引言
編寫Linux設備驅動程序無疑是一項復雜的工作。本文將集中介紹非標準硬件的設備驅動程序編寫，探討硬件應用編程接口，并借用CirrusLogicEP9312片上系統(tǒng)嵌入式平臺添加設備驅動程序這一案例來進行分析。
如果有些編程內容未能在本文中涉及，那么讀者亦可以查閱相似的設備驅動程序編碼，以做參考。還有一種方法，就是檢索歷史檔案或者向Linux內核問訊中心去函問訊。
Linux概述
Linux是UNIX操作系統(tǒng)的翻版，1991年由LinusTorvalds最先開發(fā)出來，并通過開放源代碼開發(fā)模式不斷得到開放源代碼組織的改進。任何使用Linux的個人和團體都無需支付任何版權費用。
只有內核還不夠，通常Linux與一些在內核上運行的視窗環(huán)境、視窗管理器和應用捆綁在一起。然而，由于具備了嵌入式平臺，視窗環(huán)境并非必不可少。與微軟的視窗操作系統(tǒng)不同的是，Linux并不需要一套固定的、必須采用的應用軟件或實用程序，因此能夠十分符合嵌入式市場終端解決方案的客制化要求。
操作系統(tǒng)最基本的組成部分包括1個資源管理器、1個調度程序、1個介于硬件和應用軟件之間的接口、1個網絡管理器和1個文檔系統(tǒng)管理器。Linux操作系統(tǒng)也包括這些組成部分，當然還有其他部分。本文主要闡述介于硬件和應用軟件之間的接口--設備驅動程序。
圖1解釋了用戶應用軟件、操作系統(tǒng)內核和硬件平臺之間的區(qū)別。
設備驅動程序類型
設備驅動程序可分為2大類：硬件設備驅動程序和軟件設備驅動程序。硬件設備驅動程序和物理硬件設備相連接，如UART設備或IDE設備，而軟件設備驅動程序則作為低級數據結構間的接口，或硬件設備驅動程序和高級數據結構間的接口。圖形控制臺驅動程序就是一個軟件設備驅動程序。其中，1個LCD控制器驅動程序裝載并管理該顯示器，同時圖形控制臺對即將顯示的字符進行著色，并獲取從鍵盤輸入的信息。軟件設備驅動程序的另一個例子是文檔系統(tǒng)執(zhí)行--文檔系統(tǒng)驅動程序采用1個硬盤驅動程序存儲數據，而該硬盤驅動程序直接與物理硬盤相連接。
設備驅動程序的分類
Linux設備驅動程序有幾類：字符、區(qū)塊、網絡和其他。通常，驅動程序根據設備的訪問方式分類。然而，也有些設備無法按照此類方式得到區(qū)分，因此被歸到"其他類型"。字符設備包括那些使數據成為數據流的設備，可通過1個文檔系統(tǒng)的特殊文件獲得（文檔系統(tǒng)的特殊文件將在后文中加以討論）。鑒于字符設備的特性，該設備只能根據順序訪問數據，即無法往前或往后搜索數據。串行端口和音頻設備都是這種類型。圖2是CirrusLogic的EP9312片上系統(tǒng)結構圖，其中Linux字符設備以綠色標出。
區(qū)塊設備能夠照管1個文檔系統(tǒng)。該類設備和字符設備一樣，也是通過文檔系統(tǒng)特殊文件訪問。但是，區(qū)塊設備與文檔設備的差異在于其可被隨機訪問。這意味著，應用軟件可查找在該設備中的隨機位置。硬盤驅動器和CD驅動器都是區(qū)塊設備，它們內部的文件指針可以指向設備內部的任何位置，惟一的限制來自設備本身。當區(qū)塊設備通過文檔系統(tǒng)特殊文件訪問時，該應用接口即同字符設備一樣，只是與內核的接口有所差別而已。圖2中的紅色部分即為CirrusLogicEP9312片上系統(tǒng)結構中Linux區(qū)塊設備。
網絡接口設備既可以是硬件設備，也可以是軟件設備。硬件設備如以太網卡，軟件設備如低端網絡協(xié)議堆棧（本文將此類接口視為軟件設備）。中間件和協(xié)議堆棧有時會被看作是軟件設備。網絡接口設備是信息包數據的通信設備，一般擁有惟一名稱，并且無法通過文檔系統(tǒng)特殊文件訪問。相反，它們只對內核網絡堆棧開放。通常，用戶級應用軟件可訪問內核網絡堆棧，而不能訪問網絡接口設備。圖2中的藍色部分即為CirrusLogicEP9312片上系統(tǒng)結構中的Linux網絡接口設備。
其他的設備驅動程序還包括數據總線驅動程序（USB,I2C,AMBA等）、/proc接口和視頻驅動程序。這些類型的設備無法被歸入以上的3個類型中，但仍然是與Linux內核接口的設備驅動程序。
文檔系統(tǒng)特殊文件
