
#include stdio.h> main() testdev = open("/dev/test"，O_RDWR); if ( testdev == -1 ) read(testdev，buf，10); for (i = 0; i 10;i ) close(testdev); |
編譯運(yùn)行，看看是不是打印出全1 ？
以上只是一個(gè)簡(jiǎn)單的演示。真正實(shí)用的驅(qū)動(dòng)程序要復(fù)雜的多，要處理如中斷，DMA，I/O port等問(wèn)題。這些才是真正的難點(diǎn)。請(qǐng)看下節(jié)，實(shí)際情況的處理。
三、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中的一些具體問(wèn)題
1. I/O Port.
和硬件打交道離不開I/O Port，老的ISA設(shè)備經(jīng)常是占用實(shí)際的I/O端口，在linux下，操作系統(tǒng)沒(méi)有對(duì)I/O口屏蔽，也就是說(shuō)，任何驅(qū)動(dòng)程序都可對(duì)任意的I/O口操作，這樣就很容易引起混亂。每個(gè)驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)該自己避免誤用端口。
有兩個(gè)重要的kernel函數(shù)可以保證驅(qū)動(dòng)程序做到這一點(diǎn)。
1）check_region(int io_port， int off_set)
這個(gè)函數(shù)察看系統(tǒng)的I/O表，看是否有別的驅(qū)動(dòng)程序占用某一段I/O口。
參數(shù)1：io端口的基地址，
參數(shù)2：io端口占用的范圍。
返回值：0 沒(méi)有占用， 非0，已經(jīng)被占用。
2）request_region(int io_port， int off_set，char *devname)
如果這段I/O端口沒(méi)有被占用，在我們的驅(qū)動(dòng)程序中就可以使用它。在使用之前，必須向系統(tǒng)登記，以防止被其他程序占用。登記后，在/proc/ioports文件中可以看到你登記的io口。
參數(shù)1：io端口的基地址。
參數(shù)2：io端口占用的范圍。
參數(shù)3：使用這段io地址的設(shè)備名。
在對(duì)I/O口登記后，就可以放心地用inb()， outb()之類的函來(lái)訪問(wèn)了。
在一些pci設(shè)備中，I/O端口被映射到一段內(nèi)存中去，要訪問(wèn)這些端口就相當(dāng)于訪問(wèn)一段內(nèi)存。經(jīng)常性的，我們要獲得一塊內(nèi)存的物理地址。在dos環(huán)境下，（之所以不說(shuō)是dos操作系統(tǒng)是因?yàn)槲艺J(rèn)為DOS根本就不是一個(gè)操作系統(tǒng)，它實(shí)在是太簡(jiǎn)單，太不安全了）只要用段：偏移就可以了。在window95中，95ddk提供了一個(gè)vmm 調(diào)用 _MapLinearToPhys，用以把線性地址轉(zhuǎn)化為物理地址。但在Linux中是怎樣做的呢？
評(píng)論