Linux設(shè)備驅(qū)動開發(fā)課件

1、Linux設(shè)備驅(qū)動開發(fā)設(shè)備驅(qū)動開發(fā)2010.3提綱提綱n 設(shè)備驅(qū)動概述n 如何編寫內(nèi)核模塊n 如何編寫設(shè)備驅(qū)動n 字符設(shè)備驅(qū)動實例預備知識：設(shè)備控制器的功能及接口預備知識：設(shè)備控制器的功能及接口n 每一個物理設(shè)備都有自己的硬件控制器，每一個硬件控制器都有自己的控制和狀態(tài)寄存器(CSR)，不同的設(shè)備是不同的；n 設(shè)備控制器的功能：命令寄存器和譯碼器（接收和識別命令）、數(shù)據(jù)寄存器（數(shù)據(jù)交換）、狀態(tài)寄存器（設(shè)備狀態(tài)的了解和報告）、地址寄存器（地址識別）n 設(shè)備控制器與CPU的接口：數(shù)據(jù)線、地址線、控制線n 設(shè)備控制器與設(shè)備的接口：數(shù)據(jù)信號、狀態(tài)信號、控制信號預備知識：系統(tǒng)對設(shè)備的管理預備知識：系統(tǒng)對

2、設(shè)備的管理n 設(shè)備控制表（DCT）：每個設(shè)備一張表，表結(jié)構(gòu)如下：設(shè)備標識符、設(shè)備類型、設(shè)備地址或設(shè)備號、設(shè)備狀態(tài)、等待隊列指針、重復執(zhí)行的次數(shù)和時間、I/O控制器指針n 系統(tǒng)設(shè)備表（SDT）：整個系統(tǒng)一張表，表結(jié)構(gòu)如下：DCT指針、正在使用設(shè)備的進程標識、設(shè)備驅(qū)動程序入口驅(qū)動原理：什么是設(shè)備驅(qū)動？驅(qū)動原理：什么是設(shè)備驅(qū)動？n 設(shè)備控制器的CSR用于啟動和停止設(shè)備，初始化設(shè)備和診斷它的問題n 管理這些硬件控制器的代碼不是放在每一個應用程序里邊，而是放在Linux內(nèi)核中。這些處理或管理硬件控制器的軟件就叫做設(shè)備驅(qū)動程序。n 一般來說，一個驅(qū)動程序控制一種硬件設(shè)備；n Linux核心的設(shè)備驅(qū)動程序是

3、Linux操作系統(tǒng)的一部分，它運行于核心態(tài)。驅(qū)動原理：驅(qū)動架構(gòu)驅(qū)動原理：驅(qū)動架構(gòu)硬件設(shè)備驅(qū)動塊設(shè)備字符設(shè)備緩沖區(qū)文件子系統(tǒng)進程控制子系統(tǒng)進程調(diào)度內(nèi)存管理調(diào)進程間通訊系統(tǒng)調(diào)用接口硬件層內(nèi)核層內(nèi)核層用戶層庫函數(shù)用戶程序驅(qū)動原理：內(nèi)核何時使用驅(qū)動程序？驅(qū)動原理：內(nèi)核何時使用驅(qū)動程序？n Linux內(nèi)核使用“設(shè)備無關(guān)”的I/O子系統(tǒng)來為所有的設(shè)備服務。每個設(shè)備都提供標準接口給內(nèi)核，從而盡可能地隱藏了自己的特性。n 用戶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。n 每當一個系統(tǒng)調(diào)用被使用時，內(nèi)核就轉(zhuǎn)到相應的設(shè)備驅(qū)動例程來操縱硬件。 驅(qū)動原理：驅(qū)動原理： Linux的的I/O子系統(tǒng)子系統(tǒng)

4、驅(qū)動原理：驅(qū)動原理：Linux設(shè)備與文件的關(guān)系設(shè)備與文件的關(guān)系n Linux將所有外部設(shè)備看成是一類特殊文件，稱之為“設(shè)備文件”，如果說系統(tǒng)調(diào)用是Linux內(nèi)核和應用程序之間的接口，那么設(shè)備驅(qū)動程序則可以看成是Linux內(nèi)核與外部設(shè)備之間的接口。n 設(shè)備驅(qū)動程序向應用程序屏蔽了硬件在實現(xiàn)上的細節(jié)，使得應用程序可以像操作普通文件一樣來操作外部設(shè)備。驅(qū)動原理：設(shè)備文件驅(qū)動原理：設(shè)備文件nLinux抽象了對硬件的處理，使得所有的硬件設(shè)備都可以像普通文件一樣來看待：它們可以使用和操作文件相同的、標準的系統(tǒng)調(diào)用接口來完成打開、關(guān)閉、讀寫和I/O控制操作，而驅(qū)動程序的主要任務也就是要實現(xiàn)這些系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。

