如何編寫Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

bitmilong

Linux是Unix操作系統(tǒng)的一種變種，在Linux下編寫驅(qū)動(dòng)程序的原理和思想完全類似于其他的Unix系統(tǒng)，但它dos或window環(huán)境下的驅(qū)動(dòng)程序有很大的區(qū)別。在Linux環(huán)境下設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序，思想簡(jiǎn)潔，操作方便，功能也很強(qiáng)大，但是支持函數(shù)少，只能依賴kernel中的函數(shù)，有些常用的操作要自己來(lái)編寫，而且調(diào)試也不方便。

以下的一些文字主要來(lái)源于khg，johnsonm的Write linux device driver，Brennan's Guide to Inline Assembly，The Linux A-Z，還有清華BBS上的有關(guān)device driver的一些資料。

一、Linux device driver 的概念

　　系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)內(nèi)核和應(yīng)用程序之間的接口，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。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?yàn)閼?yīng)用程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)，這樣在應(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。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是內(nèi)核的一部分，它完成以下的功能:
　　1。對(duì)設(shè)備初始化和釋放。
　　2。把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù)。
　　3。讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)和回送應(yīng)用程序請(qǐng)求的數(shù)據(jù)。
　　4。檢測(cè)和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯(cuò)誤。

　　在Linux操作系統(tǒng)下有三類主要的設(shè)備文件類型，一是字符設(shè)備，二是塊設(shè)備，三是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。字符設(shè)備和塊設(shè)備的主要區(qū)別是:在對(duì)字符設(shè)備發(fā)出讀/寫請(qǐng)求時(shí)，實(shí)際的硬件I/O一般就緊接著發(fā)生了，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)備是主要針對(duì)磁盤等慢速設(shè)備設(shè)計(jì)的，以免耗費(fèi)過(guò)多的CPU時(shí)間來(lái)等待。
　　已經(jīng)提到，用戶進(jìn)程是通過(guò)設(shè)備文件來(lái)與實(shí)際的硬件打交道。每個(gè)設(shè)備文件都都有其文件屬性(c/b)，表示是字符設(shè)備還是塊設(shè)備?另外每個(gè)文件都有兩個(gè)設(shè)備號(hào)，第一個(gè)是主設(shè)備號(hào)，標(biāo)識(shí)驅(qū)動(dòng)程序，第二個(gè)是從設(shè)備號(hào)，標(biāo)識(shí)使用同一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的不同的硬件設(shè)備，比如有兩個(gè)軟盤，就可以用從設(shè)備號(hào)來(lái)區(qū)分他們。設(shè)備文件的的主設(shè)備號(hào)必須與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在登記時(shí)申請(qǐng)的主設(shè)備號(hào)一致，否則用戶進(jìn)程將無(wú)法訪問(wèn)到驅(qū)動(dòng)程序。
　　最后必須提到的是，在用戶進(jìn)程調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入核心態(tài)，這時(shí)不再是搶先式調(diào)度。也就是說(shuō)，系統(tǒng)必須在你的驅(qū)動(dòng)程序的子函數(shù)返回后才能進(jìn)行其他的工作。如果你的驅(qū)動(dòng)程序陷入死循環(huán)，不幸的是你只有重新啟動(dòng)機(jī)器了，然后就是漫長(zhǎng)的fsck。
　　讀/寫時(shí)，它首先察看緩沖區(qū)的內(nèi)容，如果緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)
　　如何編寫Linux操作系統(tǒng)下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

　　二、實(shí)例剖析

我們來(lái)寫一個(gè)最簡(jiǎn)單的字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。雖然它什么也不做，但是通過(guò)它可以了解Linux的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的工作原理。把下面的C代碼輸入機(jī)器，你就會(huì)獲得一個(gè)真正的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

1. #define  __NO_VERSION__
   
2. #include  <linux/modules.h>
   
3. #include  <linux/version.h>
   
4. 　　char kernel_version [] = UTS_RELEASE;

