移植嵌入式Linux到ARM處理器S3C2410:設(shè)備驅(qū)動(dòng)

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，它為應(yīng)用程序屏蔽硬件的細(xì)節(jié)，一般來(lái)說(shuō)，Linux的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序需要完成如下功能：

　　·設(shè)備初始化、釋放；

　　·提供各類設(shè)備服務(wù)；

　　·負(fù)責(zé)內(nèi)核和設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換；

　　·檢測(cè)和處理設(shè)備工作過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤。

　　Linux下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序被組織為一組完成不同任務(wù)的函數(shù)的集合，通過(guò)這些函數(shù)使得Windows的設(shè)備操作猶如文件一般。在應(yīng)用程序看來(lái)，硬件設(shè)備只是一個(gè)設(shè)備文件，應(yīng)用程序可以象操作普通文件一樣對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行操作，如open ()、close ()、read ()、write () 等。

　　Linux主要將設(shè)備分為二類：字符設(shè)備和塊設(shè)備。字符設(shè)備是指設(shè)備發(fā)送和接收數(shù)據(jù)以字符的形式進(jìn)行；而塊設(shè)備則以整個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的形式進(jìn)行。在對(duì)字符設(shè)備發(fā)出讀/寫(xiě)請(qǐng)求時(shí)，實(shí)際的硬件I/O一般就緊接著發(fā)生了；而塊設(shè)備則不然，它利用一塊系統(tǒng)內(nèi)存作緩沖區(qū)，當(dāng)用戶進(jìn)程對(duì)設(shè)備請(qǐng)求能滿足用戶的要求，就返回請(qǐng)求的數(shù)據(jù)，如果不能，就調(diào)用請(qǐng)求函數(shù)來(lái)進(jìn)行實(shí)際的I/O操作。塊設(shè)備主要針對(duì)磁盤(pán)等慢速設(shè)備。

　　1.內(nèi)存分配

　　由于Linux驅(qū)動(dòng)程序在內(nèi)核中運(yùn)行，因此在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序需要申請(qǐng)/釋放內(nèi)存時(shí)，不能使用用戶級(jí)的malloc/free函數(shù)，而需由內(nèi)核級(jí)的函數(shù)kmalloc/kfree () 來(lái)實(shí)現(xiàn)，kmalloc()函數(shù)的原型為：

void kmalloc (size_t size ,int priority);

　　參數(shù)size為申請(qǐng)分配內(nèi)存的字節(jié)數(shù)，kmalloc最多只能開(kāi)辟128k的內(nèi)存；參數(shù)priority說(shuō)明若kmalloc()不能馬上分配內(nèi)存時(shí)用戶進(jìn)程要采用的動(dòng)作：GFP_KERNEL 表示等待，即等kmalloc()函數(shù)將一些內(nèi)存安排到交換區(qū)來(lái)滿足你的內(nèi)存需要，GFP_ATOMIC 表示不等待，如不能立即分配到內(nèi)存則返回0 值；函數(shù)的返回值指向已分配內(nèi)存的起始地址，出錯(cuò)時(shí)，返回0。

　　kmalloc ()分配的內(nèi)存需用kfree()函數(shù)來(lái)釋放，kfree ()被定義為：

# define kfree (n) kfree_s( (n) ,0)

　　其中kfree_s () 函數(shù)原型為：

void kfree_s (void * ptr ,int size);

　　參數(shù)ptr為kmalloc()返回的已分配內(nèi)存的指針，size是要釋放內(nèi)存的字節(jié)數(shù)，若為0 時(shí)，由內(nèi)核自動(dòng)確定內(nèi)存的大小。

　　2.中斷

　　許多設(shè)備涉及到中斷操作，因此，在這樣的設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序中需要對(duì)硬件產(chǎn)生的中斷請(qǐng)求提供中斷服務(wù)程序。與注冊(cè)基本入口點(diǎn)一樣，驅(qū)動(dòng)程序也要請(qǐng)求內(nèi)核將特定的中斷請(qǐng)求和中斷服務(wù)程序聯(lián)系在一起。在Linux中，用request_irq()函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)請(qǐng)求：

int request_irq (unsigned int irq ,void( * handler) int ,unsigned long type ,char * name);

　 　參數(shù)irq為要中斷請(qǐng)求號(hào)，參數(shù)handler為指向中斷服務(wù)程序的指針，參數(shù)type 用來(lái)確定是正常中斷還是快速中斷（正常中斷指中斷服務(wù)子程序返回后，內(nèi)核可以執(zhí)行調(diào)度程序來(lái)確定將運(yùn)行哪一個(gè)進(jìn)程；而快速中斷是指中斷服務(wù)子程序返回后，立即執(zhí)行被中斷程序，正常中斷type 取值為0 ，快速中斷type 取值為SA_INTERRUPT），參數(shù)name是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的名稱。