5、nLinux系統(tǒng)中的所有硬件設(shè)備都使用一個特殊的設(shè)備文件來表示，例如，系統(tǒng)中的第一個IDE硬盤在文件系統(tǒng)中使用/dev/hda表示。nLinux通過分配設(shè)備號來標識每個設(shè)備，每個設(shè)備文件對應有兩個設(shè)備號：一個是主設(shè)備號，標識該設(shè)備的種類，也標識了該設(shè)備所使用的驅(qū)動程序，有關(guān)主設(shè)備號分配見linux/include/linux/major.h 。例如軟驅(qū)主設(shè)備號是2，IDE硬盤的主設(shè)備號是3；另一個是次設(shè)備號，標識使用同一設(shè)備驅(qū)動程序的不同硬件設(shè)備。例如，一臺PC有兩塊IDE硬盤，它們的主設(shè)備號都是 3，但是第一個硬盤的次設(shè)備號為1，另一個次設(shè)備號為2。設(shè)備文件的主設(shè)備號必須與設(shè)備驅(qū)動程序在登記

6、該設(shè)備時申請的主設(shè)備號一致，否則用戶進程將無法訪問到設(shè)備驅(qū)動程序。驅(qū)動原理：設(shè)備驅(qū)動程序的主要功能驅(qū)動原理：設(shè)備驅(qū)動程序的主要功能n 對設(shè)備進行初始化；n 使設(shè)備投入運行和退出服務；n 從設(shè)備接收數(shù)據(jù)并將它們送回內(nèi)核；n 將數(shù)據(jù)從內(nèi)核送到設(shè)備；n 檢測和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯誤。驅(qū)動原理：字符設(shè)備和塊設(shè)備驅(qū)動原理：字符設(shè)備和塊設(shè)備n 在Linux操作系統(tǒng)下有兩類主要的設(shè)備文件：一類是字符設(shè)備，另一類則是塊設(shè)備。n 字符設(shè)備是以字節(jié)為單位逐個進行I/O操作的設(shè)備，在對字符設(shè)備發(fā)出讀寫請求時，實際的硬件I/O緊接著就發(fā)生了，一般來說字符設(shè)備中的緩存是可有可無的，而且也不支持隨機訪問。如鼠標、鍵盤、串口

7、n 塊設(shè)備則是利用一塊系統(tǒng)內(nèi)存作為緩沖區(qū)，當用戶進程對設(shè)備進行讀寫請求時，驅(qū)動程序先查看緩沖區(qū)中的內(nèi)容，如果緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)能滿足用戶的要求就返回相應的數(shù)據(jù)，否則就調(diào)用相應的請求函數(shù)來進行實際的I/O操作。如硬盤、光驅(qū)等塊設(shè)備主要是針對磁盤等慢速設(shè)備設(shè)計的，其目的是避免耗費過多的CPU時間來等待操作的完成。驅(qū)動原理：設(shè)備文件與驅(qū)動程序的關(guān)系驅(qū)動原理：設(shè)備文件與驅(qū)動程序的關(guān)系n 所有已經(jīng)注冊（即已經(jīng)加載了驅(qū)動程序）的硬件設(shè)備的主設(shè)備號可以從/proc/devices文件中得到。n 使用mknod命令可以創(chuàng)建指定類型的設(shè)備文件，同時為其分配相應的主設(shè)備號和次設(shè)備號。mknod /dev/device

8、_name device_type major_number minor_number其中：device_name是此設(shè)備的文件device_type是此設(shè)備的類型，c表示字符設(shè)備，b表示塊設(shè)備例如，建立一個主設(shè)備號為6，次設(shè)備號為0的字符設(shè)備文件/dev/lp0 ：# mknod /dev/lp0 c 6 0 n 當應用程序?qū)δ硞€設(shè)備文件進行系統(tǒng)調(diào)用時，Linux內(nèi)核會根據(jù)該設(shè)備文件的設(shè)備類型和主設(shè)備號調(diào)用相應的驅(qū)動程序，并從用戶態(tài)進入到核心態(tài)，再由驅(qū)動程序判斷該設(shè)備的次設(shè)備號，最終完成對相應硬件的操作。驅(qū)動機制：設(shè)備管理驅(qū)動機制：設(shè)備管理n 1、設(shè)備管理：系統(tǒng)對已經(jīng)登記的字符設(shè)備的管理是由

9、chrdevs來管理的。n Linux對設(shè)備進行訪問時，訪問文件系統(tǒng)中相應的設(shè)備文件，通過文件系統(tǒng)和文件的屬性描述塊，可以找到該文件系統(tǒng)或設(shè)備對應的設(shè)備號。在實際訪問列表時，以chrdevsMAJORMINOR 形式訪問。static struct char_device_struct struct char_device_struct *next;unsigned int major;unsigned int baseminor;int minorct;const char *name;struct *fops;struct cdev *cdev;/* will die */ *chrdev

