ARM教材-第8章 嵌入式設(shè)備驅(qū)動(dòng)

1、嵌入式設(shè)備驅(qū)動(dòng)陳文智 浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院2019年4月提綱l1、Linux下設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序簡(jiǎn)介 l2、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu) l3、設(shè)備驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)l實(shí)驗(yàn)一：編寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)程序 l實(shí)驗(yàn)二：設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)KED&LED驅(qū)動(dòng)程序 l實(shí)驗(yàn)三：靜態(tài)編譯驅(qū)動(dòng)程序，連接到內(nèi)核 l實(shí)驗(yàn)四：使用中斷方式的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) 1、Linux下設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序簡(jiǎn)介l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 l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 lLinux設(shè)備驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是可以以模塊的形式加載各種設(shè)備類(lèi)型 l因?yàn)榍度胧皆O(shè)備往往具有大量的獨(dú)有外設(shè)，開(kāi)發(fā)人員需要把很多精力放在設(shè)備驅(qū)

2、動(dòng)方面 1.1 Linux設(shè)備的分類(lèi) l字符設(shè)備l以字節(jié)為單位逐個(gè)進(jìn)行I/O操作 l字符設(shè)備中的緩存是可有可無(wú) l不支持隨機(jī)訪問(wèn) l如串口設(shè)備/dev/cua0和/dev/cua1 l塊設(shè)備 l塊設(shè)備的存取是通過(guò)buffer、cache來(lái)進(jìn)行 l可以進(jìn)行隨機(jī)訪問(wèn) l例如IDE硬盤(pán)設(shè)備/dev/hda l可以支持可安裝文件系統(tǒng)l網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 l通過(guò)BSD套接口訪問(wèn) 1.2 Linux設(shè)備文件 lLinux抽象了對(duì)硬件的處理，所有的硬件設(shè)備都可以作為普通文件一樣來(lái)看待 l可以使用和操作文件相同的、標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)調(diào)用接口來(lái)完成打開(kāi)、關(guān)閉、讀寫(xiě)和I/O控制操作 l對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，設(shè)備文件與普通文件并無(wú)區(qū)別 1.3

3、 主設(shè)備號(hào)和次設(shè)備號(hào) l主設(shè)備號(hào)：標(biāo)識(shí)該設(shè)備的種類(lèi)，也標(biāo)識(shí)了該設(shè)備所使用的驅(qū)動(dòng)程序l次設(shè)備號(hào)：標(biāo)識(shí)使用同一設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的不同硬件設(shè)備 l所有已經(jīng)注冊(cè)即已經(jīng)加載了驅(qū)動(dòng)程序的硬件設(shè)備的主設(shè)備號(hào)可以從/proc/devices文件中得到 l rootwzchent# mknod /dev/lp0 c 6 01.4 Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)代碼的分布 l/block l/char l/cdrom l/pci l/scsi l/net l/sound l注：IDE接口的CD驅(qū)動(dòng)位于drivers/block/ide-cd.c中，而SCSI CD驅(qū)動(dòng)位于drivers/scsi/scsi.c中 1.5 Linu

4、x設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的特點(diǎn) l設(shè)備驅(qū)動(dòng)是內(nèi)核的一部分，影響內(nèi)核穩(wěn)定l為內(nèi)核或其從屬子系統(tǒng)提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口l使用標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)核服務(wù)如內(nèi)存分配、中斷和等待隊(duì)列等 l大多數(shù)Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)可以動(dòng)態(tài)可加載 lLinux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可配置 l驅(qū)動(dòng)程序維護(hù)其控制的設(shè)備，該設(shè)備即使不存在也不影響系統(tǒng)的運(yùn)行，此時(shí)設(shè)備驅(qū)動(dòng)只是占用少量系統(tǒng)內(nèi)存，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成什么危害 2、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu) lLinux的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與外界的接口可以分成三部分：l與操作系統(tǒng)內(nèi)核的接口 l與系統(tǒng)引導(dǎo)的接口 l與設(shè)備的接口 lLinux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的代碼結(jié)構(gòu)大致可以分為如下幾個(gè)部分：l驅(qū)動(dòng)程序的注冊(cè)與注銷(xiāo)、設(shè)備的打開(kāi)與釋放、設(shè)備的讀寫(xiě)操作、設(shè)