復(fù)制代碼

　　這一段定義了一些版本信息，雖然用處不是很大，但也必不可少。Johnsonm說(shuō)所有的驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)頭都要包含<linux/config.h>，一般來(lái)講最好使用。
　　由于用戶進(jìn)程是通過(guò)設(shè)備文件同硬件打交道，對(duì)設(shè)備文件的操作方式不外乎就是一些系統(tǒng)調(diào)用，如 open，read，write，close…， 注意，不是fopen， fread，但是如何把系統(tǒng)調(diào)用和驅(qū)動(dòng)程序關(guān)聯(lián)起來(lái)呢?這需要了解一個(gè)非常關(guān)鍵的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

1. struct file_operations
   
2. {
   
3. int (*seek) (struct inode * ，struct file *， off_t ，int);
   
4. int (*read) (struct inode * ，struct file *， char ，int);
   
5. int (*write) (struct inode * ，struct file *， off_t ，int);
   
6. int (*readdir) (struct inode * ，struct file *， struct dirent * ，int);
   
7. int (*select) (struct inode * ，struct file *， int ，select_table *);
   
8. int (*ioctl) (struct inode * ，struct file *， unsined int ，unsigned long);
   
9. int (*mmap) (struct inode * ，struct file *， struct vm_area_struct *);
   
10. int (*open) (struct inode * ，struct file *);
    
11. int (*release) (struct inode * ，struct file *);
    
12. int (*fsync) (struct inode * ，struct file *);
    
13. int (*fasync) (struct inode * ，struct file *，int);
    
14. int (*check_media_change) (struct inode * ，struct file *);
    
15. int (*revalidate) (dev_t dev);
    
16. }

復(fù)制代碼

　　這個(gè)結(jié)構(gòu)的每一個(gè)成員的名字都對(duì)應(yīng)著一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用。用戶進(jìn)程利用系統(tǒng)調(diào)用在對(duì)設(shè)備文件進(jìn)行諸如read/write操作時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用通過(guò)設(shè)備文件的主設(shè)備號(hào)找到相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，然后讀取這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相應(yīng)的函數(shù)指針，接著把控制權(quán)交給該函數(shù)。這是linux的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序工作的基本原理。既然是這樣，則編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的主要工作就是編寫子函數(shù)，并填充file_operations的各個(gè)域。
　　下面就開(kāi)始寫子程序。

1. #include <linux/types.h>
   
2. #include <linux/fs.h>
   
3. #include <linux/mm.h>
   
4. #include <linux/errno.h>
   
5. #include <asm/segment.h>
   
6. unsigned int test_major = 0;
   
7. static int read_test(struct inode *node，struct file *file，char *buf，int count)
   
8. {
   
9. int left;
   
10. if (verify_area(VERIFY_WRITE，buf，count) == -EFAULT )
    
11. return -EFAULT;
    
12. for(left = count ; left > 0 ; left--)
    
13. {
    
14. __put_user(1，buf，1);
    
15. buf++;
    
16. }
    
17. return count;
    
18. }

復(fù)制代碼

這個(gè)函數(shù)是為read調(diào)用準(zhǔn)備的。當(dāng)調(diào)用read時(shí)，read_test()被調(diào)用，它把用戶的緩沖區(qū)全部寫1。buf 是read調(diào)用的一個(gè)參數(shù)。它是用戶進(jìn)程空間的一個(gè)地址。但是在read_test被調(diào)用時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入核心態(tài)。所以不能使用buf這個(gè)地址，必須用__put_user()，這是kernel提供的一個(gè)函數(shù)，用于向用戶傳送數(shù)據(jù)。另外還有很多類似功能的函數(shù)。請(qǐng)參考，在向用戶空間拷貝數(shù)據(jù)之前，必須驗(yàn)證buf是否可用。這就用到函數(shù)verify_area。

1. static int write_tibet(struct inode *inode，struct file *file，const char *buf，int count)
   
2. {
   
3. return count;
   
4. }
   
5. 
   