文檔系統(tǒng)特殊文件提供了從文檔系統(tǒng)訪問硬件設備的可行性。這些訪問點使用mknod命令在文檔系統(tǒng)/dev目錄中生成。命令如下：
mknod
其中，是給予硬件設備的名稱，如/dev/hda1是給予硬盤驅動器的通用名稱。是設備驅動程序的類型--字符（char）、區(qū)塊等。代表設備類別和與之相配的驅動程序。表示設備類別中的一個實例，并僅對設備驅動程序適用。例如，某個系統(tǒng)中同時采用2個硬盤驅動器，它們都具有同樣的主要編號，使用同樣的設備驅動軟件，但是該設備驅動程序軟件卻會在內部根據次要編號區(qū)分這2個硬盤驅動器。
值得注意的是，并非所有的設備都執(zhí)行特殊文件接口。如同本文前面已經提及的，網絡設備驅動程序就不采用這種接口訪問設備。
這種情況下，在設備文檔系統(tǒng)里，就會使用devfs來獲得文檔設備特殊文件。devfs目前廣受歡迎，但仍然還不是內核的默認功能。如果采用devfs文檔系統(tǒng)，那么就無需mknod來生成特殊文件了。相反，設備驅動程序軟件會使用直接的devfs文檔系統(tǒng)接口在空閑時刻或者設備剛被初始化時生成特殊文件。
編程實例概述
為便于示范非標準嵌入式平臺的Linux設備驅動程序，本文將說明EP9312的設備驅動程序實現情況。其中，EP9312IDE設備驅動程序是區(qū)塊設備，EP9312觸摸屏為字符設備，代碼中的高級API/硬件接口、初始化序列和應用軟件編碼均將予以說明。
字符設備驅動程序實例：觸摸屏設備驅動程序
EP9312觸摸屏控制器因其數據只能按順序獲取而被列為Linux字符設備。觸摸屏字符驅動程序的執(zhí)行是相當簡單的--設備向操作系統(tǒng)注冊，并通過文檔系統(tǒng)特殊文件進行訪問。有關硬件代碼包含在文檔操作表的一套函數中。我們將從內核初始化開始，解釋該驅動程序的執(zhí)行情況。
初始化EP9312觸摸屏的函數是：
int__initep93xx_ts_init(void)
該函數處理2項工作：當設備被中斷驅動時獲取設備IRQ和在操作系統(tǒng)內注冊觸摸屏設備。
函數request_irq()在請求IRQ時被調用，并注冊中斷處理器函數以在設備發(fā)生系統(tǒng)中斷時處理所需的任務。
而函數register_chrdev()則是用來注冊字符設備的。該函數表現形式如下：
intregister_chrdev(unsignedintmajor,
constchar*name,
structfile_operations*fops)
該函數安裝了字符設備硬件的內核接口。主要編號用于把驅動程序映射到/dev目錄中的文檔系統(tǒng)特殊文件。設備被賦予一個名稱，以便內核識辨。此外，file_operations結構具有對函數指針表的一個指針，該表指向硬件的相應函數。
然而，仍然有一些字符設備不符合預先確定的字符設備范疇。這些設備就用主編號10一起歸于"其他類型"，注冊設備用以下函數：
intmisc_register(structmiscdevice*misc)
misc_register()用主編號10調用register_chrdev()，設備名稱和函數表指針通過miscdevice數據結構獲得。同樣，miscdevice數據結構還保存設備驅動程序所使用的次要號碼。
以下是在設備驅動程序代碼內注冊EP9312觸摸屏采用的函數調用：
misc_register(&ep93xx_ts_miscdev)
數據結構ep93xx_ts_miscdev是對觸摸屏硬件的內核訪問，定義如下：
staticstructmiscdeviceep93xx_ts_miscdev=
{
EP93XX_TS_MINOR,/*deviceminornumber*/
"ep93xx_ts",/*nameofthedevice*/
&ep93xx_ts_fops/*devicefileoperations*/
/*tablepointer*/
}
其他類型設備驅動程序采用次要號碼區(qū)分設備。
硬件接口函數在設備驅動器內即被靜態(tài)定義，當設備注冊時，由內核通過傳遞給操作系統(tǒng)的文檔操作函數指針獲得。指針列表定義如下：