5、備的控制操作、設(shè)備的中斷和輪詢處理。 2.1驅(qū)動(dòng)程序的注冊(cè)與注銷(xiāo) l注冊(cè) lregister_chrdev( )；/在fs/devices.clregister_blkdev( )；/在fs/block_dev.cl注銷(xiāo) lunregister_chrdev( ) lunregister_blkdev( ) 2.2 翻開(kāi)、釋放、讀、寫(xiě)、控制等struct file_operations struct module *owner; loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int); ssize_t (*read) (struct file *, char

6、 *, size_t, loff_t *); ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *); int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t); unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *); int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long); int (*mmap) (struct

7、 file *, struct vm_area_struct *); int (*open) (struct inode *, struct file *); int (*flush) (struct file *); int (*release) (struct inode *, struct file *); int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync); int (*fasync) (int, struct file *, int); int (*lock) (struct file *, int, struct

8、file_lock *); ssize_t (*readv) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *); ssize_t (*writev) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *); ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int); unsigned long (*get_unmapped_area)(struct f

9、ile *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);lLinux內(nèi)核將通過(guò)file_operations結(jié)構(gòu)訪問(wèn)驅(qū)動(dòng)程序提供的函數(shù) l字符設(shè)備的讀寫(xiě)直接使用函數(shù)read( )和write( ) l塊設(shè)備需要調(diào)用函數(shù)block_read( )和block_write( ) lioctl( )的用法與具體設(shè)備密切關(guān)聯(lián)，因此需要根據(jù)設(shè)備的實(shí)際情況進(jìn)行具體分析 2.3 設(shè)備的輪詢和中斷處理 l輪詢l內(nèi)核定期對(duì)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行查詢 l消耗不少的內(nèi)核資源 l如果設(shè)備驅(qū)動(dòng)被連接進(jìn)入內(nèi)核，這時(shí)使用輪詢方式將會(huì)帶來(lái)災(zāi)難性的后果 l中

10、斷l(xiāng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)向內(nèi)核注冊(cè)其使用的中斷 l內(nèi)核負(fù)責(zé)把硬件產(chǎn)生的中斷傳遞給相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng) l設(shè)備驅(qū)動(dòng)在其中斷處理過(guò)程中做得越少越好 l問(wèn)題：l如何查看設(shè)備驅(qū)動(dòng)所對(duì)應(yīng)的中斷號(hào)及類(lèi)型 ？3、設(shè)備驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)l實(shí)驗(yàn)一：編寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)程序 l實(shí)驗(yàn)二：設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)KED&LED實(shí)驗(yàn) l實(shí)驗(yàn)三：動(dòng)態(tài)加載和靜態(tài)編譯驅(qū)動(dòng)到內(nèi)核 l實(shí)驗(yàn)四：使用中斷方式的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)一：編寫(xiě)簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)程序1）l1) 任務(wù)：l 在XSBase開(kāi)發(fā)板上編寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單的字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。該字符設(shè)備具備4個(gè)基本操作：xsbase_open()、xsbase_write()、 xsbase_read() 、xsbase_relea

11、se()，實(shí)現(xiàn)向這個(gè)新建的字符設(shè)備先寫(xiě)入一些數(shù)據(jù)，然后再?gòu)倪@個(gè)設(shè)備中讀取這些數(shù)據(jù)。 實(shí)驗(yàn)一：編寫(xiě)簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)程序2）l2)主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和全局變量 l系統(tǒng)fs/devices.c的struc device_struct結(jié)構(gòu) l創(chuàng)建一個(gè)xsbase.c文件，其中包含一些必要的頭文件、宏和全局變量 struct device_struct const char * name; struct file_operations * fops;static struct device_struct chrdevsMAX_CHRDEV;實(shí)驗(yàn)一：編寫(xiě)簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)程序3）l主要接口函數(shù) lfile_operation