6. static int open_tibet(struct inode *inode，struct file *file )
   
7. {
   
8. MOD_INC_USE_COUNT;
   
9. return 0;
   
10. }
    
11. 
    
12. static void release_tibet(struct inode *inode，struct file *file )
    
13. {
    
14. MOD_DEC_USE_COUNT;
    
15. }

復(fù)制代碼

　　這幾個(gè)函數(shù)都是空操作。實(shí)際調(diào)用發(fā)生時(shí)什么也不做，他們僅僅為下面的結(jié)構(gòu)提供函數(shù)指針。

1. struct file_operations test_fops = {
   
2. NULL，
   
3. read_test，
   
4. write_test，
   
5. NULL， /* test_readdir */
   
6. NULL，
   
7. NULL， /* test_ioctl */
   
8. NULL， /* test_mmap */
   
9. open_test，
   
10. release_test，
    
11. NULL， /* test_fsync */
    
12. NULL， /* test_fasync */
    
13. /* nothing more， fill with NULLs */
    
14. };  

復(fù)制代碼

　　設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的主體可以說(shuō)是寫好了。現(xiàn)在要把驅(qū)動(dòng)程序嵌入內(nèi)核。驅(qū)動(dòng)程序可以按照兩種方式編譯。一種是編譯進(jìn)kernel，另一種是編譯成模塊(modules)，如果編譯進(jìn)內(nèi)核的話，會(huì)增加內(nèi)核的大小，還要改動(dòng)內(nèi)核的源文件，而且不能動(dòng)態(tài)的卸載，不利于調(diào)試，所以推薦使用模塊方式。

1. int init_module(void)
   
2. {
   
3. int result;
   
4. result = register_chrdev(0， "test"， &test_fops);
   
5. if (result < 0) {
   
6. printk(KERN_INFO "test: can't get major number\n");
   
7. return result;
   
8. }
   
9. if (test_major == 0) test_major = result; /* dynamic */
   
10. return 0;
    
11. }

復(fù)制代碼

　　在用insmod命令將編譯好的模塊調(diào)入內(nèi)存時(shí)，init_module 函數(shù)被調(diào)用。在這里，init_module只做了一件事，就是向系統(tǒng)的字符設(shè)備表登記了一個(gè)字符設(shè)備。register_chrdev需要三個(gè)參數(shù)，參數(shù)一是希望獲得的設(shè)備號(hào)，如果是零的話，系統(tǒng)將選擇一個(gè)沒(méi)有被占用的設(shè)備號(hào)返回。參數(shù)二是設(shè)備文件名，參數(shù)三用來(lái)登記驅(qū)動(dòng)程序?qū)嶋H執(zhí)行操作的函數(shù)的指針。
　　如果登記成功，返回設(shè)備的主設(shè)備號(hào)，不成功，返回一個(gè)負(fù)值。

1. void cleanup_module(void)
   
2. {
   
3. unregister_chrdev(test_major，"test");
   
4. }  

復(fù)制代碼

　　在用rmmod卸載模塊時(shí)，cleanup_module函數(shù)被調(diào)用，它釋放字符設(shè)備test在系統(tǒng)字符設(shè)備表中占有的表項(xiàng)。
　　一個(gè)極其簡(jiǎn)單的字符設(shè)備可以說(shuō)寫好了，文件名就叫test.c吧。
　　下面編譯 :

1. 　　$ gcc -O2 -DMODULE -D__KERNEL__ -c test.c

復(fù)制代碼

　　得到文件test.o就是一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。
　　如果設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序有多個(gè)文件，把每個(gè)文件按上面的命令行編譯，然后