10、sMAX_PROBE_HASH;驅(qū)動機制：驅(qū)動機制：I/O請求管理請求管理n 2、I/O請求管理：系統(tǒng)會把一部分系統(tǒng)內(nèi)存作為塊設(shè)備驅(qū)動程序與文件系統(tǒng)接口之間的一層緩沖區(qū)，每個緩沖區(qū)與某臺設(shè)備中的特定區(qū)域相聯(lián)系，文件系統(tǒng)首先試圖查找相應的緩沖區(qū)，如未找到才向該設(shè)備發(fā)出I/O讀寫請求，由設(shè)備驅(qū)動程序?qū)@些請求進行處理。驅(qū)動機制：中斷請求驅(qū)動機制：中斷請求n 3、中斷請求：設(shè)備進行實際的輸入/輸出時，如果時間過長而始終占用CPU，就會影響系統(tǒng)的效率，所以Linux采用中斷的機制。驅(qū)動機制：中斷與輪詢驅(qū)動機制：中斷與輪詢n設(shè)備被執(zhí)行某個命令時，如“將讀取磁頭移動到軟盤的第42扇區(qū)上”，設(shè)備驅(qū)動可以從輪

11、詢方式和中斷方式中選擇一種以判斷設(shè)備是否已經(jīng)完成此命令。n輪詢方式意味著需要經(jīng)常讀取設(shè)備的狀態(tài)，一直到設(shè)備狀態(tài)表明請求已經(jīng)完成為止。如果設(shè)備驅(qū)動被連接進入內(nèi)核，這時使用輪詢方式將會帶來災難性后果：內(nèi)核將在此過程中無所事事，直到設(shè)備完成此請求。但是輪詢設(shè)備驅(qū)動可以通過使用系統(tǒng)定時器，使核心周期性調(diào)用設(shè)備驅(qū)動中的某個例程來檢查設(shè)備狀態(tài)。 定時器過程可以檢查命令狀態(tài)及Linux軟盤驅(qū)動的工作情況。使用定時器是輪詢方式中最好的一種，但更有效的方法是使用中斷。 n基于中斷的設(shè)備驅(qū)動會在它所控制的硬件設(shè)備需要服務時引發(fā)一個硬件中斷。如以太網(wǎng)設(shè)備驅(qū)動從網(wǎng)絡上接收到一個以太數(shù)據(jù)報時都將引起中斷。Linux內(nèi)核

12、需要將來自硬件設(shè)備的中斷傳遞到相應的設(shè)備驅(qū)動。這個過程由設(shè)備驅(qū)動向內(nèi)核注冊其使用的中斷來協(xié)助完成。此中斷處理例程的地址和中斷號都將被記錄下來。在/proc/interrupts文件中你可以看到設(shè)備驅(qū)動所對應的中斷號及類型。驅(qū)動機制：高速緩沖驅(qū)動機制：高速緩沖n 4、高速緩沖區(qū)：為了加速物理設(shè)備的訪問速度，Linux將塊緩沖區(qū)放在cache內(nèi)，塊緩沖區(qū)是由buff_head 連成的鏈表結(jié)構(gòu)。struct buff_head unsigned long b_blocknr 邏輯塊號unsigned long b_size 塊大小kdev_t b_dev 虛擬設(shè)備標志符kdev_t b_rdev 實

13、際設(shè)備標志符unsigned long b_state 緩沖區(qū)狀態(tài)標志char * b_data 指向緩沖區(qū)的指針unsigned long b_rsector 實際設(shè)備上的塊號.驅(qū)動機制：驅(qū)動機制： DMAn 有時設(shè)備與系統(tǒng)要進行大批量的數(shù)據(jù)傳輸，采用中斷的方式會給CPU帶來很大的負荷，降低了系統(tǒng)的效率。n DMA操作是外設(shè)直接與內(nèi)存進行數(shù)據(jù)傳輸，而無須CPU的干預。如硬盤數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)卡數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。n DMA控制器沒有任何虛擬內(nèi)存的概念，它只存取系統(tǒng)中的物理內(nèi)存，不能在進程虛擬地址空間內(nèi)直接使用DMA。驅(qū)動接口：設(shè)備驅(qū)動程序與外界的接口驅(qū)動接口：設(shè)備驅(qū)動程序與外界的接口n 每種類型的驅(qū)動程序

14、，不管是字符設(shè)備還是塊設(shè)備都為內(nèi)核提供相同的調(diào)用接口，因此內(nèi)核能以相同的方式處理不同的設(shè)備。Linux為每種不同類型的設(shè)備驅(qū)動程序維護相應的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以便定義統(tǒng)一的接口并實現(xiàn)驅(qū)動程序的可裝載性和動態(tài)性，n Linux設(shè)備驅(qū)動程序與外界的接口分為3部分：驅(qū)動程序與內(nèi)核的接口，這是通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來完成的；驅(qū)動程序與系統(tǒng)引導的接口，這部分利用驅(qū)動程序?qū)υO(shè)備進行初始化；設(shè)備驅(qū)動程序與設(shè)備的接口，這部分描述了驅(qū)動程序如何與設(shè)備進行交互，這與具體設(shè)備密切相關(guān)；它們之間的關(guān)系如下頁圖所示：驅(qū)動接口：驅(qū)動程序與外界的接口驅(qū)動接口：驅(qū)動程序與外界的接口 設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)備驅(qū)動程序 操作系統(tǒng)內(nèi)核操作系統(tǒng)內(nèi)核 接口 數(shù)

