基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)的驅動程序開發(fā)要點

在Linux操作系統(tǒng)下有3類主要的設備文件類型：塊設備、字符設備和網絡設備。這種分類方法可以將控制輸入/輸出設備的驅動程序與其他操作系統(tǒng)軟件分離開來。

字符設備與塊設備的主要區(qū)別是：在對字符設備發(fā)出讀/寫請求時，實際的硬件I/O一般緊接著發(fā)生。塊設備則不然，它利用一塊系統(tǒng)內存作為緩沖區(qū)，若用戶進程對設備的請求能滿足用戶的要求，就返回請求的數據;否則，就調用請求函數來進行實際的I/O操作。塊設備主要是針對磁盤等慢速設備設計的，以免耗費過多的CPU時間用來等待。網絡設備可以通過BSD套接口訪問數據。

每個設備文件都有其文件屬性(c/b)，表示是字符設備還是塊設備。另外每個文件都有2個設備號，第一個是主設備號，標識驅動程序;第二個是從設備號，標識使用同一個設備驅動程序的、不同的硬件設備。設備文件的主設備號必須與設備驅動程序在登記時申請的主設備號一致，否則用戶進程將無法訪問驅動程序。

系統(tǒng)調用時操作系統(tǒng)內核與應用程序之間的接口，設備驅動程序是操作系統(tǒng)內核與機器硬件之間的接口。設備驅動程序是內核的一部分，它完成以下功能：

◆對設備初始化和釋放

◆把數據從內核傳送到硬件和從硬件讀取數據

◆讀取應用程序傳送給設備文件的數據和回送應用程序請求的數據

◆檢測和處理設備出現(xiàn)的錯誤

MTD(Memory Technology Device)設備是閃存芯片、小型閃存卡、記憶棒之類的設備，它們在嵌入式設備中的使用正在不斷增加。MTD驅動程序是在Linux下專門為嵌入式環(huán)境開發(fā)的新的一類驅動程序。相對于常規(guī)塊設備驅動程序，使用MTD驅動程序的優(yōu)點在于他們能更好的支持、管理給予閃存設備，有基于扇區(qū)的擦除和讀/寫操作的更好的接口。

驅動程序結構

Linux的設備驅動程序可以分為3個主要組成部分：

1. 自動配置和初始化子程序，負責監(jiān)測所要驅動的硬件設備是否存在和能否正常工作。如果該設備正常，則對這個設備及其相關的設備驅動程序需要的軟件狀態(tài)進行初始化。這部分驅動程序僅在初始化時被調用一次。

2. 服務于I/O請求的子程序，又稱為驅動程序的上半部分。調用這部分程序是由于系統(tǒng)調用的結果。這部分程序在執(zhí)行時，系統(tǒng)仍認為是與進行調用的進程屬于同一個進程，只是由用戶態(tài)變成了核心態(tài)，具有進行此系統(tǒng)調用的用戶程序的運行環(huán)境，因而可以在其中調用sleep()等與進行運行環(huán)境有關的函數。

3. 中斷服務子程序，又稱為驅動程序的下半部分。在Linux系統(tǒng)中，并不是直接從中斷向量表中調用設備驅動程序的中斷服務子程序，而是由Linux系統(tǒng)來接收硬件中斷，再由系統(tǒng)調用中斷服務子程序。中斷可以在任何一個進程運行時產生，因而在中斷服務程序被調用時，不能依賴于任何進程的狀態(tài)，也就不能調用任何與進程運行環(huán)境有關的函數。因為設備驅動程序一般支持同一類型的若干設備，所以一般在系統(tǒng)調用中斷服務子程序時，都帶有一個或多個參數，以唯一標識請求服務的設備。

在系統(tǒng)內部，I/O設備的存/取通過一組固定的入口點來進行，這組入口點是由每個設備的驅動程序提供的。具體到Linux系統(tǒng)，設備驅動程序所提供的這組入口點由一個文件操作結構來向系統(tǒng)進行說明。file_operation結構定義于linux/fs.h文件中。

struct file_operation{

int (*lseek)(struct inode *inode, struct file *filp, off_t off, int pos);

int (*read)(struct inode *inode, struct file *filp, char *buf, int count);

int (*write)(struct inode *inode, struct file *filp, const char *buf, int count);

int (*readdir)(struct inode *inode, struct file *filp, struct dirent *dirent, int count);

int (*select)(struct inode *inode, struct file *filp, int sel_type, select_table *wait);

