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嵌入式系统软件开发技术 2006年6月23日 嵌入式系统 主要内容 n版级支持包 BSP n嵌入式系统初始化以及BSP的设计 nLinux系统驱动程序开发 n嵌入式联网 BSP的概念 nBSP全称“板级支持包”（Board Support Packages），说的简单一点，就 是一段启动代码，和计算机主板的 BIOS差不多，但提供的功能区别就相 差很大 n在Windows CE中，BSP是驱动程序、 OEM适应层（OEM Adaptation Layers， OAL）、硬件抽象层（HAL）以及启动 设备和使外设正常工作所需BIOS文件 的集合。 BSP和BIOS区别 nBIOS主要是负责在电脑开启时检测、初始化 系统设备（设置栈指针，中断分配，内存初 始化）、装入操作系统并调度操作系统向硬 件发出的指令。 nBSP是和操作系统绑在一起运行，尽管BSP的 开始部分和BIOS所做的工作类似，但是 BSP 还包含和系统有关的基本驱动 nBIOS程序是用户不能更改，编译编程的，只 能对参数进行修改设置，但是程序员还可以 编程修改BSP，在BSP中任意添加一些和系统 无关的驱动或程序，甚至可以把上层开发的 统统放到BSP中 不同系统中的BSP n一个嵌入式操作系统针对不同的CPU， 会有不同的BSP n即使同一种CPU，由于外设的一点差别 BSP相应的部分也不一样 BSP的特点与功能 n硬件相关性 n因为嵌入式实时系统的硬件环境具有应用 相关性，所以，作为高层软件与硬件之间 的接口，BSP必须为操作系统提供操作和 控制具体硬件的方法。 n操作系统相关性 n不同的操作系统具有各自的软件层次结构 ， 因此，不同的操作系统具有特定的硬件 接口形式 BSP的设计与实现 n为实现上述两部分功能，设计一个完整 的BSP需要完成两部分工作： n设计初始化过程，完成嵌入式系统的初始化； n设计硬件相关的设备驱动，完成操作系统及应 用程序对具体硬件的操作。 嵌入式系统初始化以及BSP的功能 n嵌入式系统的初始化过程是一个同时包括硬 件初始化和软件初始化的过程；而操作系统 启动以前的初始化操作是BSP的主要功能之一 n初始化过程总可以抽象为三个主要环境，按 照自底向上、从硬件到软件的次序依次为： n片级初始化 n板级初始化 n系统级初始化 初始化过程 n片级初始化： n主要完成CPU的初始化 n设置CPU的核心寄存器和控制寄存器 nCPU核心工作模式 nCPU的局部总线模式等 n片级初始化把CPU从上电时的缺省状态逐步设置 成为系统所要求的工作状态 n这是一个纯硬件的初始化过程 初始化过程（续1） n板级初始化： n完成CPU以外的其他硬件设备的初始化 n同时还要设置某些软件的数据结构和参数，为随 后的系统级初始化和应用程序的运行建立硬件和 软件环境 n这是一个同时包含软硬件两部分在内的初始化过 程 初始化过程（续2） n系统级初始化： n这是一个以软件初始化为主的过程，主要进行操 作系统初始化 nBSP将控制转交给操作系统，由操作系统进行余 下的初始化操作： n包括加载和初始化与硬件无关的设备驱动程序 n建立系统内存区 n加载并初始化其他系统软件模块（如网络系统、文件系 统等） n最后，操作系统创建应用程序环境并将控制转交给应用 程序的入口 硬件相关的设备驱动程序 nBSP另一个主要功能是硬件相关的设备驱动 n与初始化过程相反，硬件相关的设备驱动程序 的初始化和使用通常是一个从高层到底层的过 程 n尽管BSP中包含硬件相关的设备驱动程序，但 是这些设备驱动程序通常不直接由BSP使用 n而是在系统初始化过程中由BSP把它们与操作 系统中通用的设备驱动程序关联起来，并在随 后的应用中由通用的设备驱动程序调用，实现 对硬件设备的操作。 BSP开发的前提和步骤 n开发的前提 ： n熟悉硬件方面：使用CPU等 n熟悉工具方面：电表，示波器，逻辑分析 仪，硬件仿真器，仿真调试环境等 n语言方面：汇编语言，C语言 nBSP开发的一般步骤如下： n硬件主板研制，测试 n操作系统的选定，BSP编程 n上层应用程序的开发 编写BSP函数 nBSP对板卡中每个芯片的操作都通过多个函 数来完成 n如果应用程序对板卡的操作都直接通过调用 BSP中的函数来完成，那将很不利于源程序 的调试 ，并降低了程序的可移植性 n把能完成某个特定功能的函数封装在一个库 文件中，并放在应用程序与BSP之间 n对每个芯片来说，都应当有初始化函数和状 态读取函数 设计实现BSP的一般方法 