基于嵌入式Linux的設備驅動程序設計

　　Linux為是一個成熟而穩(wěn)定的操作系統(tǒng)。將Linux植入嵌入式設備具有眾多的優(yōu)點，包括可剪裁和容易移植等，所以Linux操作系統(tǒng)在嵌入式領域獲得了廣泛的應用。嵌入式Linux一直是嵌入式領域的研究熱點，與PC架構不同，嵌入式系統(tǒng)的硬件具有多樣性和差異性，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)需要對特定系統(tǒng)進行硬件設計，同時還要針對這些硬件來編寫驅動程序。Linux內核就是通過驅動程序來同外圍設備打交道的，系統(tǒng)設計人員必須為每個設備編寫驅動程序，否則設備無法在操作系統(tǒng)下正常工作。

　　1 設備驅動程序設計的基本概念與模型

　　設備驅動程序是操作系統(tǒng)內核與機器硬件之間的接口，它為應用程序屏蔽了硬件的細節(jié)，在應用程序看來，硬件設備只是一個設備文件，應用程序可以象操作普通文件一樣對硬件設備進行操作，設計驅動程序是內核的一部分，可以實現(xiàn)以下功能：

　　對設備初始化和釋放;

　　把數(shù)據(jù)從內核傳送到硬件，以及從硬件讀取數(shù)據(jù);

　　讀取應用程序傳送給設備文件的數(shù)據(jù)，以及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。

　　前面已經提到驅動程序的作用，而編寫驅動程序就是構造一系列可供應用程序調動的函數(shù)(包括open、release、read、write、llseek、ioctl等)。在用戶自己的驅動程序中，首先要根據(jù)驅動程序的功能，實現(xiàn)file_operations結構中的函數(shù)，不需要的函數(shù)接口可以直接在file_operations結構中初始化為NULL;file_operations變量會在驅動程序初始化時注冊到系統(tǒng)內部。當操作系統(tǒng)對設備操作時，會調用驅動程序注冊的file_operations結構中的函數(shù)指針。

　　以下是嵌入式linux2.4設備驅動程序的最簡模型。

　　具體實現(xiàn)前面定義的函數(shù)時，需注意下面幾點：

　　1)在test_init函數(shù)中要通過調用register_chrdev()函數(shù)來向內核注冊字符設備驅動程序。如果是塊設備，則還需調用mmmap()進行地址空間的映射，再調用register_blkdev()函數(shù)來向內核注冊塊設備驅動程序，在Linux系統(tǒng)中，對中斷的處理是屬于系統(tǒng)核心部分，因而如果設備與系統(tǒng)之間以中斷方式進行數(shù)據(jù)交換，則必須把該設備的驅動程序作為系統(tǒng)核心的一部分，也就是說設備驅動程序要通過調用request_irq()函數(shù)來申請中斷，通過free_irq()函數(shù)來釋放中斷(在test_cleanup中實現(xiàn))。

　　2)open()函數(shù)和release()函數(shù)的具體實現(xiàn)有著一定的對應性，在open()函數(shù)中主要是執(zhí)行打開設備時的一些初始化代碼，如果該驅動程序需要管理多個設備，那么還要獲取從設備號，根據(jù)從設備號來判斷需要操作的設備，其中，從設備號可通過調用函數(shù)MINOR(inode->i_rdev)來獲得，然后再調用宏MOD_INC_USE_COUNT來使得驅動程序使用計數(shù)器加1，而在release()函數(shù)中則要進行相反的處理。即調用宏MOD_DEC_USE_COUNT來減小驅動程序使用計數(shù)器。

