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1、基于嵌入式Linux内核的系统设备驱动程序开发设计引言Linux是一个遵循POSIX标准的免费操作系统。具有BSD和SYSV的扩展特性。与其他操作系统相比，嵌入式Linux系统以其可应用于多种硬件平台、内核高效稳定、源码开放、软件丰富、网络通信和文件管理机制完善等优良特性而正被作为研究热点，越来越多的研究人员采用Linux平台来开发自己的产品。Linux设备驱动程序在Linux内核源代码中占有很大比例，从2.0、2.2到 2.4版本的内核，源代码的长度日益增加，其实主要是设备驱动程序在增加。设备驱动程序的编写设备驱动程序是linux内核的一部分，是操作系统内核和机器硬件之间的接口，它由一组函数
2、和一些私有数据组成，是连接应用程序与具体硬件的桥梁。Linux的一个基本特点是它对硬件设备的管理抽象化，系统中的每一个设备都用一个特殊的文件来表示。所有的硬件设备都像普通的文件一样看待，使用与操作系统相同的标准系统来进行打开、读写和关闭。在Linux 操作系统下有3类主要的设备文件类型：块设备、字符设备、网络设备。字符设备是指存取时没有缓存的设备。可像文件一样访问字符设备，字符设备驱动程序负责实现这些行为。系统的控制台和并口就是字符设备的例子，它们可以很好地用“流”来描述。块设备是文件系统的宿主，如磁盘。 Linux允许像字符设备那样读取块设备允许一次传输任意数目的字节。结果是，字符设备和块设
3、备读取数方式一致。而网络设备不同于字符设备和块设备， 它面向的上一层不是文件系统而是网络协议层，是通过BSD套接口访问数据。与设备相对应的是三类设备驱动程序，字符设备驱动程序、块设备驱动程序、网络设备驱动程序。字符设备驱动程序、块设备驱动程序与网络设备驱动程序的结构体是不同的。在linux 源代码linux/ include / linux/ fs. h中定义了字符设备和块设备驱动程序中必须使用的file_operations结构，每个设备驱动都实现这个接口所定义的部分或全部函数。随着内核的不断升级， file_operaTIons结构也越来越大，不同的版本的内核会稍有不同。file_oper
4、aTIons定义如下：struct file_operaTIonsint（ * lseek） （ struct inode * ， struct file * ， off_t ， int） ; int（ *release） （ struct inode * ， struct file * ） ;int（ * read） （ struct inode * ， struct file * ， char * ， int） ; int（ * fsync） （ struct inode *， struct file * ） ;int（ *write） （ struct inode * ， struct
5、file * ， const char *， int） ; int（ * fasync） （ struct inode * ， struct file *， int） ;int（ * readdir） （ struct inode ， struct file ， void * ， dilldir） ; int（ *check_media_change） （ kdev_t dev） ;int（*select） （ struct inode *， struct file * ， int， select_table * ） ; int（ * revalidate） （ kdev_t dev） ; ;
6、int （ * ioctl） （ struct inode * ， struct file *， unsigned int， unsigned long） ;int（ *mmap） （ struct inode * ， struct file * ， struct vm_area_struct * ） ;int（ * open） （ struct inode *， struct file *） ;应用程序只有通过对设备文件的open、release、read、write、ioctl等才能访问字符设备和块设备。用户自己定义好 file_operaTIons结构后，编写出设备实际所需要的各操作函数
7、，对于不需要的操作函数用NULL初始化，这些操作函数将被注册到内核，当应用程序对设备相应的设备文件进行文件操作时，内核会找到相应的操作函数，并进行调用。如果操作函数使用NULL，操作函数就进行默认处理。对于字符设备而言，llseek（ ），read（ ），write（），ioctl（ ），open（ ），release（ ）这些函数是不可缺的；对于块设备，open（ ），release（ ），ioctl（），check_media_change（ ），revalidate（ ）是不可缺少的。网络设备结构体 net_device 定义在 includelinuxnetdevice.h 里，如下所
8、示：struct net_devicechar name ; int （*init）（structnet_device *dev）;unsigned short flags ; int （*open）（struct net_device *dev）;unsigned long base_addr; int（*stop）（struct net_device *dev）unsigned int irq ; int（*hard_start_xmit）（struct sk_buff *skb，unsigned char dev_addr; structnet_device *dev）;unsigned