nBSP的开发需要具备一定的硬件知识 n要求掌握操作系统所定义的BSP接口 n两种快捷方法 n以经典BSP为参考 n使用操作系统提供的BSP模板 n设计实现BSP两部分功能时应采用以下两种 不同方法 n“自底向上”地实现BSP中的初始化操作 n“自顶向下”地设计硬件相关的驱动程序 BSP设计方法的不足与改进 n目前BSP的设计与实现主要是针对某些特定 的文件进行修改 n直接修改相关文件容易造成代码的不一致性 ，增加软件设计上的隐形错误，从而增加系 统调试和代码维护的难度 n解决这个问题的一个可行办法是：设计实现 一种具有图形界面的BSP开发设计向导，由 该向导指导设计者逐步完成BSP的设计和开 发，并最终由向导生成相应的BSP文件，而 不再由设计人员直接对源文件进行修改。 Linux设备驱动程序及开发 Linux设备驱动程序概述 nLinux设备驱动程序是处理或操作硬件控制器的 软件，被集成在内核中，是常驻内存的低级硬 件处理程序的共享库，设备驱动程序是系统对 设备的抽象管理与控制。 nLinux允许设备驱动程序作为内核可加载模块实 现，即除了可以在系统启动时进行注册外，还 可以在启动后进行加载注册。 Linux驱动程序开发 n建立嵌入式Linux平台，移植和编写驱动程 序往往是最具挑战的工作 n驱动程序的开发周期一般较长，对产品的 面世时间有着重要影响 n驱动程序质量的好坏，直接关系到系统工 作效能和稳定性，对项目的成败起着关键 作用 设备驱动程序主要功能 n设备驱动程序主要完成如下功能： n检测设备和初始化设备 n使设备投入运行和退出服务 n从设备接收数据并提交给内核 n从内核接收数据送到设备 n检测和处理设备错误 Linux设备驱动程序分类 nLinux中所有设备被抽象出来，都看成文件 n设备的读写和普通文件一样 nLinux系统的设备分为如下三类： n字符设备(char device) n块设备(block device) n网络设备(network device) n字符设备是指存取时没有缓存的设备 n块设备的读写都有缓存来支持，且块设备必 须能够随机存取(random access) n网络设备在Linux里做专门的处理 Linux设备驱动程序分类 网络设备在Linux里做专门的处理 nLinux的网络系统主要是基于BSD unix的socket 机制。在系统和驱动程序之间定义有专门的 数据结构(sk_buff)进行数据的传递 n系统里支持对发送数据和接收数据的缓存， 提供流量控制机制，提供对多协议的支持 Linux设备驱动程序分类 n典型的字符设备包括鼠标，键盘，串行口等 n块设备主要包括硬盘、软盘设备、CD-ROM 等 n一个文件系统要安装进入操作系统必须在块 设备上 Linux驱动程序介绍 n嵌入式Linux驱动已经支持的设备门类齐全，已 成为其相对其他嵌入式操作系统的一大优势 n工业控制常用的串口，并口 n人机输入设备如鼠标、键盘，触摸屏 n彩色、黑白液晶显示输出 n网络的完善支持，包括tcp/ip，udp，firewall，WLAN ，ip forwarding，ipsec，vpn nUsb的全面支持，包括usb硬盘、u盘，usb摄像头 n支持丰富的文件系统，包括FAT32，NTFS 嵌入式设备框图 驱动程序的功用 1、驱动程序直接操控硬件 n收发通讯数据 n读写存储介质，比如flash或硬盘 n操作输出设备和执行机构，例如打印，开 关门禁等 驱动程序的功用（续） 2、驱动程序提供软件访问硬件的机制 n应用软件通过驱动程序安全高效的访问硬件 n驱动程序文件可以方便的提供访问权限控制 n驱动程序作为一个隔离的中间层软件，将底 层细节隐藏起来，提高了软件的可移植性 访问Linux设备驱动的方法 n设备提供dev文件系统节点和proc文 件系统节点 n应用程序通过dev文件节点访问驱动 程序 n应用程序通过proc文件节点可以查 询设备驱动的信息 驱动程序位置 n驱动程序位于drivers目录下 n通常驱动程序占kernel代码的50% nLinux设备驱动程序在Linux的内核源代码中占有很大的比 例，源代码的长度日益增加，主要是驱动程序的增加。 n在Linux内核的不断升级过程中，驱动程序的结构还是相 对稳定。 n在2.0.xx到2.2.xx的变动里，驱动程序的编写做了一些改变 ，但是从2.0.xx的驱动到2.2.xx的移植只需做少量的工作。 