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基于嵌入式Linux内核的系统设备驱动程序开发设计

2018年08月17日 15:12 次阅读

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。

基于嵌入式Linux内核的系统设备驱动程序开发设计

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_operaTIons定义如下:

struct file_operaTIons{

int( * 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 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) ; };

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,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,如下所示:

struct net_device

{

char name ; int (*init)(struct

net_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; struct

net_device *dev);

unsigned char addr_len; int

(*set_mac_address)( struct net_device

unsigned 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_device *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* 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_driver.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。

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发表于 2018-08-04 09:02 97次阅读
“海思”芯片嵌入式主板助力平安城市构建

关于嵌入式FIRD读写器内部数据的存储和管理研究...

在保障装备装备时,训练使用、检修、加装改造等记录用传统手工操作,管理人员必须对进装备名称、随装配套类...

发表于 2018-08-03 15:36 89次阅读
关于嵌入式FIRD读写器内部数据的存储和管理研究...

关于在嵌入式项目中使用Linux的五大技巧详解

微控制器制造商的开发板,以及他们与开发板一起提供的软件项目例程,在工程师着手一个新设计时可以提供很大...

发表于 2018-08-03 15:23 170次阅读
关于在嵌入式项目中使用Linux的五大技巧详解

将嵌入式扩展技术系统应用于物流盘点PDA无线终端...

科学技术的进步带来了物流业的巨大变化,从机械化向自动化、智能化发展。我国物流业起步较晚,目前还处于人...

发表于 2018-08-03 15:15 148次阅读
将嵌入式扩展技术系统应用于物流盘点PDA无线终端...

用于管理文件方法和数据结构案例分析

文件系统是在存储设备中(SD Card、NAND Flash…)组织文件的方法和数据结构,用于管理文...

发表于 2018-08-03 09:28 1190次阅读
用于管理文件方法和数据结构案例分析

从嵌入式到android开发说不出的痛

再离开嵌入式开发之前,我参加了两个项目,一个做车联网的一个做智能监测的。但是当时整个团队的实力都较年...

发表于 2018-08-03 08:42 356次阅读
从嵌入式到android开发说不出的痛

ARM与嵌入式Linux入门的6个建议

也许你会注意到,现在做嵌入式的人中,做linux研究的人远比做WinCE的人多,很多产家提供的资料也...

发表于 2018-08-02 17:02 377次阅读
ARM与嵌入式Linux入门的6个建议

TI全系列嵌入式产品的阅览介绍

TI嵌入式产品总览

发表于 2018-08-02 00:36 300次阅读
TI全系列嵌入式产品的阅览介绍

嵌入式Linux OS启动流程

BootLoader是一段小程序,主要功能是引导操作系统启动。可以把它想象成PC机Linux上的GR...

发表于 2018-08-01 16:17 322次阅读
嵌入式Linux OS启动流程

关于IPSec网络安全协议在嵌入式系统中的应用与...

嵌入式网络技术是近几年随着计算机网络技术的普及和发展而发展起来的一项新兴概念和技术,它通过为现有嵌入...

发表于 2018-08-01 15:03 87次阅读
关于IPSec网络安全协议在嵌入式系统中的应用与...

基于ARM920处理器和嵌入式Linux操作系统...

GPS智能终端是智能交通系统(ITS系统)的重要组成部分,它将卫星定位技术(GPS)、地理信息系统(...

发表于 2018-08-01 14:55 384次阅读
基于ARM920处理器和嵌入式Linux操作系统...

NFC核心板为例讲述基于AWorks平台开发的具...

ZLG致远电子推出了一系列“MCU+无线”核心板,本文以NFC核心板为例讲述基于AWorks平台开发...

发表于 2018-08-01 10:23 806次阅读
NFC核心板为例讲述基于AWorks平台开发的具...

德国下萨克森州跟随慕尼黑计划从Linux转向Wi...

据外媒消息,德国下萨克森州计划跟随慕尼黑的脚步,将超过 13000 台工作站从 OpenSUSE 迁...

发表于 2018-07-31 16:58 282次阅读
德国下萨克森州跟随慕尼黑计划从Linux转向Wi...

Linux2.4.22 内核基础上的嵌入式闸门智...

闸门系统是水资源调度中重要的组成部分,国内目前多采用手动和部分电动的操作方式,真正实现闸门的智能控制...

发表于 2018-07-31 15:57 281次阅读
Linux2.4.22 内核基础上的嵌入式闸门智...

以嵌入式Linux为基础的机车状态实时检测系统设...

状态监测与故障诊断技术是现代工业技术发展的产物,已发展到了以专家系统、神经网络和模糊分析等理论为基础...