15、據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 實現(xiàn)實現(xiàn) 系統(tǒng)引導系統(tǒng)引導 接口 各設(shè)備各設(shè)備 初始化初始化 具體設(shè)備具體設(shè)備 接口 進行交互進行交互 驅(qū)動程序與設(shè)備間驅(qū)動程序與設(shè)備間 圖 設(shè)備驅(qū)動程序與外界的接口 設(shè)備驅(qū)動程序的特點設(shè)備驅(qū)動程序的特點（1）內(nèi)核代碼：設(shè)備驅(qū)動程序是內(nèi)核的一部分，如果驅(qū)動程序出錯，則可能導致系統(tǒng)崩潰。 （2）內(nèi)核接口：設(shè)備驅(qū)動程序必須為內(nèi)核或者其子系統(tǒng)提供一個標準接口。比如，一個終端驅(qū)動程序必須為內(nèi)核提供一個文件I/O接口；一個SCSI設(shè)備驅(qū)動程序應該為SCSI子系統(tǒng)提供一個SCSI設(shè)備接口，同時SCSI子系統(tǒng)也必須為內(nèi)核提供文件的I/O接口及緩沖區(qū)。 （3）內(nèi)核機制和服務：設(shè)備驅(qū)動程序使用一

16、些標準的內(nèi)核服務，如內(nèi)存分配等。 （4）可裝載：大多數(shù)的Linux操作系統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動程序都可以在需要時裝載進內(nèi)核，在不需要時從內(nèi)核中卸載。 （5）可設(shè)置：Linux 操作系統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動程序可以集成為內(nèi)核的一部分，并可以根據(jù)需要把其中的某一部分集成到內(nèi)核中，這只需要在系統(tǒng)編譯時進行相應的設(shè)置即可。 （6）動態(tài)性：在系統(tǒng)啟動且各個設(shè)備驅(qū)動程序初始化后，驅(qū)動程序?qū)⒕S護其控制的設(shè)備。如果該設(shè)備驅(qū)動程序控制的設(shè)備不存在也不影響系統(tǒng)的運行，那么此時的設(shè)備驅(qū)動程序只是多占用了一點系統(tǒng)內(nèi)存罷了思考思考n 設(shè)備驅(qū)動與文件的關(guān)系？提綱提綱n 設(shè)備驅(qū)動概述n 如何編寫內(nèi)核模塊n 如何編寫設(shè)備驅(qū)動n 字符設(shè)備驅(qū)動實例內(nèi)核

17、模塊內(nèi)核模塊n在開始編寫設(shè)備驅(qū)動之前，先需要了解內(nèi)核模塊的概念。Linux內(nèi)核是一個整體的結(jié)構(gòu)，因此向內(nèi)核添加任何東西或者刪除某些功能，都十分困難。為了解決這個問題，Linux引入了內(nèi)核模塊機制，從而可以動態(tài)地在內(nèi)核中添加或者刪除模塊nLinux內(nèi)核中采用可加載的模塊化設(shè)計 （LKMs， Loadable Kernel Modules） ，一般情況下編譯的 Linux 內(nèi)核是支持可插入式模塊的，也就是將最基本的核心代碼編譯在內(nèi)核中，其他的代碼可以選擇在內(nèi)核中，或者編譯為內(nèi)核的模塊文件。 n常見的驅(qū)動程序也是作為內(nèi)核模塊動態(tài)加載的，比如聲卡驅(qū)動和網(wǎng)卡驅(qū)動等，而 Linux最基礎(chǔ)的驅(qū)動，如CPU、

18、PCI總線、TCP/IP協(xié)議、APM（高級電源管理）、VFS等驅(qū)動程序則直接編譯在內(nèi)核文件中。有時也把內(nèi)核模塊叫做驅(qū)動程序，只不過驅(qū)動的內(nèi)容不一定是硬件罷了，比如 ext3 文件系統(tǒng)的驅(qū)動。因此，加載驅(qū)動時就是加載內(nèi)核模塊。n模塊不被編譯在內(nèi)核中，因而控制了內(nèi)核的大小。然而模塊一旦被插入內(nèi)核，它就和內(nèi)核其他部分一樣。這樣一來就會增加一部分系統(tǒng)開銷。同時，如果模塊出現(xiàn)問題，也許會帶來系統(tǒng)崩潰。所以在進行模塊開發(fā)時，要特別注意與應用程序開發(fā)的區(qū)別。n 常用的模塊命令如下：lsmod顯示當前系統(tǒng)已經(jīng)加載的模塊rmmod是用于將當前模塊卸載。insmod 和 modprobe 是用于加載當前模塊但 i