　　3)歸根到底，驅動函數(shù)的實現(xiàn)就是調用內核所支持的函數(shù)(包括內核提供的API和用戶自己定義的寄存器操作函數(shù))來完成對設備的操作，雖然嵌入式系統(tǒng)設備的種類眾多，不同設備操作的具體實現(xiàn)方法不可能相同，但是Linux操作系統(tǒng)提供了一系列特殊API，為開發(fā)內核驅動程序帶來了很大的方便，調用這些API時需要注意的是：通常情況下，應用程序是通過內核接口訪問驅動程序的(這是驅動程序的主要使用方式)，因此驅動程序需要與應用程序交換數(shù)據(jù)，但是操作系統(tǒng)內核和驅動程序在內核空間中運行，而用戶程序在用戶空間中運行，用戶程序不能訪問內核空間，操作系統(tǒng)內核和驅動程序也不能使用指針或memcpy()等常規(guī)的C庫函與用戶空間傳輸數(shù)據(jù)，造成這種狀況的主要原因是linux操作系統(tǒng)使用了虛擬內存機制，使用了虛擬內存機制后，用戶空間的內存可能被換出，當內核使用用戶空間指針時，對應的頁面可能已經不在內存中了，因此在使用調用函數(shù)時要注意：設備驅動程序在申請和釋放內存時不是調用malloc()和free()，而調用kmalloc()和kfree();用于內核空間與用戶空間進行數(shù)據(jù)拷貝的函數(shù)主要有access_ok()(檢查某內存空間是否有權訪問)，copy_to_user()和put_usr()(內核函數(shù)向用戶空間傳輸數(shù)據(jù))，copy_from_user()和get_user()(用戶空間向內核空間傳輸數(shù)據(jù));關于內核空間與I/O空間的數(shù)據(jù)交換，不同體系結構的處理器對I/O的處理方式也不同，x86系列處理器中，I/O與內存完成不同，它是分開編址的，訪問它要使用專用的指令;而對ARM體系結構的處理器來說，則是不區(qū)分I/O和內存，統(tǒng)一編址的，可以使用同樣的指令訪問，在驅動程序中可以使用一系列函數(shù)來訪問I/O口，如outb()、outw()、outl()inb()、inw()、inl()、outsb()、outsw()、outsl()、insb()、insw()和insl()等。

　　2 Linux2.6與2.4內核驅動程序的區(qū)別

　　為了徹底防止對正在被使用的內核模塊進行錯誤操作，linux2.6內核在加載和導出內核模塊方面都較2.4內核有所改進，避免了用戶執(zhí)行將導致系統(tǒng)崩潰的操作(例如強制刪除模塊等)。同時，當驅動程序需要在多個文件中包含頭文件時，不必定義宏來檢查內核的版本。與2.4內核相比，2.6內核在可擴展性、吞吐率等方面有較大提升，其新特性主要包括：使用了新的調度器算法;內核搶占功能顯著地降低了用戶交互式應用程序;多媒體應用程序等類似應用程序的延遲;改進了線程模型以及對NPTL的支持，顯著改善了虛擬內存在一定成程度負載下的性能;能夠支持更多的文件系統(tǒng);引進了內存池技術;支持更多的系統(tǒng)設備，在2.4內核中有約束大型系統(tǒng)的限制，其支持的每一類設備的最大數(shù)量為256，而2.6內核則徹底打破了這些限制，可以支持4095種主要的設備類型，且每個單獨的類型又可以支持超過一百萬個的子設備;支持反向映射機制(reverse mapping)，內存管理器為每一個物理頁建立一個鏈表，包含指向當前映射頁中每個進程的頁表條目的指針。該鏈表叫PTE鏈，它極大的提高了找到那些映射某個頁的進程的速度。

　　Linux操作系統(tǒng)的設備驅動程序是在內核空間運行的程序，其中涉及很多內核的操作，隨著Linux內核版本的升級，驅動程序的開發(fā)必然也要作出相應的修改，總之，在linux2.6內核上編寫設備驅動程序時具體要注意以下幾個方面：

　　1)Linux2.6內核驅動程序必須由MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL")語句來定義許可證，而不能再用2.4內核的MODULE_LICENSE("GPL")。否則，在編譯時會出現(xiàn)警告提示。

　　2)Linux2.6內核驅動程序可以用int try_module_get(&module)來加載模塊，用module_put()函數(shù)來卸載模塊，而以前2.4內核使用的宏MOD_INC_USE_COUNT和MOD_DEC_USE_COUNT則可不用。

