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。