staticstructfile_operationsep93xx_ts_fops=
{
owner:THIS_MODULE,
read:ep93xx_ts_read,
write:ep93xx_ts_write,
poll:ep93xx_ts_poll,
open:ep93xx_ts_open,
release:ep93xx_ts_release,
fasync:ep93xx_ts_fasync,
}
初始化觸摸屏設備后，即需創(chuàng)建文檔系統(tǒng)特殊文件，以便協(xié)助應用程序代碼訪問設備。創(chuàng)建EP9312觸摸屏特殊文件的mknod命令如下：
mknod/dev/misc/ep93xx_tsc10240
該步驟即可在根目錄系統(tǒng)下的初始化文檔初始化Linux時得到執(zhí)行，也可在命令提示里實現手動操作。
以下是用戶級應用代碼的一個實例，通過文檔系統(tǒng)特殊文件訪問觸摸屏設備：
#defineTS_DEV"/dev/misc/ep93xx_ts"
intread_ts()
{
intfd,nbytes;
shortdata[3];
fd=open("/dev/misc/ep93xx_ts",O_NONBLOCK);
if(fd<0)
{
printf("Unabletoopentouchscreendevice%s!n",TS_DEV);
exit(1);
}
nbytes=read(pd_fd,data,sizeof(data));
close(fd);
if(nbytes!=sizeof(data))
return0;
return1;
}
區(qū)塊設備驅動器實例：IDE設備驅動
與EP9312IDE控制器接口的IDE設備被劃分為Linux區(qū)塊設備，其中包括硬盤驅動器和CDROM驅動器。這些設備上的數據可以隨機讀取是將其劃分為區(qū)塊設備的主要原因。
與簡單的觸摸屏接口執(zhí)行相比，IDE區(qū)塊設備驅動器是相當復雜的。該設備驅動器被分成幾部分，包括IDE區(qū)塊設備內核接口、為IDE控制器設置的內部驅動器硬件接口（附加的獨立IDE設備多達4個）、針對硬盤、軟盤等IDE設備類型的模塊，以及結構特別接口。通過允許硬件或結構特殊函數的調用，IDE設備類型數據結構內的函數指針可以實現非標準結構的靈活性和可延展性。圖3為IDE區(qū)塊設備驅動程序結構示意圖。下面從設備驅動程序初始化開始說明該驅動程序。
高級IDE驅動程序在Linux內核初始化或模塊安裝（如果驅動程序被設置為模塊）時得到初始化。本文不詳述高級IDE驅動程序初始化或安裝細節(jié)，而是著重討論為初始化定制并與硬件接口的驅動程序各片斷。在高級IDE驅動程序初始化過程中，以下函數被用于設置IDE控制器：
static__inline__voidide_init_default_hwifs(void)
該函數在文件中被定義為：include/asm/mach/ide.h，為非標準IDE控制器配置硬件接口數據結構，注冊高級IDE驅動程序EP9312IDE接口，并為接口設置IRQ。
在結構特殊初始化代碼內完成的IRQ設置僅僅在硬件接口數據結構內設置IDE接口所需的平臺IRQ號碼。調用request_irq()由高級IDE驅動程序負責。
IDE硬件接口數據結構通過調用以下函數得到配置，并同時在include/asm/mach/ide.h內得到定義：
static__inline__void
ide_init_hwif_ports(hw_regs_t*hw,
intdata_port,
intctrl_port,
int*irq)
該函數通過設置硬件接口數據結構內的命令和控制注冊地址配置了非標準EP9312IDE接口，并設置和實現EP9312上的接口。
在ide_init_default_hwifs(void)函數設置IDE控制器并由高級IDE驅動程序注冊硬件接口后，結構特殊接口通過以下函數調用得到進一步初始化：
voidep93xx_ide_init(unsignedint*pointer)
該函數在文檔驅動器/ide/ide-ep93xx.c內被定義，并同時執(zhí)行幾個任務--把結構特殊函數映射到硬件接口數據結構內的函數指針函數，如果平臺設有DMA則設置DMA接口。
