6-1 Linux驱动程序

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Linux设备基本知识
Linux的设备驱动程序通常在“/dev”下面存在一个 对应的逻辑设备节点。
主设备号 次设备号
c：字符设备
b：块设备
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Linux设备分类
Linux 系统的设备文件分为四类：块设备文件、字 符设备文件、网络设备文件和杂项设备文件。 块设备：以块（如512字节）方式访问的设备， 如IDE硬盘、SCSI硬盘、光驱等； 字符型设备：可直接读写、没有缓冲区的设备， 如并口、虚拟控制台等；
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设备驱动程序与外界接口
设备驱动程序与外界的接口可分为三个部分： 与操作系统内核的接口：这部分是通过数据结 构 file_operations来完成的。
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。
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，这与具体设备密切相关。
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卸载模块
#rmmod hello.o
执行cleanup函数指针所指向的函数，主要是完成清 理干净该模块在内核中的垃圾 将hello模块代码清除出内核 将描述hello模块的变量从链表中删除
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模块其他信息
常用信息有：作者、描述、版权等。 MODULE_AUTHOR("author"); MODULE_DESCRIPTION("the description");
Linux系统下有关主设备号的分配原则，可参看 documentation/device.txt。
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内核模块
Linux驱动程序可通过两种方式集成到内核中去：
直接编译到内核；
随时调用，但占内核空间， 修改驱动要重新编译内核。
编写成模块，需要时内核将其调入。在配置 Linux内核时，可以选择“Enable loadable module support”选项，来支持可加载内核模块。
file_operations示例
file_operations包含了很多操作，但是用到的不多。例如 Linux中断实例中的文件操作定义如下： static struct file_operations key_fops { owner:THIS_MODULE, read:key_read, open:key_open, release:key_release, };
第6章 嵌入式Linux驱动程序开发
设备驱动程序
设备驱动就是“驱使硬件设备行动”：与底层硬 件直接打交道，按照硬件设备的具体工作方式读写 设备寄存器，完成设备的轮询、中断处理、DMA通纽带（接口）， 在有操作系统情况下，设备驱动是硬件与操作系统 内核之间的接口，应按照相应的架构设计设备驱动， 才能方便整合到相应的操作系统中。
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设备驱动相关数据结构
三个重要数据结构，在“include/linux/fs.h”中定义 ：
file_operations（文件操作） file（文件）
inode（节点）
由于用户进程是通过设备文件同硬件打交道，对 设备文件的操作方式Linux同样也做出了一系列规范。
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file_operations结构
file_operations：驱动模块提供的对设备进行操作 的函数指针，也就是设备驱动程序的入口点。
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file_operations常用成员-1
struct module *owner; 指向拥有本模块的指针，该成员被使用时不允许卸 载模块，通常被初始化为THIS_MODULE。
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file_operations常用成员-2
const struct file_operations *f_op;
前面介绍的文件操作。内核在执行open操作时对这个指针赋 值，以后需要处理这些操作时就读这个指针。
unsigned int f_flags; 文件标志，如O_RDWD、O_RDONLY、O_NONBLOCK和 O_SYNC。驱动程序应该检查O_NONBLOCK标志判断是否 为非阻塞操作请求。注意，读写权限通过f_mode成员检查而 不是f_flags。
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Linux设备驱动程序的特点
内核代码
内核接口 内核机制和服务 可装载 可设置 动态性
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驱动开发流程
设计模块时必须遵循Linux的标准，否则无法通过insmod 加入到内核中。 应用程序用main函数作为程序的入口点，驱动模块则是在 insmod时被加载，此时的入口点是init_module函数，完成设 备的注册。在 rmmod时被卸载，此时的入口点是 cleanup_module函数，完成设备的卸载。 在设备完成注册加载之后，应用程序就可以对该设备进行 规定的操作，如read、write等，而驱动程序就是用于实现这 些操作。注：init_module入口点函数不完成这些操作。
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驱动开发流程