19、nsmod 不會自動解決依存關(guān)系而modprobe則可以根據(jù)模塊間依存關(guān)系以及/etc/modules.conf文件中的內(nèi)容自動插入模塊。n mknod是用于創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點。如果需要加載的模塊是一個設(shè)備驅(qū)動模塊，它占用一個主設(shè)備號，那么在加載此模塊前，必須先為它在文件系統(tǒng)中建立好相應的設(shè)備節(jié)點 。n 例如：為設(shè)備驅(qū)動模塊test.ko建立字符設(shè)備節(jié)點test，其主設(shè)備號為254，次設(shè)備為0n mknod /dev/test c 254 0舉例：簡單的內(nèi)核模塊舉例：簡單的內(nèi)核模塊下面舉一個簡單的內(nèi)核模塊例子，以此引出內(nèi)核的機制和框架：/* hello.c */#include #include #

20、include static int hello_init(void)printk(KERN_ALERT Hello, worldn);return 0;static void hello_exit(void)printk(KERN_ALERT Goodbye, cruel worldn);module_init(hello_init);module_exit(hello_exit);MODULE_LICENSE(GPL);編譯模塊編譯模塊n 下面是一個典型的2.6內(nèi)核下模塊的Makefile#Make hello.c file#KDIR:=/lib/modules/$(shell uname

21、 -r)/buildobj-m:=hello.odefault: $(MAKE) -C $(KDIR) SUBDIRS=$(PWD) modulesclean: $(RM) .*.cmd *.mod.c *.o *.ko -r .tmp*n 執(zhí)行make即可生成hello.ko測試模塊測試模塊1、以root用戶登錄，運行tail -f /var/log/messages2、在另外一個終端以root用戶登錄，裝載模塊insmod ./hello.ko3、這時會在/var/log/messages看到如下信息：Mar 25 16:50:51 wpon kernel: Hello, world4、卸

22、載模塊Now remove the module:rmmod hello5、這時會在/var/log/messages看到如下信息:Mar 25 16:51:08 wpon kernel: Goodbye, cruel world模塊機制模塊機制n從上面的例子可以看出，加載模塊的方式與以往的應用程序開發(fā)有很大的不同。以往在開發(fā)應用程序時都有一個 main函數(shù)作程序的入口點，而在模塊開發(fā)時卻沒有 main 函數(shù)，模塊在調(diào)用 insmod命令時被加載，此時的入口點是module_init函數(shù)。同樣，模塊在調(diào)用 rmmod函數(shù)時被卸載，此時的出口點是module_exit函數(shù)。模塊初始化時執(zhí)行mod

23、ule_init入口點模塊不再使用時（手工或關(guān)機時）執(zhí)行module_exit出口點編寫模塊的規(guī)則編寫模塊的規(guī)則n 不能訪問C庫如 printf(), strcat(),只能使用內(nèi)核提供的頭文件n 內(nèi)核有自己的C功能函數(shù)，如類似于printf()的printk()n 只能使用內(nèi)核提供的頭文件n 不要使用浮點數(shù)n 聲明變量為static的，防止命名空間污染模塊調(diào)試技術(shù)模塊調(diào)試技術(shù)n 內(nèi)核對調(diào)試的支持：配置內(nèi)核時make menuconfig注意選擇debug，編程時CONFIG_DEBUG_INFO等宏的引用n printk及信息顯示級別n /proc系統(tǒng)提供的信息printkn就如同在編寫用戶

24、空間的應用程序，打印信息有時是很好的調(diào)試手段，也是在代碼中很常用的組成部分。但是與用戶空間不同，在內(nèi)核空間要用函數(shù) printk 而不能用平常的函數(shù)printf。printk和 printf很類似，都可以按照一定的格式打印消息，所不同的是，printk還可以定義打印消息的優(yōu)先級。這些不同優(yōu)先級的信息可以輸出到控制臺上、/var/log/messages里。其中，對輸出給控制臺的信息有一個特定的優(yōu)先級console_loglevel。若優(yōu)先級小于這個整數(shù)值時，則消息才能顯示到控制臺上，否則，消息會顯示在/var/log/messages 里。若不加任何優(yōu)先級選項，則消息默認輸出到/var/log

25、/messages文件中。 printkn include/linux/kernel.h下對不同日志級別的定義#define KERN_EMERG /* system is unusable */#define KERN_ALERT /* action must be taken immediately */#define KERN_CRIT /* critical conditions */#define KERN_ERR /* error conditions */#define KERN_WARNING /* warning conditions */#define KERN_NOTIC