IDE硬件接口數據結構的結構特殊函數指針如下所示：
typedefstructhwif_s
{
…
ide_rw_proc_t*rwproc;
ide_ideproc_t*ideproc;
ide_dmaproc_t*dmaproc;…
}ide_hwif_t;
ideproc處理PIO模式轉換，并被映射到結構特殊函數ep93xx_ideproc()。rwproc和dmaproc都處理DMA模式轉換。rwproc向ep93xx_rwproc()映射，dmaproc向ep93xx_dmaproc()映射。高級IDE驅動程序檢測這些指針是否無效。如果確為無效，則放棄結構特殊函數而采用默認函數。ideproc()和dmaproc()均系基于IOCTL的函數，可執(zhí)行一系列高級IDE驅動程序定義的ioctls命令。rwproc()函數為特殊轉換速度和方向設置IDE控制器。這些EP9312結構特殊函數都在文件驅動程序/ide/ide-ep93xx.c內得到定義。函數原型示意如下：
staticvoidep93xx_ideproc(ide_ide_action_taction,ide_drive_t*drive,void*buffer,unsignedintcount)
staticvoidep93xx_dmaproc(ide_dma_action_taction,ide_drive_t*drive)
staticvoidep93xx_rwproc(ide_drive_t*drive,ide_dma_action_taction)
此外，一部分結構特殊執(zhí)行命令也是幾個IDE普通宏命令的再定義。它們是直接讀寫IDE設備的宏命令。文件/include/asm/mach/ide.h下的宏映射到EP9312定義。
#defineOUT_BYTE(b,p)ep93xx_ide_outb((b),(p))
#defineOUT_WORD(w,p)ep93xx_ide_outw((w),(p))
#defineIN_BYTE(p)ep93xx_ide_inb((p))
#defineIN_WORD(p)ep93xx_ide_inw((p))
硬件接口（EP9312IDE控制器接口）被初始化并與高級IDE驅動程序一起注冊后，高級IDE驅動程序通過探測相連的IDE設備硬件接口繼續(xù)初始化。如果設備被探測到，則與操作系統(tǒng)一起注冊。設備與操作系統(tǒng)一起注冊后，向能在設備上執(zhí)行的操作表上映射。這樣，操作系統(tǒng)也獲得了設備的額外信息，并需要對設備進行資源管理。這些額外信息包括大小和分區(qū)數量等。以下是注冊IDE硬盤的函數調用：
register_disk(structgendisk*gd,intdrive,
unsignedminors,
structblock_device_operations*ops,
longsize)
高級IDE驅動程序用探測設備時獲得的的函數參數值調用這個函數。第一個參數是gd，它是描述盤片布局的數據結構。第二個參數--drive，是設備編號。對于EP9312而言，設備編號或為0，或為1，因為硬件只支持的兩臺設備。第三個參數--minors，是設備被探測時發(fā)現的盤片分區(qū)。第四個參數--block_device_operations，是函數指針列表，系IDE驅動程序硬盤執(zhí)行所定義。被映射到該列表中的函數采用結構特殊函數執(zhí)行不同任務。最后一個參數--size，是指設備的扇區(qū)數，它同樣也是從設備中直接獲得。
設備指針列表包括以下區(qū)塊設備操作：
·open-設備和驅動程序實例初始化
·release-關閉設備或清除驅動程序實例
·ioctl-填補空白，是通過內核向設備驅動程序傳遞的一種信息的一種方式
·checkmediachange-處理支持可移動媒體的設備
·revalidate-處理支持可移動媒體的設備（通常為設備指定）
區(qū)塊設備的設備操作列表不包括任何輸入輸出操作。對于區(qū)塊設備而言，request方法用于處理設備輸入輸出，并與等待的輸入輸出操作隊列相關，因此進一步與字符設備有所區(qū)分。Request方法和隊列均由高級IDE設備驅動器定義，與操作系統(tǒng)一起注冊并與設備主要編號相連。