3.字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)

　　我們必須為字符設(shè)備提供一個(gè)初始化函數(shù)，該函數(shù)用來(lái)完成對(duì)所控設(shè)備的初始化工作，并調(diào)用register_chrdev() 函數(shù)注冊(cè)字符設(shè)備。假設(shè)有一字符設(shè)備"exampledev"，則其init 函數(shù)為：

void exampledev_init(void)
{
if (register_chrdev(MAJOR_NUM, " exampledev ", &exampledev_fops))
TRACE_TXT("Device exampledev driver registered error");
else
TRACE_TXT("Device exampledev driver registered successfully");
…//設(shè)備初始化
}

　　其中，register_chrdev函數(shù)中的參數(shù)MAJOR_NUM為主設(shè)備號(hào),"exampledev"為設(shè)備名，exampledev_fops 為包含基本函數(shù)入口點(diǎn)的結(jié)構(gòu)體，類型為file_operations。當(dāng)執(zhí)行exampledev_init時(shí)，它將調(diào)用內(nèi)核函數(shù) register_chrdev，把驅(qū)動(dòng)程序的基本入口點(diǎn)指針存放在內(nèi)核的字符設(shè)備地址表中，在用戶進(jìn)程對(duì)該設(shè)備執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用時(shí)提供入口地址。

　　較早版本內(nèi)核的file_operations結(jié)構(gòu)體定義為（代碼及圖示）：

struct file_operations
{
　int (*lseek)();
　int (*read)();
　int (*write)();
　int (*readdir)();
　int (*select)();
　int (*ioctl)();
　int (*mmap)();
　int (*open)();
　void(*release)();
　int (*fsync)();
　int (*fasync)();
　int (*check_media_change)();
　void(*revalidate)();
};

　　隨著內(nèi)核功能的加強(qiáng)，file_operations結(jié)構(gòu)體也變得更加龐大。但是大多數(shù)的驅(qū)動(dòng)程序只是利用了其中的一部分，對(duì)于驅(qū)動(dòng)程序中無(wú)需提供的功能，只需要把相應(yīng)位置的值設(shè)為NULL。對(duì)于字符設(shè)備來(lái)說(shuō)，要提供的主要入口有：open ()、release ()、read ()、write ()、ioctl ()等。

　　open()函數(shù)　對(duì)設(shè)備特殊文件進(jìn)行open()系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，將調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的open () 函數(shù)：

int (*open)(struct inode * inode,struct file *filp);

　 　其中參數(shù)inode為設(shè)備特殊文件的inode (索引結(jié)點(diǎn)) 結(jié)構(gòu)的指針，參數(shù)filp是指向這一設(shè)備的文件結(jié)構(gòu)的指針。open()的主要任務(wù)是確定硬件處在就緒狀態(tài)、驗(yàn)證次設(shè)備號(hào)的合法性(次設(shè)備號(hào)可以用 MINOR(inode-> i_rdev) 取得)、控制使用設(shè)備的進(jìn)程數(shù)、根據(jù)執(zhí)行情況返回狀態(tài)碼(0表示成功，負(fù)數(shù)表示存在錯(cuò)誤) 等；

　　release()函數(shù)　當(dāng)最后一個(gè)打開(kāi)設(shè)備的用戶進(jìn)程執(zhí)行close ()系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，內(nèi)核將調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的release () 函數(shù)：

void (*release) (struct inode * inode,struct file *filp) ;

　　release 函數(shù)的主要任務(wù)是清理未結(jié)束的輸入/輸出操作、釋放資源、用戶自定義排他標(biāo)志的復(fù)位等。

　　read()函數(shù)　當(dāng)對(duì)設(shè)備特殊文件進(jìn)行read() 系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，將調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序read() 函數(shù)：

ssize_t (*read) (struct file * filp, char * buf, size_t count, loff_t * offp);

　　參數(shù)buf是指向用戶空間緩沖區(qū)的指針，由用戶進(jìn)程給出，count 為用戶進(jìn)程要求讀取的字節(jié)數(shù)，也由用戶給出。

　　read() 函數(shù)的功能就是從硬設(shè)備或內(nèi)核內(nèi)存中讀取或復(fù)制count個(gè)字節(jié)到buf 指定的緩沖區(qū)中。在復(fù)制數(shù)據(jù)時(shí)要注意，驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行在內(nèi)核中，而buf指定的緩沖區(qū)在用戶內(nèi)存區(qū)中，是不能直接在內(nèi)核中訪問(wèn)使用的，因此，必須使用特殊的復(fù)制函數(shù)來(lái)完成復(fù)制工作，這些函數(shù)在include/asm/uaccess.h中被聲明：

unsigned long copy_to_user (void * to, void * from, unsigned long len);

