Linux系統(tǒng)的硬件驅(qū)動(dòng)程序編寫(xiě)原理

1、Linux系統(tǒng)的硬件驅(qū)動(dòng)程序編寫(xiě)原理*本文詳細(xì)地介紹如何Linux系統(tǒng)的硬件驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)原理，指出哪些內(nèi)核例程將會(huì)被調(diào)用、如何初始化驅(qū)動(dòng)程序及如何分配內(nèi)存等等。大家一定對(duì)Linux操作系統(tǒng)有所了解了，在此本人也不再贅述了。好吧，下面簡(jiǎn)單地介紹一下設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。顧名思義，驅(qū)動(dòng)程序是用來(lái)控制計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備的，Linux系統(tǒng)將所有的外圍設(shè)備都高度地抽象成一些字節(jié)的序列，并且以文件的形式來(lái)表示這些設(shè)備。我們可以來(lái)看一下Linux的I/O子系統(tǒng)（圖1）。圖1 Linux的I/O子系統(tǒng)從圖上我們可以看出，內(nèi)核緊緊地包圍在硬件周?chē)瑑?nèi)核是一些軟件包的組合，它們可以直接訪問(wèn)系統(tǒng)的硬件，包括處理器、內(nèi)存和I/

2、O設(shè)備。而用戶(hù)進(jìn)程則通過(guò)內(nèi)核提供的用戶(hù)服務(wù)來(lái)和內(nèi)核通訊，從而間接地控制系統(tǒng)硬件。我們可以通過(guò)圖2來(lái)了解這些動(dòng)作的具體情況。 圖2 用戶(hù)級(jí)、內(nèi)核級(jí)和硬件級(jí)三者之間的通訊圖上顯示了用戶(hù)級(jí)的程序使用內(nèi)核提供的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)調(diào)用來(lái)與內(nèi)核通訊，這些系統(tǒng)調(diào)用有：open(), read(), write(), ioctl(), close() 等等。Linux的內(nèi)核是一個(gè)有機(jī)的整體。每一個(gè)用戶(hù)進(jìn)程運(yùn)行時(shí)都好像有一份內(nèi)核的拷貝，每當(dāng)用戶(hù)進(jìn)程使用系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，都自動(dòng)地將運(yùn)行模式從用戶(hù)級(jí)轉(zhuǎn)為內(nèi)核級(jí)，此時(shí)進(jìn)程在內(nèi)核的地址空間中運(yùn)行。圖3 Linux的I/O子系統(tǒng)Linux內(nèi)核使用"設(shè)備無(wú)關(guān)"的I/O子

3、系統(tǒng)來(lái)為所有的設(shè)備服務(wù)。每個(gè)設(shè)備都提供標(biāo)準(zhǔn)接口給內(nèi)核，從而盡可能地隱藏了自己的特性。圖3展示了用戶(hù)程序使用一些基本的系統(tǒng)調(diào)用從設(shè)備讀取數(shù)據(jù)并且將它們存入緩沖的例子。我們可以看到，每當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用被使用時(shí)，內(nèi)核就轉(zhuǎn)到相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)例程來(lái)操縱硬件。每個(gè)設(shè)備在Linux系統(tǒng)上看起來(lái)都像一個(gè)文件，它們存放在/dev目錄中并被稱(chēng)為"特殊文件"或是"設(shè)備節(jié)點(diǎn)"。大家可以使用ls -l /dev/lp* 來(lái)得到以下的輸出： crw-rw-rw 1 root root 6, 0 April 23 1994 /dev/lp0 這行輸出表示lp0是一個(gè)字符設(shè)備（屬性字段的第

