基于嵌入式Linux的設備驅動(dòng)程序設計

　　Linux為是一個(gè)成熟而穩定的操作系統。將Linux植入嵌入式設備具有眾多的優(yōu)點(diǎn)，包括可剪裁和容易移植等，所以Linux操作系統在嵌入式領(lǐng)域獲得了廣泛的應用。嵌入式Linux一直是嵌入式領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，與PC架構不同，嵌入式系統的硬件具有多樣性和差異性，嵌入式系統的開(kāi)發(fā)需要對特定系統進(jìn)行硬件設計，同時(shí)還要針對這些硬件來(lái)編寫(xiě)驅動(dòng)程序。Linux內核就是通過(guò)驅動(dòng)程序來(lái)同外圍設備打交道的，系統設計人員必須為每個(gè)設備編寫(xiě)驅動(dòng)程序，否則設備無(wú)法在操作系統下正常工作。

　　1 設備驅動(dòng)程序設計的基本概念與模型

　　設備驅動(dòng)程序是操作系統內核與機器硬件之間的接口，它為應用程序屏蔽了硬件的細節，在應用程序看來(lái)，硬件設備只是一個(gè)設備文件，應用程序可以象操作普通文件一樣對硬件設備進(jìn)行操作，設計驅動(dòng)程序是內核的一部分，可以實(shí)現以下功能：

　　對設備初始化和釋放;

　　把數據從內核傳送到硬件，以及從硬件讀取數據;

　　讀取應用程序傳送給設備文件的數據，以及回送應用程序請求的數據;

　　檢測和處理設備出現的錯誤。

　　前面已經(jīng)提到驅動(dòng)程序的作用，而編寫(xiě)驅動(dòng)程序就是構造一系列可供應用程序調動(dòng)的函數(包括open、release、read、write、llseek、ioctl等)。在用戶(hù)自己的驅動(dòng)程序中，首先要根據驅動(dòng)程序的功能，實(shí)現file_operations結構中的函數，不需要的函數接口可以直接在file_operations結構中初始化為NULL;file_operations變量會(huì )在驅動(dòng)程序初始化時(shí)注冊到系統內部。當操作系統對設備操作時(shí)，會(huì )調用驅動(dòng)程序注冊的file_operations結構中的函數指針。

　　以下是嵌入式linux2.4設備驅動(dòng)程序的最簡(jiǎn)模型。

　　具體實(shí)現前面定義的函數時(shí)，需注意下面幾點(diǎn)：

　　1)在test_init函數中要通過(guò)調用register_chrdev()函數來(lái)向內核注冊字符設備驅動(dòng)程序。如果是塊設備，則還需調用mmmap()進(jìn)行地址空間的映射，再調用register_blkdev()函數來(lái)向內核注冊塊設備驅動(dòng)程序，在Linux系統中，對中斷的處理是屬于系統核心部分，因而如果設備與系統之間以中斷方式進(jìn)行數據交換，則必須把該設備的驅動(dòng)程序作為系統核心的一部分，也就是說(shuō)設備驅動(dòng)程序要通過(guò)調用request_irq()函數來(lái)申請中斷，通過(guò)free_irq()函數來(lái)釋放中斷(在test_cleanup中實(shí)現)。

　　2)open()函數和release()函數的具體實(shí)現有著(zhù)一定的對應性，在open()函數中主要是執行打開(kāi)設備時(shí)的一些初始化代碼，如果該驅動(dòng)程序需要管理多個(gè)設備，那么還要獲取從設備號，根據從設備號來(lái)判斷需要操作的設備，其中，從設備號可通過(guò)調用函數MINOR(inode->i_rdev)來(lái)獲得，然后再調用宏MOD_INC_USE_COUNT來(lái)使得驅動(dòng)程序使用計數器加1，而在release()函數中則要進(jìn)行相反的處理。即調用宏MOD_DEC_USE_COUNT來(lái)減小驅動(dòng)程序使用計數器。