12、s 結(jié)構(gòu)的實(shí)例 l注：這種結(jié)構(gòu)的聲明方法是一種標(biāo)記化格式聲明，便于移植。 static struct file_operations chr_fops = read: xsbase_read, write: xsbase_write, open: xsbase_open, release: xsbase_release,;實(shí)驗(yàn)一：編寫(xiě)簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)程序4）lxsbase_open()和xsbase_release() static int xsbase_open(struct inode *inode, struct file *file) MOD_INC_USE_COUNT; printk(Th

13、is chrdev is opened!n); return 0;static int xsbase_release(struct inode *inode, struct file *file) MOD_DEC_USE_COUNT; printk(this chrdev is released!n); return 0;實(shí)驗(yàn)一：編寫(xiě)簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)程序5）lxsbase_read() static ssize_t xsbase_read(struct file *file, char *buf, size_t count, loff_t *f_pos) int len; if(count 0) r

14、eturn -EINVAL; len = strlen(data); if(len count) count = len; copy_to_user(buf, data, count+1); return count;實(shí)驗(yàn)一：編寫(xiě)簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)程序6）lxsbase_write() static ssize_t xsbase_write( struct file *file, const char *buffer, size_t count, loff_t *f_pos) if(count 0) return -EINVAL; kfree(data); data = (char *)kmalloc

15、(sizeof(char)*(count+1), GFP_KERNEL); if(!data) return -ENOMEM; copy_from_user(data, buffer, count+1); return count;實(shí)驗(yàn)一：編寫(xiě)簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)程序7）l3)模塊加載:是兩種將驅(qū)動(dòng)加入內(nèi)核的方式之一l編寫(xiě)init_module()llres = register_chrdev(0, xsbase, &chr_fops); llif(xsbase_major = 0)l xsbase_major = res;l編寫(xiě)cleanup_module() llunregister_chr

16、dev(xsbase_major, xsbase);l實(shí)驗(yàn)一：編寫(xiě)簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)程序8）l4)驅(qū)動(dòng)安裝過(guò)程l新建xsbase.c文件，實(shí)現(xiàn)主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和函數(shù)接口。l編譯生成xsbase.ol把目標(biāo)文件加載到內(nèi)核 l在Minicom中使用ZMODEM協(xié)議發(fā)送文件l執(zhí)行$ arm-linux-gcc xsbase.c I /usr/src/xscale-linux/include c xsbase.c D_KERNEL_ -DMODULE$ insmod f xsbase.o實(shí)驗(yàn)一：編寫(xiě)簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)程序9）l創(chuàng)建一個(gè)設(shè)備文件 l測(cè)試lOVER$ mknod /dev/xsbase c major min

17、or實(shí)驗(yàn)二：編寫(xiě)KED&LED驅(qū)動(dòng)1）l在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)KED&LED驅(qū)動(dòng)程序，來(lái)控制目標(biāo)板上的一組LED燈，在安裝完驅(qū)動(dòng)后，運(yùn)行測(cè)試程序，就能點(diǎn)亮LED燈。 實(shí)驗(yàn)二：編寫(xiě)KED&LED驅(qū)動(dòng)2）#define EXT_KEY_CS EXT_PORT2#define EXT_LED_CS EXT_PORT3void led_off_on()int i;EXT_LED_CS = 0 xff;for(i =0 ; i8;+i)EXT_LED_CS = (1 i) & 0 xff);udelay(30000);EXT_LED_CS = 0 xff;實(shí)驗(yàn)三

18、：靜態(tài)編譯驅(qū)動(dòng)到內(nèi)核1） l在確定自己代碼位置的前提下，建立自己的源碼目錄、文件、Makefile、Config.in等。 l修改上層的config.in文件，把自己的驅(qū)動(dòng)加入到內(nèi)核配置系統(tǒng)中。 l修改上層Makefile，把自己的程序加入到內(nèi)核編譯系統(tǒng)中。 l確保自己的初始化函數(shù)被調(diào)用。 ldrivers/char/mem.c中的chr_dev_init() 或drivers/block/ll_rw_blk.c中的blk_dev_init() l用宏module_init來(lái)申明你的初始化函數(shù) 實(shí)驗(yàn)三：靜態(tài)編譯驅(qū)動(dòng)到內(nèi)核2）l驅(qū)動(dòng)位置和目錄結(jié)構(gòu) $ cd drivers/xsbase$ tre