26、E /* normal but significant condition */#define KERN_INFO /* informational */#define KERN_DEBUG /* debug-level messages */n 優(yōu)先級console_loglevel被指定為18之間的整數(shù)值。如果設(shè)定為1，則只有級別為0的信息才能到達控制臺。如果設(shè)定為8，則包括調(diào)試信息在內(nèi)的所有消息都顯示出來/procn /proc 文件系統(tǒng)是一個偽文件系統(tǒng)，它是一種內(nèi)核和內(nèi)核模塊用來向進程發(fā)送信息的機制。這個偽文件系統(tǒng)讓用戶可以和內(nèi)核內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行交互，獲取有關(guān)進程的有用信息，在運行時通

27、過改變內(nèi)核參數(shù)改變設(shè)置。與其他文件系統(tǒng)不同，/proc存在于內(nèi)存之中而不是硬盤上，在加載模塊成功后，可以使用查看/proc/device文件獲得相關(guān)設(shè)備的主設(shè)備號。 思考思考n 內(nèi)核何時調(diào)用模塊？lsmod和/proc/modules當內(nèi)核需要的某功能不存在時通過運行modprobe調(diào)入相應模塊,modprobe運行前檢查依賴關(guān)系/lib/modules/$(shell uname -r)/modules.depinsmodrmmodn 模塊是如何工作的？通過module_init告訴內(nèi)核本模塊提供的操作函數(shù)當內(nèi)核需要操作模塊時則調(diào)用模塊提供的函數(shù)模塊不再使用時執(zhí)行module_exit，手工

28、或關(guān)機時提綱提綱n 設(shè)備驅(qū)動概述n 如何編寫內(nèi)核模塊n 如何編寫設(shè)備驅(qū)動n 字符設(shè)備驅(qū)動實例設(shè)備驅(qū)動編寫流程設(shè)備驅(qū)動編寫流程 n在上一節(jié)中已經(jīng)提到，模塊在調(diào)用 insmod命令時被加載，此時的入口點是module_init函數(shù)，通常在該函數(shù)中完成設(shè)備的注冊。同樣，模塊在調(diào)用 rmmod函數(shù)時被卸載，此時的入口點是module_exit函數(shù)，在該函數(shù)中完成設(shè)備的卸載。在設(shè)備完成注冊加載之后，用戶的應用程序就可以對該設(shè)備進行一定的操作，如read、write等，而驅(qū)動程序就是用于實現(xiàn)這些操作，在用戶應用程序調(diào)用相應入口函數(shù)時執(zhí)行相關(guān)的操作。設(shè)備驅(qū)動程序流程圖如下所示：驅(qū)動接口：向內(nèi)核提供的設(shè)備操作

29、接口驅(qū)動接口：向內(nèi)核提供的設(shè)備操作接口nLinux中的I/O子系統(tǒng)向內(nèi)核中的其他部分提供了一個統(tǒng)一的標準設(shè)備接口，這是通過include/linux/fs.h中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來完成的：struct loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int); ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *); ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *); unsigned int (*poll) (struct fi

30、le *, struct poll_table_struct *); int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long); int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *); int (*open) (struct inode *, struct file *); int (*release) (struct inode *, struct file *); ; n這個結(jié)構(gòu)的每一個成員的名字都對應著一個系統(tǒng)調(diào)用.用戶進程利用系統(tǒng)調(diào)用在對設(shè)備文件

31、進行如read/write操作時,系統(tǒng)調(diào)用通過設(shè)備文件的主設(shè)備號找到相應的設(shè)備驅(qū)動程序,然后讀取這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相應的函數(shù)指針,接著把控制權(quán)交給該函數(shù).例如，當應用程序?qū)υO(shè)備文件執(zhí)行讀操作時，內(nèi)核將調(diào)用結(jié)構(gòu)中的read函數(shù)。驅(qū)動結(jié)構(gòu)：驅(qū)動程序的結(jié)構(gòu)驅(qū)動結(jié)構(gòu)：驅(qū)動程序的結(jié)構(gòu)n Linux的設(shè)備驅(qū)動程序大致可以分為如下幾個部分： 驅(qū)動程序的注冊與注銷 設(shè)備的打開與釋放 設(shè)備的讀寫操作 設(shè)備的控制操作 設(shè)備的中斷和輪詢處理驅(qū)動結(jié)構(gòu)：驅(qū)動程序的注冊與注銷驅(qū)動結(jié)構(gòu)：驅(qū)動程序的注冊與注銷 n舊方式：向系統(tǒng)增加一個驅(qū)動程序意味著要賦予它一個主設(shè)備號，這可以通過在驅(qū)動程序的初始化過程中調(diào)用register_chr

32、dev( )或者register_blkdev( )來完成。而在關(guān)閉字符設(shè)備或者塊設(shè)備時，則需要通過調(diào)用unregister_chrdev( )或unregister_blkdev( )從內(nèi)核中注銷設(shè)備，同時釋放占用的主設(shè)備號。 n新方式：#include n注冊：void cdev_init(struct cdev *dev,struct *fops);int cdev_add(struct cdev *dev,dev_t num,unsigned int count);n注銷：void cdev_del(struct cdev *dev);驅(qū)動結(jié)構(gòu)：設(shè)備的打開與釋放驅(qū)動結(jié)構(gòu)：設(shè)備的打開與釋