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

int (*mmap)(void);

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

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

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

};

file_operation結構中的成員幾乎全部是函數指針，所以實質上就是函數跳轉表。每個進程對設備的操作都會根據major、minor設備號，轉換成對file_operation結構的訪問。

常用的操作包括以下幾種：

◆lseek, 移動文件指針的位置，只能用于可以隨機存取的設備。

◆read, 進行讀操作，參數buf為存放讀取結果的緩沖區(qū)，count為所要讀取的數據長度。返回值為負表示讀取操作發(fā)生錯誤;否則，返回實際讀取的字節(jié)數。對于字符型，要求讀取的字節(jié)數和返回的實際讀取字節(jié)數都必須是inode-i_blksize的倍數。

◆write, 進行寫操作，與read類似

◆readdir, 取得下一個目錄入口點，只有與文件系統(tǒng)相關的設備程序才使用。

◆select, 進行選擇操作。如果驅動程序沒有提供select入口，select操作會認為設備已經準備好進行任何I/O操作。

◆ioctl, 進行讀、寫以外的其他操作，參數cmd為自定義的命令

◆mmap, 用于把設備的內容映射到地址空間，一般只有塊設備驅動程序使用

◆open, 打開設備準備進行I/O操作。返回0表示打開成功，返回負數表示失敗。如果驅動程序沒有提供open入口，則只要/dev/driver文件存在就認為打開成功。

◆release, 即close操作。

在用戶自己的驅動程序中，首先要根據驅動程序的功能，完成file_operation結構中函數實現(xiàn)。不需要的函數接口可以直接在file_operation結構中初始化為NULL。file_operation變量會在驅動程序初始化時注冊到系統(tǒng)內部。當操作系統(tǒng)對設備操作時，會調用驅動程序注冊的file_operation結構中的函數指針。

Linux對中斷的處理

在Linux系統(tǒng)里，對中斷的處理是屬于系統(tǒng)核心部分，因而如果設別與系統(tǒng)之間以中斷方式進行數據交換，就必須把該設備的驅動程序作為系統(tǒng)核心的一部分。設備驅動程序通過調用request_irq函數來申請中斷，通過free_irq來釋放中斷。它們被定義為：

#i nclude

int request_irq(unsigned int irq,

void (*handler)(int irq, void dev_id, struct pt_regs *regs),

unsigned long flags,

const char *device,

void *dev_id);

void free_irq(unsigned int irq, void *dev_id);

參數irq表示所要申請的硬件中斷號;handler為向系統(tǒng)登記的中斷處理子程序，中斷產生時由系統(tǒng)來調用，調用時所帶參數irq為中斷號;dev_id為申請時告訴系統(tǒng)的設備標識;regs為中斷發(fā)生時的寄存器內容;device為設備名，將會出現(xiàn)在/proc/interrupts文件里;flag是申請時的選項，它決定中斷處理程序的一些特性，其中最重要的是中斷處理程序是快速處理程序還是慢速處理程序?？焖偬幚沓绦蜻\行時，所有中斷都被屏蔽，而慢速處理程序運行時，除了正在處理的中斷外，其他中斷都沒有被屏蔽。在Linux系統(tǒng)中，中斷可以被不同的中斷處理程序共享。

作為系統(tǒng)核心的一部分，設備驅動程序在申請和釋放內存時不是調用malloc和free，而代之以調用kmalloc和kfree，它們被定義為：

#i nclude

void *kmalloc(unsigned int len, int priority);

void kfree(void *obj);

參數len為希望申請的字節(jié)數;obj為要釋放的內存指針;priority為分配內存操作的優(yōu)先級，即在沒有足夠空閑內存時如何操作，一般用GFP_KERNEL。