19、e .|- Config.in|- Makefile|- xsbase.c- xsbase_test.c實(shí)驗(yàn)三：靜態(tài)編譯驅(qū)動(dòng)到內(nèi)核3）l修改配置文件 l1drivers/xsbase/Config.in # XSBASE driver configurationmainmenu_option next_commentcomment XSBASE Driverbool XSBASE support CONFIG_XSBASEif $CONFIG_XSBASE = y ; then tristate TEST user-space interface CONFIG_TEST_USER bool T

20、EST CPU CONFIG_TEST_CPUfiendmenu實(shí)驗(yàn)三：靜態(tài)編譯驅(qū)動(dòng)到內(nèi)核4）l2） arch/arm/config.in l編寫(xiě)Makefile l1drivers/xsbase/Makefile source drivers/xsbase/Config.inL_TARGET := test.aexport-objs := test.oobj-$(CONFIG_TEST) += test.oinclude $(TOPDIR)/Rules.makeclean:rm -f *.oa .*.flags實(shí)驗(yàn)三：靜態(tài)編譯驅(qū)動(dòng)到內(nèi)核5）l2drivers/Makefile l3Makef

21、ilesubdir-$(CONFIG_MMC) += mmcsubdir-$(CONFIG_XSBASE) += xsbaseinclude $(TOPDIR)/Rules.makeDRIVERS-$(CONFIG_PLD) += drivers/pld/pld.oDRIVERS-$(CONFIG_MMC) += drivers/mmc/mmcdrivers.oDRIVERS-$(CONFIG_XSBASE) += drivers/xsbase/xsbase.oDRIVERS := $(DRIVERS-y)實(shí)驗(yàn)四：中斷方式的驅(qū)動(dòng)程序1） l注冊(cè)中斷處理程序 l什么叫中斷信號(hào)線IRQ號(hào)）？l何時(shí)

22、請(qǐng)求IRQ號(hào)更合適？l初始化時(shí)l設(shè)備第一次打開(kāi)時(shí) int request_irq(unsigned int irq, void (*handler)(int, void *, struct pt_regs *), unsigned long flags, const char *dev_name, void *dev_id);void free_irq(unsigned int irq, void *dev_id);實(shí)驗(yàn)四：中斷方式的驅(qū)動(dòng)程序2）l編寫(xiě)中斷處理程序 static void rtc_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *

23、regs) spin_lock (&rtc_lock); rtc_irq_data += 0 x100; rtc_irq_data &= 0 xff; rtc_irq_data |= (CMOS_READ(RTC_INTR_FLAGS) & 0 xF0); if (rtc_status & RTC_TIMER_ON) mod_timer(&rtc_irq_timer, jiffies + HZ/rtc_freq + 2*HZ/100); spin_unlock (&rtc_lock); wake_up_interruptible(&rtc

24、_wait); kill_fasync (&rtc_async_queue, SIGIO, POLL_IN);實(shí)驗(yàn)四：中斷方式的驅(qū)動(dòng)程序3）l中斷處理機(jī)制的實(shí)現(xiàn) 實(shí)驗(yàn)四：中斷方式的驅(qū)動(dòng)程序4）l中斷控制l 這些函數(shù)更新可編程中斷控制器PIC中指定中斷的掩碼，因而，這樣就可以在所有的處理器上禁止或者啟動(dòng) IRQ。對(duì)這些函數(shù)的調(diào)用是可以嵌套的假如 disable_irq() 被成功調(diào)用兩次，在 IRQ 真正重新打開(kāi)之前，需要執(zhí)行兩次 enable_irq() 調(diào)用。 void disable_irq(int irq); void disable_irq_nosync(int irq); void enable_irq(int irq);驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中涉及的一些具體問(wèn)題驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中涉及的一些具體問(wèn)題 l用戶空間和內(nèi)核空間 l/proc文件系統(tǒng) 文件/目錄名描述Apm高級(jí)電源管理信息Bus包含了總線以及總線上設(shè)備信息的目錄，子目錄