9、 char addr_len; int（*set_mac_address）（ struct net_deviceunsigned long trans_start; *dev，void* addr）;定义好net_device结构体后，根据实际情况编写操作函数，其中hard_start_xmit（）函数是用来发送数据的，set_mac_address（）是进行网络参数设置的。当linux初始化时将调用初始化函数int device_init（ ），该函数包括以下内容：注册所用设备。linux用设备号来标识字符设备和块设备。设备号分为主设备号和从设备号，最终形成设备接点。设备节点在访问字符设备和
10、块设备的设备驱动程序时将使用。通常主设备号标识设备对应的驱动程序，大多数设备是“一个主设备号对应一个驱动程序”，如：虚拟控制台和串口终端由驱动程序4管理。次设备号由内核使用，用于确定设备文件所指的设备。字符设备和块设备注册时必须先定义好设备号。字符设备注册函数如下：int register_chrdev（unsigned int major ，const char *name， struct file_oprations *fops）;其中 major是主设备号。由于对网络设备驱动程序的访问不需要设备节点，它的注册函数如下：int register_netdev（struct net_devi
11、ce *dev）注册设备所用的中断。中断在现代计算机结构中有重要的地位，操作系统必须提供程序响应中断的能力。一般是把一个中断处理程序注册到系统中去。操作系统在硬件中断发生后调用驱动程序的处理程序。注册中断所用的函数如下：int request_irq （unsigned irq，void（*handler）（int，void*，struct pt_regs*），unsigned long flags，const char*device，void* dev_id）;其中，irq是中断向量;handler是中断处理函数；flags是中断处理中的掩码；devices是设备名；dev_id是在中断共享
12、使用的id。当linux不使用该设备时，就要调用清除函数void_devicie_exit （ ），它同初始化函数相对应的，主要是：注销设备，字符设备注销函数如下：int unregister_chrdev（unsigned int major ，const char *name，struct file_oprations *fops）；注销中断，注销中断所用的函数如下：int free_irq （unsigned irq，void（*handler）（int，void*，struct pt_regs*），unsigned long flags，const char*device，void*
13、dev_id）;释放资源，模块初始化和清除函数采用module_init（device_init），module_exit（device_exit） 形式编写服务子程序服务于I/O请求的子程序，又称为驱动程序的上半部分。调用这部分是由于系统调用的结果。这部分程序在执行的时候系统仍认为是和进行调用的进程属于同一个进程 只是用户态变成了核心态，具有进行此系统调用的用户程序的运行环境因此可以在其中调用sleep等与进程运行环境有关的函数。中断服务子程序，又称为驱动程序的下半部分。在Linux系统中并不是直接从中断向量表中调用设备驱动程序的中断服务子程序，而是由Linux系统来接收硬件中断，再由系统调
14、用中断服务子程序。中断可以产生在任何一个进程运行的时候，因此在中断服务程序被调用的时候不能依赖于仟何进程的状态，也就不能调用任何与进程运行环境相关的函数。因为设备驱动程序一般支持同一类型的若干设备，所以一般在系统调用中断服务程序的时候，都带有一个或多个参数，以唯一标识请求服务的设备。设备驱动程序的使用直接将驱动程序编译进linux内核将设备驱动程序复制到 linux/drivers相关的子目录下，比如字符设备驱动程序 就放在linux/drivers/char下。修改linux/drivers相关的子目录的Makefile，如obj-$（config_dev_driver） +=dev_dri
15、ver.o，这样在编译内核时将会编译dev_driver.c，生成 dev_driver.o.对内核进行重新编译时，进行相关的配置，比如要使用AT91RM9200的UART，就要如下配置：Character devices - Serial drivers -AT91RM9200 serial port support将驱动程序编译成驱动模块在设备驱动程序中要有两个重要函数：module_init（dev_init），module_exit（dev_exit）利用相应的交叉编译器以及编译命令将驱动程序dev_driver.c编译成dev_driver.o 这样的动态驱动模块。利用insmod命令给系统安装驱动模块，如果在/dev目录下没有相应的设备文件，就可以使用mknod创建一个设备文件。利用 rmmod命令卸载驱动模块，设备文件的删除可以用rm命令。结语设备驱动程序的开发是在Linux环境中最复杂的编程任务之一 。它需要和硬件打交道，容易引起系统崩溃，而且很难调试。掌握设备驱动程序的开发技术，将使得开发嵌入式Linux的系统更为迅速和有效。