除了將設備和操作系統(tǒng)一起注冊，高級IDE設備驅動程序還通過數據結構在本地管理該設備，數據結構包括映射到IDE設備特別函數的函數指針。下面是映射到針對IDE硬盤函數的該數據結構的一部分：
staticide_driver_tidedisk_driver={
…
cleanup:idedisk_cleanup,
standby:do_idedisk_standby,
flushcache:do_idedisk_flushcache,
do_request:do_rw_disk,
end_request:NULL,
ioctl:NULL,
open:idedisk_open,
release:idedisk_release,
media_change:idedisk_media_change,
revalidate:idedisk_revalidate,
pre_reset:idedisk_pre_reset,
capacity:idedisk_capacity,
special:idedisk_special,
proc:idedisk_proc,
reinit:idedisk_reinit,
…
};
值得注意的是，一些函數指針直接向與操作系統(tǒng)一起注冊的文件操作列表函數指針映射，而此時IDE設備驅動器內部使用其他函數指針。例如，高級設備驅動程序內部使用函數指針do_request和end_request處理要求方法輸入輸出。
這就涵蓋了IDE設備驅動器的結構特殊API。下一步是創(chuàng)建文檔系統(tǒng)特殊文件，從而幫助用戶級應用進入該設備。使用以下命令生成IDE硬盤驅動特殊文件：
mknod/dev/hda1b31
正如在觸摸屏特殊文件創(chuàng)建中談及，可在系統(tǒng)初始化階段安排自動執(zhí)行該步驟，或者用戶可以在系統(tǒng)啟動運行顯示操作提示時手工操作該命令。
用戶級應用較少直接調用區(qū)塊設備。一般而言，區(qū)塊設備直接通過內核級文檔系統(tǒng)執(zhí)行接入。用戶級應用通常獲取具有操作系統(tǒng)實用程序的區(qū)塊設備，以執(zhí)行文檔系統(tǒng)創(chuàng)建、安裝訪問文檔系統(tǒng)的設備等文檔系統(tǒng)操作。命令行工具涵蓋分割、格式化、安裝和驗證區(qū)塊設備。例如，以下是用mnknod命令創(chuàng)建的設備的一個安裝設備命令：
mount-text3-orw/dev/hda1/mnt/drive
-text3指出設備由一個Extended3文檔系統(tǒng)配置；-orw則說明設備應該具備讀寫函數；/dev/hda1是被安裝設備的文檔系統(tǒng)特殊文件；/mnt/drive則是用戶獲取設備所存文檔系統(tǒng)內容的安裝位置。
添加Linux內核的新設備驅動程序支持
Linux內核用以下三個命令建立：
makemenuconfig(config,xconfig,oldconfig,etc.)
makedep
make
首先，Linux內核針對目標運行環(huán)境進行配置。用戶還可選擇添加支持各種設備、支持各種文檔系統(tǒng)和配置引導參數等。當一個新的設備驅動程序在Linux內核中得到執(zhí)行時，必須增加對該新設備的配置支持，所以要先更新驅動程序目錄中合適設備類型子目錄下的Makefile。在Makefile中，必須增加新選項建立設備驅動程序二進制文件，并且直接與Linux內核相連或創(chuàng)建一個模塊。第二步需要更新驅動程序目錄設備類型子目錄下的Config.in。此新設備的配置選項必須加入Config.in。
小結
本文無意闡述Linux設備驅動程序的各個環(huán)節(jié)，因為包括Linux源代碼在內的各種資源都已對此做出了解釋。相反，本文旨在探索針對嵌入式非標準設備、用以執(zhí)行設備驅動程序的硬件API。對于幾個不同類型的設備驅動程序，本文以EP9312片上系統(tǒng)平臺為例，詳解了這些為硬件接口定制的API。了解如何設計并執(zhí)行這些API是為新設備編寫驅動程序的第一步。
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