　　3)前面給出的字符型設備驅動程序模型中結構體file_operations的定義要采用下面的形式。這是因為在Linux內核中對結構體的定義形式發(fā)生了變化，不再支持原來的定義形式。

　　4)就字符型設備而言，test_open()函數(shù)中向內核注冊設備的調用函數(shù)register_chrdev()可以升級為int register_chrdev_region(dev_t from，unsigned count，char * name)，如果要動態(tài)申請主設備號可調用函數(shù)int alloc_chrdev_region(dev_t * dev,unsigned baseminor,unsigned count,char * name)來完成;原來的注冊函數(shù)還可以用，只是不能注冊設備號大于256的設備，同理，對于塊設備和網(wǎng)絡設備的注冊函數(shù)也有著相對應的代替函數(shù)。

　　5)在聲明驅動程序是否要導出符號表方面有著很大的變化。當驅動程序模塊裝入內核后，它所導出的任何符號都會變成公共符合表的一部分，在/proc/ksyms中可以看到這些新增加的符號。通常情況之下，模塊只需實現(xiàn)自己的功能，不必導出任何符號，然而，如果有其他模塊需要使用模塊導出的符號時，就必須導出符號，只有顯示的導出符號才能被其他模塊使用，Linux2.6內核中默認不導出所有的符號，不必使用EXPORT_NO_SYMBOLS宏來定義;而在2.4內核中恰恰相反，它默認導出所有的符號，除非使用EXPORT_NO_SYMBOLS，因此在上面給出的范例中可以省略去該定義語句。

　　6)Linx內核統(tǒng)一了很多設備類型，同時也支持更大的系統(tǒng)和更多的設備，原來Linux2.4內核中的變量kdev_t已經被廢除不可用，取而代之的是dev_t。它拓展到了32位，其中包括12位主設備號和20位次設備號。調用函數(shù)為unsigned int iminor(struct inode * inode)和unsigned int imajor(struct inode * inode)，而不再用Linux2.4版本中的int MAJOR(kdev_t dev)和int MINOR(kdev_t dev)。

　　所有的內存分配函數(shù)不再包含在頭文件中，而是包含在中，而原來的已經不存在。所以當在驅動程序中要用到函數(shù)kmalloc()或kfree()等內存分配函數(shù)時，就必須要定義頭文件而不是。同時，前面提到的申請內存和釋放內存函數(shù)的具體參數(shù)也有了一定的改變，包括：分配標志GFP_BUFFER被取消，取而代之的是GFP_NOIO和GFP_NOFS;新增了_GFP_REPEAT、_GFP_NOFAIL和_GFP_NORETRY分配標志等，使得內存操作更加方便。

　　8)因為內核中有些地方的內存分配是不允許失敗的，所以為了確保這種情況下得成功分配，linux2.6版本內核中開發(fā)了一種稱為"內存池"的抽象。內存池其實相當于后備的高速緩存，以便在緊急狀態(tài)下使用。要使用內存池的處理函數(shù)時，必須包含頭文件。內存池處理函數(shù)主要有以下幾個：mempool_t *mempool_create()、void*mempool_alloc()、void mempool_free()、int mempool_resize();

　　另外值得一提的是：2.6內核為了區(qū)別以.o為擴展名的常規(guī)對象文件，將內核模塊的擴展名改為.ko，所以驅動程序最后是被編譯為ko后綴的可加載模塊，在應用程序中加載驅動程序模塊時要注意。 結語

　　驅動程序的開發(fā)作為嵌入式linux系統(tǒng)開發(fā)過程當中最重要的環(huán)節(jié)之一，與硬件特性和操作系統(tǒng)的內核有著緊密的聯(lián)系。隨著linux內核版本的升級，內核驅動程序必然要作出相應的改進，相信隨著嵌入式Linux系統(tǒng)在各個領域中的廣泛應用，具有可搶占實時性的Linux2.6內核必定會在嵌入式領域大顯身手。本文會對廣大的驅動程序開發(fā)人員有一定的幫助。