1. 　　ld  -r  file1.o  file2.o  -o  modulename。

復(fù)制代碼

　　驅(qū)動(dòng)程序已經(jīng)編譯好了，現(xiàn)在把它安裝到系統(tǒng)中去。

1. 　　$ insmod  –f  test.o

復(fù)制代碼

如果安裝成功，在/proc/devices文件中就可以看到設(shè)備test，并可以看到它的主設(shè)備號(hào)。要卸載的話，運(yùn)行 :

1. $ rmmod test

復(fù)制代碼

　　下一步要?jiǎng)?chuàng)建設(shè)備文件。

1. 　　mknod /dev/test c major minor

復(fù)制代碼

　　c 是指字符設(shè)備，major是主設(shè)備號(hào)，就是在/proc/devices里看到的。
　　用shell命令

1. 　　$ cat /proc/devices

復(fù)制代碼

　　就可以獲得主設(shè)備號(hào)，可以把上面的命令行加入你的shell script中去。
　　minor是從設(shè)備號(hào)，設(shè)置成0就可以了。
　　我們現(xiàn)在可以通過(guò)設(shè)備文件來(lái)訪問(wèn)我們的驅(qū)動(dòng)程序。寫一個(gè)小小的測(cè)試程序。

1. #include <stdio.h>
   
2. #include <sys/types.h>
   
3. #include <sys/stat.h>
   
4. #include <fcntl.h>
   
5. main()
   
6. {
   
7. int testdev;
   
8. int i;
   
9. char buf[10];
   
10. testdev = open("/dev/test"，O_RDWR);
    
11. if ( testdev == -1 )
    
12. {
    
13. printf("Cann't open file \n");
    
14. exit(0);
    
15. }
    
16. read(testdev，buf，10);
    
17. for (i = 0; i < 10;i++)
    
18. printf("%d\n"，buf[i]);
    
19. close(testdev);
    
20. }

復(fù)制代碼

　　編譯運(yùn)行，看看是不是打印出全1 ？
　　以上只是一個(gè)簡(jiǎn)單的演示。真正實(shí)用的驅(qū)動(dòng)程序要復(fù)雜的多，要處理如中斷，DMA，I/O port等問(wèn)題。這些才是真正的難點(diǎn)。請(qǐng)看下節(jié)，實(shí)際情況的處理。
如何編寫Linux操作系統(tǒng)下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

三、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中的一些具體問(wèn)題

　　1。 I/O Port。
　　和硬件打交道離不開(kāi)I/O Port，老的ISA設(shè)備經(jīng)常是占用實(shí)際的I/O端口，在linux下，操作系統(tǒng)沒(méi)有對(duì)I/O口屏蔽，也就是說(shuō)，任何驅(qū)動(dòng)程序都可對(duì)任意的I/O口操作，這樣就很容易引起混亂。每個(gè)驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)該自己避免誤用端口。
　　有兩個(gè)重要的kernel函數(shù)可以保證驅(qū)動(dòng)程序做到這一點(diǎn)。
　　1）check_region(int io_port， int off_set)
　　這個(gè)函數(shù)察看系統(tǒng)的I/O表，看是否有別的驅(qū)動(dòng)程序占用某一段I/O口。
　　參數(shù)1：io端口的基地址，
　　參數(shù)2：io端口占用的范圍。
　　返回值：0 沒(méi)有占用， 非0，已經(jīng)被占用。
　　2）request_region(int io_port， int off_set，char *devname)
　　如果這段I/O端口沒(méi)有被占用，在我們的驅(qū)動(dòng)程序中就可以使用它。在使用之前，必須向系統(tǒng)登記，以防止被其他程序占用。登記后，在/proc/ioports文件中可以看到你登記的io口。
　　參數(shù)1：io端口的基地址。
　　參數(shù)2：io端口占用的范圍。
　　參數(shù)3：使用這段io地址的設(shè)備名。
　　在對(duì)I/O口登記后，就可以放心地用inb()， outb()之類的函來(lái)訪問(wèn)了。
在一些pci設(shè)備中，I/O端口被映射到一段內(nèi)存中去，要訪問(wèn)這些端口就相當(dāng)于訪問(wèn)一段內(nèi)存。經(jīng)常性的，我們要獲得一塊內(nèi)存的物理地址。

