嵌入式Linux設備驅動開發(fā)之：設備驅動概述

操作系統(tǒng)是通過各種驅動程序來駕馭硬件設備的，它為用戶屏蔽了各種各樣的設備，驅動硬件是操作系統(tǒng)最基本的功能，并且提供統(tǒng)一的操作方式。設備驅動程序是內核的一部分，硬件驅動程序是操作系統(tǒng)最基本的組成部分，在Linux內核源程序中也占有60%以上。因此，熟悉驅動的編寫是很重要的。

在第2章中已經提到過，Linux內核中采用可加載的模塊化設計（LKMs，LoadableKernelModules），一般情況下編譯的Linux內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核中，其他的代碼可以編譯到內核中，或者編譯為內核的模塊文件（在需要時動態(tài)加載）。

常見的驅動程序是作為內核模塊動態(tài)加載的，比如聲卡驅動和網卡驅動等，而Linux最基礎的驅動，如CPU、PCI總線、TCP/IP協(xié)議、APM（高級電源管理）、VFS等驅動程序則直接編譯在內核文件中。有時也把內核模塊叫做驅動程序，只不過驅動的內容不一定是硬件罷了，比如ext3文件系統(tǒng)的驅動。因此，加載驅動就是加載內核模塊。

這里，首先列舉一些模塊相關的命令。

n lsmod列出當前系統(tǒng)中加載的模塊，其中左邊第一列是模塊名，第二列是該模塊大小，第三列則是使用該模塊的對象數(shù)目。如下所示：

$lsmod

ModuleSizeUsedby

Autofs120680(autoclean)(unused)

eepro100181281

iptable_nat 192520(autoclean)(unused)

ip_conntrack185401(autoclean)[iptable_nat]

iptable_mangle22720(autoclean)(unused)

iptable_filter22720(autoclean)(unused)

ip_tables119365[iptable_natiptable_mangleiptable_filter]

usb-ohci193280(unused)

usbcore545281[usb-ohci]

ext3677282

jbd444802[ext3]

aic7xxx1147043

sd_mod115843

scsi_mod985122[aic7xxxsd_mod]

n rmmod是用于將當前模塊卸載。

n insmod和modprobe是用于加載當前模塊，但insmod不會自動解決依存關系，即如果要加載的模塊引用了當前內核符號表中不存在的符號，則無法加載，也不會去查在其他尚未加載的模塊中是否定義了該符號；modprobe可以根據模塊間依存關系以及/etc/modules.conf文件中的內容自動加載其他有依賴關系的模塊。

本書在前面也提到過，Linux的一個重要特點就是將所有的設備都當做文件進行處理，這一類特殊文件就是設備文件，它們可以使用前面提到的文件、I/O相關函數(shù)進行操作，這樣就大大方便了對設備的處理。它通常在/dev下面存在一個對應的邏輯設備節(jié)點，這個節(jié)點以文件的形式存在。

Linux系統(tǒng)的設備分為3類：字符設備、塊設備和網絡設備。

n 字符設備通常指像普通文件或字節(jié)流一樣，以字節(jié)為單位順序讀寫的設備，如并口設備、虛擬控制臺等。字符設備可以通過設備文件節(jié)點訪問，它與普通文件之間的區(qū)別在于普通文件可以被隨機訪問（可以前后移動訪問指針），而大多數(shù)字符設備只能提供順序訪問，因為對它們的訪問不會被系統(tǒng)所緩存。但也有例外，例如幀緩存(framebuffer)是一個可以被隨機訪問的字符設備。

n 塊設備通常指一些需要以塊為單位隨機讀寫的設備，如IDE硬盤、SCSI硬盤、光驅等。塊設備也是通過文件節(jié)點來訪問，它不僅可以提供隨機訪問，而且可以容納文件系統(tǒng)（例如硬盤、閃存等）。Linux可以使用戶態(tài)程序像訪問字符設備一樣每次進行任意字節(jié)的操作，只是在內核態(tài)內部中的管理方式和內核提供的驅動接口上不同。

通過文件屬性可以查看它們是哪種設備文件(字符設備文件或塊設備文件)。

$ls–l/dev

crw-rw----1rootuucp4,6408-3022:58ttyS0/*串口設備，c表示字符設備*/

brw-r-----1rootfloppy2,008-3022:58fd0/*軟盤設備，b表示塊設備*/

n 網絡設備通常是指通過網絡能夠與其他主機進行數(shù)據通信的設備，如網卡等。

內核和網絡設備驅動程序之間的通信調用一套數(shù)據包處理函數(shù)，它們完全不同于內核和字符以及塊設備驅動程序之間的通信（read()、write()等函數(shù)）。Linux網絡設備不是面向流的設備，因此不會將網絡設備的名字（例如eth0）映射到文件系統(tǒng)中去。