内核模块一般都至少包含两个函数：初始化函数和卸载函 数，其它函数则跟设备相关。 宏module_init和module_exit用于注册初始化函数和卸载函 数。
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加载模块
#insmod hello.o（以hello.o为例）
将hello.o代码复制到内核 创建struct module变量，并为相应成员变量赋值，其中 name为模块名hello，init函数指针指向hello_init函数， cleanup函数指针指向hello_exit函数 执行init函数指针所指向的函数
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驱动程序的功能
从应用程序方看，驱动程序应为应用程序提供访问 硬件设备的编程接口，主要提供以下功能： 从驱动开发人员看，驱动程序是直接操控硬件的软 应用程序通过驱动程序安全有效地访问硬件； 件，主要完成以下功能： 驱动程序隐藏底层细节，从而提高应用软件的可 初始化和释放设备； 移植性和可复用性； 直接读写硬件寄存器来控制硬件； 驱动程序文件节点可方便地提供访问权限控制。 实现内核与硬件之间的数据交换； 操作设备缓冲区； 操作输入、输出设备，如键盘、打印机等； 实现应用程序与设备之间的数据交换； 检测和处理设备出现的错误。 3
嵌入式Linux驱动基本原理
Linux中的设备大多数是被当做文件（称为设备文 件)来处理。上层的应用程序需要操作硬件时，只需 要获得设备的文件描述符，通过系统调用open()， read()，write()，ioctl()，close()等来操作设备，无 需关心硬件细节。
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嵌入式Linux驱动基本原理
调用设备读写以外的一些命令。内核识别一部分ioctl命令， 如果没提供ioctl入口点，又不是内核定义的请求，ioctl系统 调用将返回-EINVAL。
int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
将设备内存映射到进程内存中，为NULL时，mmap系统调 用将返回-ENODEV错误信息。
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file_operations常用成员-4
int (*open) (struct inode *, struct file *);
打开设备，如果为NULL，设备的打开操作永远成功。
int (*release) (struct inode *, struct file *);
关闭设备节点。
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网络设备：网络设备访问的 BSD socket接口， 如网卡等；
杂项设备：特殊驱动程序，如IIC、USB等。
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Linux设备号
设备号是一个数字，是设备的标志，由主设备号 和次设备号组成，主设备号表明某一类设备，主设 备号相同的设备使用相同的驱动程序；次设备号用 来标识具体设备的实例。
例如，系统中块设备IDE 硬盘的主设备号是 3， 而多个 IDE 硬盘及其各个分区分别赋予次设备号1、 2、……
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file常用成员-2
fmode_t f_mode;
文件属性，可读、可写或者可读可写的，通过位 FMODE_READ和FMODE_WRITE实现。
loff_t f_pos;
当前读写位置。如果需要知道当前在文件中的位置，驱动程 序可以读该值，但是不应该改变该值。
一个设备文件（即设备节点）可通过mknod命令 来创建。如：mknod /dev/led c 200 0
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Linux设备号
根据主、次设备号，可用宏MKDEV() 来合成设备号。该 宏在include/linux/kdev_t.h中定义： #define MKDEV(ma,mi) ((ma)<<8 | (mi)) 根据设备号，可用宏MAJOR()和MINOR()将主、次设备 号分离出来。该宏定义如下： #define MAJOR(dev) #define MINOR(dev) ((dev)>>8) ((dev) & 0xff)
按需调用，寻找驱动模块时会增加 一些系统资源的占用和运行时间但 可忽略，可动态地卸载旧版本并加 载新版本，而不用重新编译内核。
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内核模块管理命令
可加载的内核模块通常情况下安装在系统“/lib/modules” 目录的一个子目录下。用户可通过模块操作命令来对模块 进行管理。
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驱动层次结构
Linux 设备驱动程序包含设备服务子程 序和中断处理程序两部分： 设备服务子程序：包含所有与设备操 作相关的处理代码。它从面向用户进程 的设备文件系统中接受用户命令，并对 设备控制器执行操作。 中断处理程序：设备控制器需要获得 系统服务时有两种方式：查询和中断。 驱动程序是内核的一部分，在设备查询 期间系统不能运行其他代码，工作效率 比较低，故大多设备以中断方式向设备 驱动程序发出输入/输出请求。
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file结构
file结构，即文件结构，代表一个打开的文件描述符，它不 同于应用程序空间的FILE指针，FILE指针定义在C库中， struct file只出现在内核代码中，不出现在用户程序中。