　　2。內(nèi)存操作
　　在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中動(dòng)態(tài)開(kāi)辟內(nèi)存，不是用malloc，而是kmalloc，或者用get_free_pages直接申請(qǐng)頁(yè)。釋放內(nèi)存用的是kfree，或free_pages。 請(qǐng)注意，kmalloc等函數(shù)返回的是物理地址！
　　注意，kmalloc最大只能開(kāi)辟128k-16，16個(gè)字節(jié)是被頁(yè)描述符結(jié)構(gòu)占用了。
　　內(nèi)存映射的I/O口，寄存器或者是硬件設(shè)備的RAM(如顯存)一般占用F0000000以上的地址空間。在驅(qū)動(dòng)程序中不能直接訪問(wèn)，要通過(guò)kernel函數(shù)vremap獲得重新映射以后的地址。
　　另外，很多硬件需要一塊比較大的連續(xù)內(nèi)存用作DMA傳送。這塊程序需要一直駐留在內(nèi)存，不能被交換到文件中去。但是kmalloc最多只能開(kāi)辟128k的內(nèi)存。
　　這可以通過(guò)犧牲一些系統(tǒng)內(nèi)存的方法來(lái)解決。
　　
　　3。中斷處理
　　同處理I/O端口一樣，要使用一個(gè)中斷，必須先向系統(tǒng)登記。

1. int request_irq(unsigned int irq ，void(*handle)(int，void *，struct pt_regs *)，
   
2. unsigned int long flags， const char *device);

復(fù)制代碼

irq: 是要申請(qǐng)的中斷。
handle：中斷處理函數(shù)指針。
flags：SA_INTERRUPT 請(qǐng)求一個(gè)快速中斷，0 正常中斷。
device：設(shè)備名。

　　如果登記成功，返回0，這時(shí)在/proc/interrupts文件中可以看你請(qǐng)求的中斷。

　　4。一些常見(jiàn)的問(wèn)題。
　　對(duì)硬件操作，有時(shí)時(shí)序很重要。但是如果用C語(yǔ)言寫一些低級(jí)的硬件操作的話，gcc往往會(huì)對(duì)你的程序進(jìn)行優(yōu)化，這樣時(shí)序會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。如果用匯編寫呢，gcc同樣會(huì)對(duì)匯編代碼進(jìn)行優(yōu)化，除非用volatile關(guān)鍵字修飾。最保險(xiǎn)的辦法是禁止優(yōu)化。這當(dāng)然只能對(duì)一部分你自己編寫的代碼。如果對(duì)所有的代碼都不優(yōu)化，你會(huì)發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序根本無(wú)法裝載。這是因?yàn)樵诰幾g驅(qū)動(dòng)程序時(shí)要用到gcc的一些擴(kuò)展特性，而這些擴(kuò)展特性必須在加了優(yōu)化選項(xiàng)之后才能體現(xiàn)出來(lái)。

shdnzwy

版主還在辛勤工作啊，來(lái)學(xué)習(xí)，支持一下樓主

fengxin215

版主辛苦啊！支持一下

friendlyQQ

認(rèn)真學(xué)習(xí)，謝謝樓主！

T-bagwell

原帖由 friendlyQQ 于 2008-6-25 23:00 發(fā)表
認(rèn)真學(xué)習(xí)，謝謝樓主！

qq2440用戶？
呵呵

ddtbob

這是多少年前的帖子了，驅(qū)動(dòng)基于哪個(gè)內(nèi)核版本啊。。

daofei

收下了。謝謝樓主分享！�。�

hijohnny

這明顯是2.4內(nèi)核的，過(guò)時(shí)了哦

gigabyte

基本原理還是沒(méi)有變的，謝謝樓主

2007robot

也在學(xué)這一塊，學(xué)習(xí)中！