33、放 n 打開設(shè)備是通過調(diào)用結(jié)構(gòu)中的函數(shù)open( )來完成的，它是驅(qū)動程序用來為今后的操作完成初始化準備工作的。在大部分驅(qū)動程序中，open( )通常需要完成下列工作：1.檢查設(shè)備相關(guān)錯誤，如設(shè)備尚未準備好等。2.如果是第一次打開，則初始化硬件設(shè)備。3.識別次設(shè)備號，如果有必要則更新讀寫操作的當前位置指針f_ops。4.分配和填寫要放在file-private_data里的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。n 釋放設(shè)備是通過調(diào)用結(jié)構(gòu)中的函數(shù)release( )來完成的，這個設(shè)備方法有時也被稱為close( )，它的作用正好與open( )相反，通常要完成下列工作： 1.釋放在file-private_data中分配的

34、內(nèi)存。2.關(guān)閉設(shè)備。驅(qū)動結(jié)構(gòu)：設(shè)備的讀寫操作驅(qū)動結(jié)構(gòu)：設(shè)備的讀寫操作 n 字符設(shè)備的讀寫操作相對比較簡單，直接使用函數(shù)read( )和write( )。n 如果是塊設(shè)備，則需要調(diào)用函數(shù)block_read( )和block_write( )來進行數(shù)據(jù)讀寫，這兩個函數(shù)將向設(shè)備請求表中增加讀寫請求，以便Linux內(nèi)核可以對請求順序進行優(yōu)化。由于是對內(nèi)存緩沖區(qū)而不是直接對設(shè)備進行操作的，因此能很大程度上加快讀寫速度。如果內(nèi)存緩沖區(qū)中沒有所要讀入的數(shù)據(jù)，或者需要執(zhí)行寫操作將數(shù)據(jù)寫入設(shè)備，那么就要執(zhí)行真正的數(shù)據(jù)傳輸，這是通過調(diào)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)blk_dev_struct中的函數(shù)request_fn( )來完成

35、的。 nssize_t read(struct file *filp,char _user *buff,size_t count, loff_t *offp);nssize_t write(struct file *filp,const char _user *buff,size_t count, loff_t *offp);驅(qū)動結(jié)構(gòu)：設(shè)備的讀寫操作注意驅(qū)動結(jié)構(gòu)：設(shè)備的讀寫操作注意n在read和write參數(shù)里的_user表明，這個緩沖是用戶空間的指針，因此它不能直接被內(nèi)核代碼復引用。原因如下：在內(nèi)核執(zhí)行的過程中，用戶空間的指針也許還是無效的（如：還沒有給這個地址映射，或者它指向別的空間，或者

36、是隨機的數(shù)據(jù)）；即使這個指針指的就是內(nèi)核空間的同一空間，但是用戶空間是基于頁的，而在這里討論的這個內(nèi)存空間在系統(tǒng)調(diào)用執(zhí)行的時候也許還不在RAM中。直接引用用戶空間的內(nèi)存，會產(chǎn)生缺頁錯誤；用戶空間提供的這個指針也許會有錯誤，也許是有惡意的。這樣如果驅(qū)動程序盲目地引用用戶空間的指針，就會給應用程序提供一個訪問內(nèi)核空間的后門。n因此，驅(qū)動程序需要使用內(nèi)核提供的特別函數(shù)控制這些對指針的訪問，以完成任務，這可以通過提供的內(nèi)核函數(shù)，在這里就要使用 copy_to_user 或copy_from_user 函數(shù)，它們就是用來實現(xiàn)用戶空間和內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)交換的驅(qū)動結(jié)構(gòu)：設(shè)備的控制操作驅(qū)動結(jié)構(gòu)：設(shè)備的控制操作

37、n 除了讀寫操作外，應用程序有時還需要對設(shè)備進行控制，這可以通過設(shè)備驅(qū)動程序中的函數(shù)ioctl( )來完成。n ioctl是設(shè)備驅(qū)動程序中對設(shè)備的I/O通道進行管理的函數(shù)。所謂對I/O通道進行管理，就是對設(shè)備的一些特性進行控制，例如串口的傳輸波特率、馬達的轉(zhuǎn)速等等。n ioctl( )的用法與具體設(shè)備密切關(guān)聯(lián)，因此需要根據(jù)設(shè)備的實際情況進行具體分析。n 設(shè)備驅(qū)動程序的ioctl函數(shù)：int (*ioctl) (struct inode *inode, struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg); 命令號：類型、序號、方向、大小