　　3)歸根到底，驅動(dòng)函數的實(shí)現就是調用內核所支持的函數(包括內核提供的API和用戶(hù)自己定義的寄存器操作函數)來(lái)完成對設備的操作，雖然嵌入式系統設備的種類(lèi)眾多，不同設備操作的具體實(shí)現方法不可能相同，但是Linux操作系統提供了一系列特殊API，為開(kāi)發(fā)內核驅動(dòng)程序帶來(lái)了很大的方便，調用這些API時(shí)需要注意的是：通常情況下，應用程序是通過(guò)內核接口訪(fǎng)問(wèn)驅動(dòng)程序的(這是驅動(dòng)程序的主要使用方式)，因此驅動(dòng)程序需要與應用程序交換數據，但是操作系統內核和驅動(dòng)程序在內核空間中運行，而用戶(hù)程序在用戶(hù)空間中運行，用戶(hù)程序不能訪(fǎng)問(wèn)內核空間，操作系統內核和驅動(dòng)程序也不能使用指針或memcpy()等常規的C庫函與用戶(hù)空間傳輸數據，造成這種狀況的主要原因是linux操作系統使用了虛擬內存機制，使用了虛擬內存機制后，用戶(hù)空間的內存可能被換出，當內核使用用戶(hù)空間指針時(shí)，對應的頁(yè)面可能已經(jīng)不在內存中了，因此在使用調用函數時(shí)要注意：設備驅動(dòng)程序在申請和釋放內存時(shí)不是調用malloc()和free()，而調用kmalloc()和kfree();用于內核空間與用戶(hù)空間進(jìn)行數據拷貝的函數主要有access_ok()(檢查某內存空間是否有權訪(fǎng)問(wèn))，copy_to_user()和put_usr()(內核函數向用戶(hù)空間傳輸數據)，copy_from_user()和get_user()(用戶(hù)空間向內核空間傳輸數據);關(guān)于內核空間與I/O空間的數據交換，不同體系結構的處理器對I/O的處理方式也不同，x86系列處理器中，I/O與內存完成不同，它是分開(kāi)編址的，訪(fǎng)問(wèn)它要使用專(zhuān)用的指令;而對ARM體系結構的處理器來(lái)說(shuō)，則是不區分I/O和內存，統一編址的，可以使用同樣的指令訪(fǎng)問(wèn)，在驅動(dòng)程序中可以使用一系列函數來(lái)訪(fǎng)問(wèn)I/O口，如outb()、outw()、outl()inb()、inw()、inl()、outsb()、outsw()、outsl()、insb()、insw()和insl()等。

　　2 Linux2.6與2.4內核驅動(dòng)程序的區別

　　為了徹底防止對正在被使用的內核模塊進(jìn)行錯誤操作，linux2.6內核在加載和導出內核模塊方面都較2.4內核有所改進(jìn)，避免了用戶(hù)執行將導致系統崩潰的操作(例如強制刪除模塊等)。同時(shí)，當驅動(dòng)程序需要在多個(gè)文件中包含頭文件時(shí)，不必定義宏來(lái)檢查內核的版本。與2.4內核相比，2.6內核在可擴展性、吞吐率等方面有較大提升，其新特性主要包括：使用了新的調度器算法;內核搶占功能顯著(zhù)地降低了用戶(hù)交互式應用程序;多媒體應用程序等類(lèi)似應用程序的延遲;改進(jìn)了線(xiàn)程模型以及對NPTL的支持，顯著(zhù)改善了虛擬內存在一定成程度負載下的性能;能夠支持更多的文件系統;引進(jìn)了內存池技術(shù);支持更多的系統設備，在2.4內核中有約束大型系統的限制，其支持的每一類(lèi)設備的最大數量為256，而2.6內核則徹底打破了這些限制，可以支持4095種主要的設備類(lèi)型，且每個(gè)單獨的類(lèi)型又可以支持超過(guò)一百萬(wàn)個(gè)的子設備;支持反向映射機制(reverse mapping)，內存管理器為每一個(gè)物理頁(yè)建立一個(gè)鏈表，包含指向當前映射頁(yè)中每個(gè)進(jìn)程的頁(yè)表條目的指針。該鏈表叫PTE鏈，它極大的提高了找到那些映射某個(gè)頁(yè)的進(jìn)程的速度。

　　Linux操作系統的設備驅動(dòng)程序是在內核空間運行的程序，其中涉及很多內核的操作，隨著(zhù)Linux內核版本的升級，驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)必然也要作出相應的修改，總之，在linux2.6內核上編寫(xiě)設備驅動(dòng)程序時(shí)具體要注意以下幾個(gè)方面：

　　1)Linux2.6內核驅動(dòng)程序必須由MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL")語(yǔ)句來(lái)定義許可證，而不能再用2.4內核的MODULE_LICENSE("GPL")。否則，在編譯時(shí)會(huì )出現警告提示。