4、一個(gè)字符是'c'），主設(shè)備號(hào)是6，次設(shè)備號(hào)是0。主設(shè)備號(hào)用來(lái)向內(nèi)核表明這一設(shè)備節(jié)點(diǎn)所代表的驅(qū)動(dòng)程序的類(lèi)型（比如：主設(shè)備號(hào)是3的塊設(shè)備是IDE磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序，而主設(shè)備號(hào)為8的塊設(shè)備是SCSI磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序）；每個(gè)驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)管理它所驅(qū)動(dòng)的幾個(gè)硬件實(shí)例，這些硬件實(shí)例則由次設(shè)備號(hào)來(lái)表示（例如：次設(shè)備號(hào)為0的SCSI磁盤(pán)代表整個(gè)也可以說(shuō)是"第一個(gè)"SCSI磁盤(pán)，而次設(shè)備號(hào)為1到15的磁盤(pán)代表此SCSI磁盤(pán)上的15個(gè)分區(qū)）。到此大家應(yīng)該對(duì)Linux的設(shè)備有所了解了吧，下面就可以開(kāi)始我們的正題"設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序"。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是一組由內(nèi)核中的相關(guān)子例程和數(shù)據(jù)

5、組成的I/O設(shè)備軟件接口。每當(dāng)內(nèi)核意識(shí)到要對(duì)某個(gè)設(shè)備進(jìn)行特殊的操作時(shí)，它就調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)例程。這就使得控制從用戶(hù)進(jìn)程轉(zhuǎn)移到了驅(qū)動(dòng)例程，當(dāng)驅(qū)動(dòng)例程完成后，控制又被返回至用戶(hù)進(jìn)程。圖5就顯示了以上的過(guò)程。圖5 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的作用每個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序都具有以下幾個(gè)特性：l 具有一整套的和硬件設(shè)備通訊的例程，并且提供給操作系統(tǒng)一套標(biāo)準(zhǔn)的軟件接口；l 具有一個(gè)可以被操作系統(tǒng)動(dòng)態(tài)地調(diào)用和移除的自包含組件；l 可以控制和管理用戶(hù)程序和物理設(shè)備之間的數(shù)據(jù)流。接下來(lái)我們來(lái)了解一下字符設(shè)備和塊設(shè)備，它們是Linux系統(tǒng)中兩種主要的外圍設(shè)備。我們常見(jiàn)的磁盤(pán)是塊設(shè)備，而終端和打印機(jī)是字符設(shè)備。塊設(shè)備被用戶(hù)程序通過(guò)系統(tǒng)緩沖

6、來(lái)訪問(wèn)。特別是系統(tǒng)內(nèi)存分配和管理進(jìn)程就沒(méi)有必要來(lái)充當(dāng)從外設(shè)讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)傳輸者了。正好與之相反的是，字符設(shè)備直接與用戶(hù)程序進(jìn)行通訊，而且兩者似乎沒(méi)有緩沖區(qū)。Linux的傳輸控制機(jī)制會(huì)根據(jù)用戶(hù)程序的需要來(lái)正確地操縱內(nèi)存和磁盤(pán)等外設(shè)來(lái)取得數(shù)據(jù)。在Linux系統(tǒng)中字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)器被保存為/usr/src/linux/drivers/char目錄中。下面我們重點(diǎn)介紹字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)方法。首先了解一下Linux的內(nèi)核編程環(huán)境。我們知道每個(gè)Linux用戶(hù)進(jìn)程都在一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)空間中運(yùn)行著，與系統(tǒng)區(qū)和其他用戶(hù)進(jìn)程相隔離。這樣就保護(hù)了一個(gè)用戶(hù)進(jìn)程的運(yùn)行環(huán)境，以免被其他用戶(hù)進(jìn)程所破壞。與這種情況正相反的是，設(shè)備

7、驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行在內(nèi)核模式，它們具有很大的自由度。這些設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序都是被假設(shè)為正確和可靠的，它們是內(nèi)核的一部分，可以處理系統(tǒng)中斷請(qǐng)求和訪問(wèn)外圍設(shè)備，同時(shí)它們有效地處理中斷請(qǐng)求以便系統(tǒng)調(diào)度程序保持系統(tǒng)需求的平衡。所以設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以脫離系統(tǒng)的限制來(lái)使用系統(tǒng)區(qū)，比如系統(tǒng)的緩沖區(qū)等等。一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序同時(shí)包括中斷和同步區(qū)域。其中中斷區(qū)域處理實(shí)時(shí)事件并且被設(shè)備的中斷所驅(qū)動(dòng)；而同步區(qū)域則組成了設(shè)備的剩余部分，處理進(jìn)程的同步事件。所以，當(dāng)一個(gè)設(shè)備需要一些軟件服務(wù)時(shí)，就發(fā)出一個(gè)"中斷"，然后中斷處理器得到產(chǎn)生中斷的原因同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。一個(gè)Linux進(jìn)程可能會(huì)在事件發(fā)生之前一直等待下去。例