對這3種設備文件編寫驅動程序時會有一定的區(qū)別，本書在后面會有相關內容的講解。

設備號是一個數(shù)字，它是設備的標志。就如前面所述，一個設備文件（也就是設備節(jié)點）可以通過mknod命令來創(chuàng)建，其中指定了主設備號和次設備號。主設備號表明設備的類型（例如串口設備、SCSI硬盤），與一個確定的驅動程序對應；次設備號通常是用于標明不同的屬性，例如不同的使用方法、不同的位置、不同的操作等，它標志著某個具體的物理設備。高字節(jié)為主設備號，底字節(jié)為次設備號。

例如，在系統(tǒng)中的塊設備IDE硬盤的主設備號是3，而多個IDE硬盤及其各個分區(qū)分別賦予次設備號1、2、3…

$ls–l/dev

crw-rw----1rootuucp4,6408-3022:58ttyS0/*主設備號4，此設備號64*/

Linux下的設備驅動程序是內核的一部分，運行在內核模式下，也就是說設備驅動程序為內核提供了一個I/O接口，用戶使用這個接口實現(xiàn)對設備的操作。圖11.1顯示了典型的Linux輸入/輸出系統(tǒng)中各層次結構和功能。

圖11.1Linux輸入/輸出系統(tǒng)

層次結構和功能

Linux設備驅動程序包含中斷處理程序和設備服務子程序兩部分。

設備服務子程序包含了所有與設備操作相關的處理代碼。它從面向用戶進程的設備文件系統(tǒng)中接受用戶命令，并對設備控制器執(zhí)行操作。這樣，設備驅動程序屏蔽了設備的特殊性，使用戶可以像對待文件一樣操作設備。

設備控制器獲得系統(tǒng)服務有兩種方式：查詢和中斷。因為Linux的設備驅動程序是內核的一部分，在設備查詢期間系統(tǒng)不能運行其他代碼，查詢方式的工作效率比較低，所以只有少數(shù)設備如軟盤驅動程序采取這種方式，大多設備以中斷方式向設備驅動程序發(fā)出輸入/輸出請求。

每種類型的驅動程序，不管是字符設備還是塊設備都為內核提供相同的調用接口，因此內核能以相同的方式處理不同的設備。Linux為每種不同類型的設備驅動程序維護相應的數(shù)據結構，以便定義統(tǒng)一的接口并實現(xiàn)驅動程序的可裝載性和動態(tài)性。Linux設備驅動程序與外界的接口可以分為如下3個部分。

n 驅動程序與操作系統(tǒng)內核的接口：這是通過數(shù)據結構file_operations（在本書后面會有詳細介紹）來完成的。

n 驅動程序與系統(tǒng)引導的接口：這部分利用驅動程序對設備進行初始化。

n 驅動程序與設備的接口：這部分描述了驅動程序如何與設備進行交互，這與具體設備密切相關。

它們之間的相互關系如圖11.2所示。

圖11.2設備驅動程序與外界的接口

綜上所述，Linux中的設備驅動程序有如下特點。

（1）內核代碼：設備驅動程序是內核的一部分，如果驅動程序出錯，則可能導致系統(tǒng)崩潰。

（2）內核接口：設備驅動程序必須為內核或者其子系統(tǒng)提供一個標準接口。比如，一個終端驅動程序必須為內核提供一個文件I/O接口；一個SCSI設備驅動程序應該為SCSI子系統(tǒng)提供一個SCSI設備接口，同時SCSI子系統(tǒng)也必須為內核提供文件的I/O接口及緩沖區(qū)。

（3）內核機制和服務：設備驅動程序使用一些標準的內核服務，如內存分配等。

（4）可裝載：大多數(shù)的Linux操作系統(tǒng)設備驅動程序都可以在需要時裝載進內核，在不需要時從內核中卸載。

（5）可設置：Linux操作系統(tǒng)設備驅動程序可以集成為內核的一部分，并可以根據需要把其中的某一部分集成到內核中，這只需要在系統(tǒng)編譯時進行相應的設置即可。

（6）動態(tài)性：在系統(tǒng)啟動且各個設備驅動程序初始化后，驅動程序將維護其控制的設備。如果該設備驅動程序控制的設備不存在也不影響系統(tǒng)的運行，那么此時的設備驅動程序只是多占用了一點系統(tǒng)內存罷了。