发表于 2018-07-31 15:48 175次阅读
以嵌入式Linux为基础的机车状态实时检测系统设...

基于嵌入式平台的Windows CE5.0的无线...

传统的视频监控系统主要以模拟信号监控系统和基于插卡的数字监控系统为主。其中模拟信号监控系统布线工程量...

发表于 2018-07-31 15:38 95次阅读
基于嵌入式平台的Windows CE5.0的无线...

赛普拉斯公布2018年第二季度财报 总营收再创新...

中国北京,2018年7月31日 - 全球领先的嵌入式解决方案供应商赛普拉斯半导体公司(纳斯达克代码:...

发表于 2018-07-31 10:20 1214次阅读
赛普拉斯公布2018年第二季度财报 总营收再创新...

嵌入式AI应用越来越流行 快速变成现实还需要一点...

现在,我们每天使用的很多设备都利用了神经网络技术:在智能手机中它们为照片搜索功能提供支持,还用于人脸...

发表于 2018-07-31 09:44 1024次阅读
嵌入式AI应用越来越流行 快速变成现实还需要一点...

SimpleLink低功耗无线MCU平台开发

无线连接是像智能灯泡、遥控装置、智能建筑传感器和执行器、智能电表、可穿戴设备(含健身设备)、安全报警...

发表于 2018-07-31 09:23 765次阅读
SimpleLink低功耗无线MCU平台开发

以ARM处理器为基础的以太网的嵌入式控制实现设计...

随着微电子技术和计算机技术的发展,嵌入式技术得到广阔的发展空间,特别是进入20世纪90年代以来,嵌入...

发表于 2018-07-30 15:20 126次阅读
以ARM处理器为基础的以太网的嵌入式控制实现设计...

基于嵌入式Linux框架下的的智能仪器触摸屏接口...

在现代化生产中, 为了确保机械设备安全可靠地运行, 通常要采用适宜的仪器仪表, 利用故障诊断技术及时...

发表于 2018-07-30 15:13 113次阅读
基于嵌入式Linux框架下的的智能仪器触摸屏接口...

嵌入式系统设计NI LabVIEW软件的十大特点

借助面向嵌入式系统设计的NI LabVIEW软件,用户无需编写连续多行文本,而是通过拖放式图标开发控...

发表于 2018-07-30 10:11 212次阅读
嵌入式系统设计NI LabVIEW软件的十大特点

嵌入式设计的图形化编程基础知识总结

假设某个机器控制系统用以控制直线台、旋转多轴、控制照明并读取视频数据;在这样一个系统中,则必须以确定...

发表于 2018-07-30 10:00 121次阅读
嵌入式设计的图形化编程基础知识总结

结合嵌入式技术搭建的人感系统的设计与实现过程详解

随着经济的飞速发展,各种各样的监控设备已经随处可见,在不同的领域中发挥着重要的作用。但是诸如保密室、...

发表于 2018-07-28 11:50 138次阅读
结合嵌入式技术搭建的人感系统的设计与实现过程详解

基于嵌入式环境的WiFi通信设计方案详解

嵌入式WiFi技术是当前无线网络应用的一个热点。本文介绍IEEE802.11b的基本技术,给出一种在...

发表于 2018-07-28 11:41 169次阅读
基于嵌入式环境的WiFi通信设计方案详解

Linux十个基础知识点分享

Linux是一套免费使用和自由传播的类Unix操作系统,是一个基于POSIX和UNIX的多用户、多任...

发表于 2018-07-28 10:23 380次阅读
Linux十个基础知识点分享

什么是僵尸进程_Linux僵尸进程可以被“杀死”...

首先要明确一点,僵尸进程的含义是:子进程已经死了,但是父进程还没有wait它的一个中间状态,这个时候...

发表于 2018-07-28 10:09 329次阅读
什么是僵尸进程_Linux僵尸进程可以被“杀死”...

LINUX是什么?

LINUX是一个免费类unix内核,适用于386-AT计算机,附带完整源代码。主要让黑客、计算机科学...

发表于 2018-07-28 08:53 389次阅读
LINUX是什么?

如何管理Linux 的内存分页?

内存是计算机的主存储器。内存为进程开辟出进程空间,让进程在其中保存数据。我将从内存的物理特性出发,深...

发表于 2018-07-28 08:24 536次阅读
如何管理Linux 的内存分页?

如何在 Linux 中使用一个命令升级所有软件

你无需运行每个包管理器来更新包。 topgrade 工具通过检测已安装的软件包、工具、插件并运行相应...

发表于 2018-07-28 08:20 394次阅读
如何在 Linux 中使用一个命令升级所有软件