8、如，一個(gè)進(jìn)程可能會(huì)在運(yùn)行中等待一些寫(xiě)入硬件設(shè)備的信息的到來(lái)。其中一種方式是進(jìn)程可以使用sleep()和wakeup()這兩個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，進(jìn)程先使自己處于睡眠狀態(tài)，等待事件的到來(lái)，一旦事件發(fā)生，進(jìn)程即可被喚醒。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)：interruptible_sleep_on(&dev_wait_queue)函數(shù)使進(jìn)程睡眠并且將此進(jìn)程的進(jìn)程號(hào)加到進(jìn)程睡眠列表dev_wait_queue中，一旦設(shè)備準(zhǔn)備好后，設(shè)備發(fā)出一個(gè)中斷，從而導(dǎo)致設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中相應(yīng)的例程被調(diào)用，這個(gè)驅(qū)動(dòng)程序例程處理完一些設(shè)備要求的事宜后會(huì)發(fā)出一個(gè)喚醒進(jìn)程的信號(hào)，通常使用wake_up_interruptible(&dev

9、_wait_queue)函數(shù)，它可以喚醒dev_wait_queue所示列表中的所有進(jìn)程。特別要注意的是，如果兩個(gè)和兩個(gè)以上的進(jìn)程共享一些公共數(shù)據(jù)區(qū)時(shí)，我們必須將之視為臨界區(qū)，臨界區(qū)保證了進(jìn)程間互斥地訪問(wèn)公共數(shù)據(jù)。在Linux系統(tǒng)中我們可以使用cli()和sti()兩個(gè)內(nèi)核例程來(lái)處理這種互斥，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程在訪問(wèn)臨界區(qū)時(shí)可以使用cli()來(lái)關(guān)閉中斷，離開(kāi)時(shí)則使用sti()再將中斷打開(kāi)，就像下面的寫(xiě)法：cli()臨界區(qū)sti()除了以上這些，我們還得了解一下虛擬文件系統(tǒng)交換(VFS)的概念。圖6 虛擬文件系統(tǒng)交換圖6中的"文件操作結(jié)構(gòu)"在/usr/include/linux/fs

10、.h文件中定義，此結(jié)構(gòu)包含了驅(qū)動(dòng)程序中的函數(shù)列表。圖上的初始化例程xxx_init()根據(jù)VFS和設(shè)備的主設(shè)備號(hào)來(lái)注冊(cè)"文件操作結(jié)構(gòu)"。下面是一些設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的支撐函數(shù)（具體使用方法詳見(jiàn)Linux編程手冊(cè)，使用man命令）：add_timer() 定時(shí)間一過(guò)，可以引發(fā)函數(shù)的執(zhí)行；cli() 關(guān)閉中斷，阻止中斷的捕獲；end_request() 當(dāng)一個(gè)請(qǐng)求被完成或被撤銷(xiāo)時(shí)被執(zhí)行；free_irq() 釋放一個(gè)先前被request_irq()和irqaction()捕獲的的中斷請(qǐng)求；get_fs*() 允許一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序訪問(wèn)用戶(hù)區(qū)數(shù)據(jù)（一塊不屬于內(nèi)核的內(nèi)存區(qū)）；inb(),

11、inb_p() 從一個(gè)端口讀取一個(gè)字節(jié)，其中inb_p() 會(huì)一直阻塞直到從端口得到字節(jié)為止；irqaction() 注冊(cè)一個(gè)中斷；IS_*(inode) 測(cè)試inode是否在一個(gè)被mount了的文件系統(tǒng)上；kfree*() 放先前被kmalloc()分配的內(nèi)存區(qū)；kmalloc() 分配大于4096個(gè)字節(jié)的大塊內(nèi)存區(qū)；MAJOR() 返回設(shè)備的主設(shè)備號(hào)；MINOR() 返回設(shè)備的次設(shè)備號(hào)；memcpy_*fs() 在用戶(hù)區(qū)和內(nèi)核區(qū)之間復(fù)制大塊的內(nèi)存；outb(), outb_p() 向一個(gè)端口寫(xiě)一個(gè)字節(jié)，其中outb_p()一直阻塞直到寫(xiě)字節(jié)成功為止；printk() 內(nèi)核使用的printf