　　此外，put_user()函數(shù)用于內(nèi)核空間和用戶空間的單值交互（如char、int、long）。

　　write( ) 函數(shù)　當(dāng)設(shè)備特殊文件進(jìn)行write () 系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，將調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的write () 函數(shù)：

ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *);

　　write ()的功能是將參數(shù)buf 指定的緩沖區(qū)中的count 個(gè)字節(jié)內(nèi)容復(fù)制到硬件或內(nèi)核內(nèi)存中，和read() 一樣，復(fù)制工作也需要由特殊函數(shù)來(lái)完成：

unsigned long copy_from_user(void *to, const void *from, unsigned long n);

　　此外，get_user()函數(shù)用于內(nèi)核空間和用戶空間的單值交互（如char、int、long）。

　　ioctl() 函數(shù)　該函數(shù)是特殊的控制函數(shù)，可以通過(guò)它向設(shè)備傳遞控制信息或從設(shè)備取得狀態(tài)信息，函數(shù)原型為：

int (*ioctl) (struct inode * inode,struct file * filp,unsigned int cmd,unsigned long arg);

　　參數(shù)cmd為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序要執(zhí)行的命令的代碼，由用戶自定義，參數(shù)arg 為相應(yīng)的命令提供參數(shù)，類型可以是整型、指針等。

　　同樣，在驅(qū)動(dòng)程序中，這些函數(shù)的定義也必須符合命名規(guī)則，按照本文約定，設(shè)備"exampledev"的驅(qū)動(dòng)程序的這些函數(shù)應(yīng)分別命名為 exampledev_open、exampledev_ release、exampledev_read、exampledev_write、exampledev_ioctl，因此設(shè)備 "exampledev"的基本入口點(diǎn)結(jié)構(gòu)變量exampledev_fops 賦值如下（對(duì)較早版本的內(nèi)核）：

struct file_operations exampledev_fops {
　NULL ,
　exampledev_read ,
　exampledev_write ,
　NULL ,
　NULL ,
　exampledev_ioctl ,
　NULL ,
　exampledev_open ,
　exampledev_release ,
　NULL ,
　NULL ,
　NULL ,
　NULL
} ;

　　就目前而言，由于file_operations結(jié)構(gòu)體已經(jīng)很龐大，我們更適合用GNU擴(kuò)展的C語(yǔ)法來(lái)初始化exampledev_fops：

struct file_operations exampledev_fops = {
　read: exampledev _read,
　write: exampledev _write,
　ioctl: exampledev_ioctl ,
　open: exampledev_open ,
　release : exampledev_release ,
};

　　看看第一章電路板硬件原理圖，板上包含四個(gè)用戶可編程的發(fā)光二極管（LED），這些LED連接在ARM處理器的可編程I/O口（GPIO）上，現(xiàn)在來(lái)編寫(xiě)這些LED的驅(qū)動(dòng)：

#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define DEVICE_NAME "leds" /*定義led 設(shè)備的名字*/
#define LED_MAJOR 231 /*定義led 設(shè)備的主設(shè)備號(hào)*/
static unsigned long led_table[] =
{
　/*I/O 方式led 設(shè)備對(duì)應(yīng)的硬件資源*/
　GPIO_B10, GPIO_B8, GPIO_B5, GPIO_B6,
};
/*使用ioctl 控制led*/
static int leds_ioctl(struct inode *inode, struct file *file, unsigned int cmd,
unsigned long arg)
{
　switch (cmd)
　{
　　case 0:
　　case 1:
　　　if (arg > 4)
　　　{
　　　　return -EINVAL;
　　　}
　　　write_gpio_bit(led_table[arg], !cmd);
　　default:
　　　return -EINVAL;
　}
}
static struct file_operations leds_fops =
{
　owner: THIS_MODULE, ioctl: leds_ioctl,
};
static devfs_handle_t devfs_handle;
static int __init leds_init(void)
{
　int ret;
　int i;
　/*在內(nèi)核中注冊(cè)設(shè)備*/
　ret = register_chrdev(LED_MAJOR, DEVICE_NAME, &leds_fops);
　if (ret < 0)
　{
　　printk(DEVICE_NAME " can't register major numbern");
　　return ret;
　}
　devfs_handle = devfs_register(NULL, DEVICE_NAME, DEVFS_FL_DEFAULT, LED_MAJOR,
0, S_IFCHR | S_IRUSR | S_IWUSR, &leds_fops, NULL);
　/*使用宏進(jìn)行端口初始化，set_gpio_ctrl 和write_gpio_bit 均為宏定義*/
　for (i = 0; i < 8; i++)
　{
　　set_gpio_ctrl(led_table[i] | GPIO_PULLUP_EN | GPIO_MODE_OUT);
　　write_gpio_bit(led_table[i], 1);
　}
　printk(DEVICE_NAME " initializedn");
　return 0;
}