序言


Linux是Unix操作系統(tǒng)的一種變種,在Linux下編寫驅(qū)動程序的原理和

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)動程序有很大的

區(qū)別.在Linux環(huán)境下設(shè)計(jì)驅(qū)動程序,思想簡潔,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編寫,而且調(diào)

試也不方便.本人這幾周來為實(shí)驗(yàn)室自行研制的一塊多媒體卡編制了驅(qū)動程序,

獲得了一些經(jīng)驗(yàn),愿與Linux fans共享,有不當(dāng)之處,請予指正.


以下的一些文字主要來源于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. 這些資料有的已經(jīng)過時(shí),有的還有一些錯(cuò)誤,我依

據(jù)自己的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了修正.


　

　

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,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

一樣對硬件設(shè)備進(jìn)行操作.設(shè)備驅(qū)動程序是內(nèi)核的一部分,它完成以下的功能:

1.對設(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)用程序請求的數(shù)據(jù).

4.檢測和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯(cuò)誤.


在Linux操作系統(tǒng)下有兩類主要的設(shè)備文件類型,一種是字符設(shè)備,另一種是

塊設(shè)備.字符設(shè)備和塊設(shè)備的主要區(qū)別是:在對字符設(shè)備發(fā)出讀/寫請求時(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)程對設(shè)備請求能滿足用戶的要求,就返回請求的數(shù)據(jù),如果不能,就調(diào)用請求函數(shù)來進(jìn)行實(shí)際

的I/O操作.塊設(shè)備是主要針對磁盤等慢速設(shè)備設(shè)計(jì)的,以免耗費(fèi)過多的CPU時(shí)間

來等待.


已經(jīng)提到,用戶進(jìn)程是通過設(shè)備文件來與實(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)備還蔤強(qiáng)檣璞?另外每個(gè)文件都有兩個(gè)設(shè)

備號,第一個(gè)是主設(shè)備號,標(biāo)識驅(qū)動程序,第二個(gè)是從設(shè)備號,標(biāo)識使用同一個(gè)

設(shè)備驅(qū)動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)備號來區(qū)分

他們.設(shè)備文件的的主設(shè)備號必須與設(shè)備驅(qū)動程序在登記時(shí)申請的主設(shè)備號

一致,否則用戶進(jìn)程將無法訪問到驅(qū)動程序.


最后必須提到的是,在用戶進(jìn)程調(diào)用驅(qū)動程序時(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,系統(tǒng)必須在你的驅(qū)動程序的子函數(shù)返回后才能進(jìn)行其他

的工作.如果你的驅(qū)動程序陷入死循環(huán),不幸的是你只有重新啟動機(jī)器了,然后就

是漫長的fsck.//hehe


(請看下節(jié),實(shí)例剖析)

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)動程序


Roy G

二.實(shí)例剖析


我們來寫一個(gè)最簡單的字符設(shè)備驅(qū)動程序.雖然它什么也不做,但是通過它

可以了解Linux的設(shè)備驅(qū)動程序的工作原理.把下面的C代碼輸入機(jī)器,你就會

獲得一個(gè)真正的設(shè)備驅(qū)動程序.不過我的kernel是2.0.34,在低版本的kernel

上可能會出現(xiàn)問題,我還沒測試過.//xixi


#define __NO_VERSION__

#include <linux/modules.h>

#include <linux/version.h>

char kernel_version [] = UTS_RELEASE;

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說所

有的驅(qū)動程序的開頭都要包含<linux/config.h>,但我看倒是未必.

由于用戶進(jìn)程是通過設(shè)備文件同硬件打交道,對設(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)動程序關(guān)聯(lián)起來呢?這需要了解一個(gè)非常關(guān)鍵的數(shù)據(jù)

結(jié)構(gòu):

struct file_operations {

int (*seek) (struct inode * ,struct file *, off_t ,int);

int (*read) (struct inode * ,struct file *, char ,int);

int (*write) (struct inode * ,struct file *, off_t ,int);

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

int (*select) (struct inode * ,struct file *, int ,select_table *);

int (*ioctl) (struct inode * ,struct file *, unsined int ,unsigned long

int (*mmap) (struct inode * ,struct file *, struct vm_area_struct *);

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

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

int (*fsync) (struct inode * ,struct file *);

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

int (*check_media_change) (struct inode * ,struct file *);

int (*revalidate) (dev_t dev);

}


這個(gè)結(jié)構(gòu)的每一個(gè)成員的名字都對應(yīng)著一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用.用戶進(jìn)程利用系統(tǒng)調(diào)用

在對設(shè)備文件進(jìn)行諸如read/write操作時(shí),系統(tǒng)調(diào)用通過設(shè)備文件的主設(shè)備號

找到相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序,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)動程序工作的基本原理.既然是這樣,則編寫

設(shè)備驅(qū)動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.

相當(dāng)簡單,不是嗎?

下面就開始寫子程序.

#include <linux/types.h>

#include <linux/fs.h>

#include <linux/mm.h>

#include <linux/errno.h>

#include <asm/segment.h>

unsigned int test_major = 0;

static int read_test(struct inode *node,struct file *file,

char *buf,int count)

{

int left;


if (verify_area(VERIFY_WRITE,buf,count) == -EFAULT )

return -EFAULT;

for(left = count ; left > 0 ; left--)

{

__put_user(1,buf,1);

buf++;

}

return count;

}


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).請參考<linux/mm.h>.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.


　

static int write_tibet(struct inode *inode,struct file *file,

const char *buf,int count)

{

return count;

}

static int open_tibet(struct inode *inode,struct file *file )

{

MOD_INC_USE_COUNT;

return 0;

} static void release_tibet(struct inode *inode,struct file *file )

{

MOD_DEC_USE_COUNT;

}

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。


struct file_operations test_fops = {

NULL,

read_test,

write_test,

NULL, /* test_readdir */

NULL,

NULL, /* test_ioctl */

NULL, /* test_mmap */

open_test,

release_test, NULL, /* test_fsync */

NULL, /* test_fasync */

/* nothing more, fill with NULLs */

};


設(shè)備驅(qū)動程序的主體可以說是寫好了。現(xiàn)在要把驅(qū)動程序嵌入內(nèi)核。驅(qū)動程序

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，會增加內(nèi)核的大小，還要改動內(nèi)核的源文件，而且不能

動態(tài)的卸載，不利于調(diào)試，所以推薦使用模塊方式。


int init_module(void)

{