12、()版本；put_fs*() 允許設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)?shù)據(jù)寫(xiě)入用戶(hù)區(qū)；register_*dev() 在內(nèi)核中注冊(cè)一個(gè)設(shè)備；request_irq() 向內(nèi)核申請(qǐng)一個(gè)中斷請(qǐng)求IRQ，如果成功則安裝一個(gè)中斷請(qǐng)求處理器；select_wait() 將一個(gè)進(jìn)程加到相應(yīng)select_wait隊(duì)列中；*sleep_on() 使進(jìn)程睡眠以等待事件的到來(lái)，并且將wait_queue 入口點(diǎn)加到列表中以便事件到來(lái)時(shí)將進(jìn)程喚醒；sti() 和cti()相對(duì)應(yīng)，恢復(fù)中斷捕獲；sys_get*() 系統(tǒng)調(diào)用，得到進(jìn)程的有關(guān)信息；wake_up*() 喚醒先前被*sleep_on() 睡眠的進(jìn)程；Linux的用戶(hù)進(jìn)程不能直

13、接訪問(wèn)系統(tǒng)物理內(nèi)存。每個(gè)用戶(hù)進(jìn)程都有自己的內(nèi)存空間（用戶(hù)虛擬地址空間，開(kāi)始于虛擬0地址）。同樣內(nèi)核也具有自己特定的內(nèi)存空間-系統(tǒng)虛擬地址空間。每當(dāng)用戶(hù)使用系統(tǒng)調(diào)用read()或write()時(shí)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序就在內(nèi)核地址空間和用戶(hù)程序地址空間之間拷貝數(shù)據(jù)。許多Linux例程，比如memcpy_*fs() 和 put_fs*()可以使設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序穿越"用戶(hù)系統(tǒng)"邊界來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。而且數(shù)據(jù)可以是字節(jié)、字或任意長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)塊。例如，memcpy_fromfs()可以從用戶(hù)內(nèi)存空間傳輸任意長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)塊到設(shè)備，而get_fs_byte()則只從用戶(hù)內(nèi)存空間傳輸一個(gè)字節(jié)；相同的memcpy_

14、tofs()和 put_fs_byte()也是如此，只不過(guò)它們是寫(xiě)數(shù)據(jù)到用戶(hù)內(nèi)存空間。然而，在內(nèi)核可訪問(wèn)內(nèi)存空間和設(shè)備本身之間傳輸數(shù)據(jù)則要視不同的計(jì)算機(jī)而定。一些計(jì)算機(jī)需要使用一些特殊CPU輸入輸出指令來(lái)完成這項(xiàng)工作，這通常被稱(chēng)為DMA（直接內(nèi)存訪問(wèn)）。而另一種方案則是使用內(nèi)存映射I/O來(lái)解決，通常使用系統(tǒng)提供的I/O函數(shù)，比如inb()和outb()來(lái)分別地從I/O地址（即端口）讀取和向I/O地址輸出一單字節(jié)，可以使用以下的語(yǔ)句：unsigned char inb(int port)outb(char data, int port)好，下面就可以來(lái)看看字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的基本結(jié)構(gòu)。如圖6所示xxx_write()例程輪詢(xún)?cè)O(shè)備是否已經(jīng)準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)，如果準(zhǔn)備好了，則將指定長(zhǎng)度的字符串從用戶(hù)內(nèi)存空間發(fā)送到字符設(shè)備。另外還可以使用中斷來(lái)通知設(shè)備是否準(zhǔn)備好，這樣就不需要程序?yàn)榱溯喸?xún)而等待，從而提高CPU的利用率。xxx_table是一個(gè)結(jié)構(gòu)的數(shù)組，它包含很多成員變量，包括xxx_wait_queue和bytes_xfered（兩者都被用于讀寫(xiě)操作）。xxx_open()使用request_irq()或irqaction()來(lái)調(diào)用xxx_interr