基于嵌入式Linux的設備驅動程序設計

1、基于嵌入式linux的設備驅動程序設計為是一個成熟而穩(wěn)定的操作系統(tǒng)。將linux植入設備具有眾多的優(yōu)點，包括可剪裁和簡單移植等，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向來是嵌入式領域的討論熱點，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)舉行硬件設計，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)設計人員必需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詳情，在應

2、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一般文件一樣對硬件設備舉行操作，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；把數據從內核傳送到硬件，以及從硬件讀取數據；讀取應用程序傳送給設備文件的數據，以及回送應用程序哀求的數據；檢測和處理設備浮現(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給用程序調動的函數（包括open、release、read、write、llseek、ioctl等）。在用戶自己的驅動程序中，首先要按照驅動程序的功能，實現(xiàn)file_operations結構中的函數，不需要的函數接口可以挺直在file_operation

3、s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結構中的函數指針。以下是嵌入式linux2.4設備驅動程序的最簡模型。詳細實現(xiàn)前面定義的函數時，需注重下面幾點：1)在test_init函數中要通過調用register_chrdev（）函數來向內核注冊字符設備驅動程序。假如是塊設備，則還需調用mmmap（）舉行地址空間的映射，再調用register_blkdev（）函數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，因而假如設備與系統(tǒng)之間以中斷

4、方式舉行數據交換，則必需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（）函數來申請中斷，通過free_irq（）函數來釋放中斷（在test_cleanup中實現(xiàn)）。2)open（）函數和release（）函數的詳細實現(xiàn)有著一定的對應性，在open（）函數中主要是執(zhí)行打開設備時的一些初始化代碼，假如該驅動程序需要管理多個設備，那么還要獵取從設備號，按照從設備號來推斷需要操作的設備，其中，從設備號可通過調用函數minor（inode->i_rdev）來獲得，然后再調用宏mod_inc_use_count來使得驅動程序用法計數器加1，而在rele

5、ase（）函數中則要舉行相反的處理。即調用宏mod_dec_use_count來減小驅動程序用法計數器。3)歸根到底，驅動函數的實現(xiàn)就是調用內核所支持的函數（包括內核提供的api和用戶自己定義的寄存器操作函數）來完成對設備的操作，雖然嵌入式系統(tǒng)設備的種類眾多，不同設備操作的詳細實現(xiàn)辦法不行能相同，但是linux操作系統(tǒng)提供了一系列特別api，為開發(fā)內核驅動程序帶來了很大的便利，調用這些api時需要注重的是：通常狀況下，應用程序是通過內核接口拜訪驅動程序的（這是驅動程序的主要用法方式），因此驅動程序需要與應用程序交換數據，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

6、戶程序不能拜訪內核空間，操作系統(tǒng)內核和驅動程序也不能用法指針或memcpy（）等常規(guī)的c庫函與用戶空間傳輸數據，造成這種情況的主要緣由是linux操作系統(tǒng)用法了虛擬內存機制，用法了虛擬內存機制后，用戶空間的內存可能被換出，當內核用法用戶空間指針時，對應的頁面可能已經不在內存中了，因此在用法調用函數時要注重：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舉行數據拷貝的函數主要有access_ok（）（檢查某內存空間是否有權拜訪），copy_to_user（）和put_usr（）（內核函數向用戶空間傳輸數據），

7、copy_from_user（）和get_user（）（用戶空間向內核空間傳輸數據）；關于內核空間與i/o空間的數據交換，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，拜訪它要用法專用的命令；而對體系結構的處理器來說，則是不區(qū)別i/o和內存，統(tǒng)一編址的，可以用法同樣的命令拜訪，在驅動程序中可以用法一系列函數來拜訪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)分為

8、了徹底防止對正在被用法的內核模塊舉行錯誤操作，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，避開了用戶執(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，不必然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：用法了新的調度器算法；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，顯著充實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)

9、的限制，其支持的每一類設備的最大數量為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，其中涉及無數內核的操作，隨著linux內核版本的升級，驅動程序的開發(fā)必定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詳細要注重以下幾個方面：1)linux2.

10、6內核驅動程序必需由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，在編譯時會浮現(xiàn)警告提醒。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（）函數來卸載模塊，而以前2.4內核用法的宏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的定義要采納下面的形式。這是由于在

11、linux內核中對結構體的定義形式發(fā)生了變幻，不再支持本來的定義形式。4)就字符型設備而言，test_open（）函數中向內核注冊設備的調用函數register_chrdev（）可以升級為int register_chrdev_region（dev_t from，unsigned count，char * name），假如要動態(tài)申請主設備號可調用函數int alloc_chrdev_region(dev_t * dev,unsigned baseminor,unsigned count,char * name）來完成；本來的注冊函數還可以用，只是不能注冊設備號大于256的設備，同理，對于塊設備

12、和網絡設備的注冊函數也有著相對應的代替函數。5)在聲明驅動程序是否要導出符號表方面有著很大的變幻。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強的符號。通常狀況之下，模塊只需實現(xiàn)自己的功能，不必導出任何符號，然而，假如有其他模塊需要用法模塊導出的符號時，就必需導出符號，惟獨顯示的導出符號才干被其他模塊用法，linux2.6內核中默認不導出全部的符號，不必用法export_no_symbols宏來定義；而在2.4內核中恰恰相反，它默認導出全部的符號，除非用法export_no_symbols，因此在上面給出的范例中可以省略去該

13、定義語句。6)linx內核統(tǒng)一了無數設備類型，同時也支持更大的系統(tǒng)和更多的設備，本來linux2.4內核中的變量kdev_t已經被廢除不行用，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）。7)全部的內存分配函數不再包含在頭文件中，而是包含在中，而本來的已經不存在。所

14、以當在驅動程序中要用到函數kmalloc（）或kfree（）等內存分配函數時，就必需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的詳細參數也有了一定的轉變，包括：分配標記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分配標記等，使得內存操作越發(fā)便利。8）由于內核中有些地方的內存分配是不允許失敗的，所以為了確保這種狀況下得勝利分配，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，以便在緊張狀態(tài)下用法。要用法內存池的處理函數時，必需包含頭文件。內存池處理函數主要有以下幾個：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)分以.o為擴展名的常規(guī)對象文件，將內核模塊的擴展名改