　　2)Linux2.6內核驅動(dòng)程序可以用int try_module_get(&module)來(lái)加載模塊，用module_put()函數來(lái)卸載模塊，而以前2.4內核使用的宏MOD_INC_USE_COUNT和MOD_DEC_USE_COUNT則可不用。

　　3)前面給出的字符型設備驅動(dòng)程序模型中結構體file_operations的定義要采用下面的形式。這是因為在Linux內核中對結構體的定義形式發(fā)生了變化，不再支持原來(lái)的定義形式。

　　4)就字符型設備而言，test_open()函數中向內核注冊設備的調用函數register_chrdev()可以升級為int register_chrdev_region(dev_t from，unsigned count，char * name)，如果要動(dòng)態(tài)申請主設備號可調用函數int alloc_chrdev_region(dev_t * dev,unsigned baseminor,unsigned count,char * name)來(lái)完成;原來(lái)的注冊函數還可以用，只是不能注冊設備號大于256的設備，同理，對于塊設備和網(wǎng)絡(luò )設備的注冊函數也有著(zhù)相對應的代替函數。

　　5)在聲明驅動(dòng)程序是否要導出符號表方面有著(zhù)很大的變化。當驅動(dòng)程序模塊裝入內核后，它所導出的任何符號都會(huì )變成公共符合表的一部分，在/proc/ksyms中可以看到這些新增加的符號。通常情況之下，模塊只需實(shí)現自己的功能，不必導出任何符號，然而，如果有其他模塊需要使用模塊導出的符號時(shí)，就必須導出符號，只有顯示的導出符號才能被其他模塊使用，Linux2.6內核中默認不導出所有的符號，不必使用EXPORT_NO_SYMBOLS宏來(lái)定義;而在2.4內核中恰恰相反，它默認導出所有的符號，除非使用EXPORT_NO_SYMBOLS，因此在上面給出的范例中可以省略去該定義語(yǔ)句。

　　6)Linx內核統一了很多設備類(lèi)型，同時(shí)也支持更大的系統和更多的設備，原來(lái)Linux2.4內核中的變量kdev_t已經(jīng)被廢除不可用，取而代之的是dev_t。它拓展到了32位，其中包括12位主設備號和20位次設備號。調用函數為unsigned int iminor(struct inode * inode)和unsigned int imajor(struct inode * inode)，而不再用Linux2.4版本中的int MAJOR(kdev_t dev)和int MINOR(kdev_t dev)。

　　所有的內存分配函數不再包含在頭文件中，而是包含在中，而原來(lái)的已經(jīng)不存在。所以當在驅動(dòng)程序中要用到函數kmalloc()或kfree()等內存分配函數時(shí)，就必須要定義頭文件而不是。同時(shí)，前面提到的申請內存和釋放內存函數的具體參數也有了一定的改變，包括：分配標志GFP_BUFFER被取消，取而代之的是GFP_NOIO和GFP_NOFS;新增了_GFP_REPEAT、_GFP_NOFAIL和_GFP_NORETRY分配標志等，使得內存操作更加方便。

　　8)因為內核中有些地方的內存分配是不允許失敗的，所以為了確保這種情況下得成功分配，linux2.6版本內核中開(kāi)發(fā)了一種稱(chēng)為"內存池"的抽象。內存池其實(shí)相當于后備的高速緩存，以便在緊急狀態(tài)下使用。要使用內存池的處理函數時(shí)，必須包含頭文件。內存池處理函數主要有以下幾個(gè)：mempool_t *mempool_create()、void*mempool_alloc()、void mempool_free()、int mempool_resize();

　　另外值得一提的是：2.6內核為了區別以.o為擴展名的常規對象文件，將內核模塊的擴展名改為.ko，所以驅動(dòng)程序最后是被編譯為ko后綴的可加載模塊，在應用程序中加載驅動(dòng)程序模塊時(shí)要注意。 結語(yǔ)

　　驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)作為嵌入式linux系統開(kāi)發(fā)過(guò)程當中最重要的環(huán)節之一，與硬件特性和操作系統的內核有著(zhù)緊密的聯(lián)系。隨著(zhù)linux內核版本的升級，內核驅動(dòng)程序必然要作出相應的改進(jìn)，相信隨著(zhù)嵌入式Linux系統在各個(gè)領(lǐng)域中的廣泛應用，具有可搶占實(shí)時(shí)性的Linux2.6內核必定會(huì )在嵌入式領(lǐng)域大顯身手。本文會(huì )對廣大的驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)人員有一定的幫助。