38、。include/asm/ioctl.hDocumentation/ioctl-number.txt驅(qū)動結(jié)構(gòu)：用戶對設(shè)備的控制操作驅(qū)動結(jié)構(gòu)：用戶對設(shè)備的控制操作n 在用戶空間內(nèi)調(diào)用的ioctl函數(shù)：int ioctl(int fd, unsigned long cmd, .);n fd就是用戶程序打開設(shè)備時使用open函數(shù)返回的文件標識符，cmd就是用戶程序?qū)υO(shè)備的控制命令，后面的省略號，那是一些補充參數(shù)，一般最多一個，有或沒有是和cmd的意義相關(guān)的。驅(qū)動模塊：驅(qū)動模塊說明驅(qū)動模塊：驅(qū)動模塊說明n Linux下的設(shè)備驅(qū)動程序可以按照兩種方式進行編譯，一種是直接靜態(tài)編譯成內(nèi)核的一部分，另一種則是

39、編譯成可以動態(tài)加載的模塊。如果編譯進內(nèi)核的話，會增加內(nèi)核的大小，還要改動內(nèi)核的源文件，而且不能動態(tài)地卸載，不利于調(diào)試，所以推薦使用模塊方式。n 從本質(zhì)上來講，模塊也是內(nèi)核的一部分，它不同于普通的應用程序，不能調(diào)用位于用戶態(tài)下的C或者C+庫函數(shù)，而只能調(diào)用Linux內(nèi)核提供的函數(shù)，在/proc/kallsyms中可以查看到內(nèi)核提供的所有函數(shù)。驅(qū)動模塊：模塊化驅(qū)動的編寫說明驅(qū)動模塊：模塊化驅(qū)動的編寫說明n 在以模塊方式編寫驅(qū)動程序時，要實現(xiàn)兩個必不可少的函數(shù)module_init ( )和module_exit( )，而且至少要包含兩個頭文件(、 )。n 編譯生成的模塊（一般為.ko文件）可以使用

40、命令insmod載入Linux內(nèi)核，從而成為內(nèi)核的一個組成部分，此時內(nèi)核會調(diào)用模塊中的函數(shù)module_init ( )。當不再需要該模塊時，可以使用rmmod命令進行卸載，此時內(nèi)核會調(diào)用模塊中的函數(shù)module_exit( )。任何時候都可以使用命令lsmod查看目前已經(jīng)加載的模塊以及正在使用該模塊的用戶數(shù)。 思考思考n register_chrdev ()與misc_register ()有何聯(lián)系與區(qū)別？misc_register ()用來注冊其他類型設(shè)備的，它的主設(shè)備是10調(diào)用register_chrdev()，設(shè)備名和函數(shù)指針通過miscdevice結(jié)構(gòu)獲得，同時結(jié)構(gòu)體還保存設(shè)備的次設(shè)

41、備號提綱提綱n 設(shè)備驅(qū)動概述n 如何編寫內(nèi)核模塊n 如何編寫設(shè)備驅(qū)動n 字符設(shè)備驅(qū)動實例基于字符設(shè)備的基于字符設(shè)備的LinuxLinux驅(qū)動程序設(shè)計實例驅(qū)動程序設(shè)計實例n 實驗目的掌握Linux設(shè)備模塊驅(qū)動開發(fā)的方法掌握Linux字符設(shè)備驅(qū)動的開發(fā)n 實驗內(nèi)容調(diào)試一個簡單字符設(shè)備驅(qū)動程序用提供的應用程序測試驅(qū)動程序n 下面舉一個虛擬的字符驅(qū)動程序舉例基于內(nèi)存拷貝的簡單字符驅(qū)動程序設(shè)計。實驗步驟實驗步驟n編寫字符驅(qū)動程序（test.c)； 確定設(shè)備名稱與主設(shè)備號根據(jù)需要編寫設(shè)備文件對內(nèi)核上層的接口，比如open, release, read, write, ioctl等（test.c)；n寫Ma

42、kefile，編譯生成模塊目標文件（test.ko）n用insmod將動態(tài)加載驅(qū)動模塊n在目錄/dev下用mknod命令建立相應的設(shè)備文件n在用戶態(tài)下編寫應用程序測試，使用該設(shè)備驅(qū)動 (mytest.c)n編譯運行測試用例驗證驅(qū)動正確性字符驅(qū)動程序代碼字符驅(qū)動程序代碼test.c#include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include MODULE_LICENSE(Dual BSD/GPL);#define DEVICE_NAME teststatic u

43、nsigned int test_major = 0;字符驅(qū)動程序代碼字符驅(qū)動程序代碼test.cstatic int read_test(struct file * *buf,size_t count,loff_t *ppos) int left; if (access_ok(VERIFY_WRITE,buf,count) = -EFAULT ) return -EFAULT; for(left = count ; left 0 ; left-) _put_user(1,buf); buf+; return count;static int write_test(struct file * *buf,size_t count,loff_t *ppos) return count;將獲得的數(shù)據(jù)送到用戶空間中檢查用戶空間中的內(nèi)存塊是否可用字符驅(qū)動程序代碼字符驅(qū)動程序代碼test.cstatic int open_test(struct inode * inode , struct file