Linux驱动程序的特点 n嵌入式Linux驱动程序需求多样 n嵌入式设备硬件各异 n嵌入式计算平台往往资源有限，比如处 理速度、存储器容量、总线带宽、电池 容量等 n通常要求短的开发周期、压力大 n开发驱动程序需要丰富的专业知识，包 括 硬件和软件知识 嵌入式Linux驱动程序特点 n嵌入式系统硬件更新速度加快 n国际上大的嵌入式芯片提供商如Intel、 Samsung、Freescale、TI、ST每年都有大量新 品推出 n新的芯片功能总是需要相应的驱动程序支持 Linux驱动开发流程 n 熟悉设备的特性 n 确定设备驱动程序类别 n 编写测试用例 n 搜集可重用的代码 n 编写自己的驱动程序代码 n 编码、调试、测试 Linux驱动程序的开发环境 n本机编译调试 n开发环境配置简单 n无需网络环境 n适用于配置较高的x86机器 n主机+目标机 n主机可以自由选择Linux或Windows+Cygwin n主机和目标机通过网络共享文件系统 n内核崩溃不会影响主机 Linux驱动程序的开发环境（续） n主机+目标机环境包括 n主机运行的工具链cross gcc + glibc + gdb， 如果是windows主机还要有cygwin仿真环境 n主机运行远程服务，常用的有tftp用来传送内 核映像、initrd，NFS用来共享文件系统 n目标机运行ssh或telnet等远程登陆服务，用来 调试驱动程序 Linux驱动程序的加载方式 n驱动程序直接编译入内核 n驱动程序在内核启动时就已经在内存中 n可以保留专用存储器空间 n驱动程序以模块形式存储在文件系 统里，需要时动态载入内核 n驱动程序按需加载，不用时节省内存 n驱动程序相对独立于内核，升级灵活 Linux驱动程序模块加载 Linux驱动程序开发的任务 n规划硬件资源的使用 n分离硬件相关和硬件无关的代码 n划分驱动程序的抽象层次 n移植驱动程序到新的平台 Linux驱动程序开发的任务 n规划硬件资源的使用 nCPU时间片分配 n中断处理 n系统存储器空间映射 设备存储器的映射 Linux驱动程序开发的任务 n分离硬件相关和硬件无关的代码 n划分驱动程序的抽象层次 Linux驱动程序开发的任务 n移植驱动程序到新的平台 GPL对驱动程序开发的影响 n实现非GPL授权的方法模块形 式动态加载 n驱动程序可以以私有产权形式进行 商业授权 设备驱动程序的代码 n驱动程序的注册与注销 nregister_chrdev() nregister_blkdev() n设备的打开与释放 nopen() nrelease() n设备的读写操作 nread() nwrite() n设备的控制操作 nioctl() 设备驱动的加载 n使用模块的方式动态加载驱动 nint func_init(void) n Makefile: ninsmod xx.o nlsmod nrmmod xx.o n将驱动静态编译到内核里面 n int _init func_init(void) n Makefile: n启动时自动加载 Linux驱动程序模块加载 编写驱动程序的一些基本概念 n无论是什么操作系统的驱动程序，都有 一些通用的概念 n操作系统提供给驱动程序的支持也大致 相同 n以下简单介绍网络设备驱动程序的一些 基本要求 编写网络驱动程序 发送和接收 这是一个网络设备最基本的功能 n如一块网卡所做的无非就是收发工作。所以驱动程 序里要告诉系统发送函数在哪里，系统在有数据要 发送时就会调用发送程序。 n驱动程序由于是直接操纵硬件的，所以网络硬件有 数据收到，最先能得到这个数据的也就是驱动程序 ，它负责把这些原始数据进行必要的处理，然后送 给系统。 n这里，操作系统必须要提供两个机制： n找到驱动程序的发送函数 n驱动程序把收到的数据送给系统 编写驱动程序 n读写 n几乎所有设备都有输入和输出。每个驱动 程序要负责本设备的读写操作。 n操作系统不需要知道对设备的具体读写操 作怎样进行，这些都由驱动程序屏蔽掉了 n操作系统定义好一些读写接口，由驱动程 序完成具体的功能 n在驱动程序初始化时，需要把具有这种接 口的读写函数注册进操作系统 编写驱动程序 n中断 n中断在现代计算机结构中有重要的地位 n操作系统必须提供驱动程序响应中断的能力 n一般是把一个中断处理程序注册到系统中去 n操作系统在硬件中断发生后调用驱动程序的处理程 序 nLinux支持中断的共享，即多个设备共享一个中断 编写驱动程序 n时钟 n在实现驱动程序时，很多地方会用到时钟。如某些 协议里的超时处理，没有中断机制的硬件的轮询等 。 n操作系统应为驱动程序提供定时机制 n一般是在预定的时间过了以后回调注册的时钟函数 内核模块 n模块是内核的一部分，但是并没有被编译到 内核里去。它们被分别编译和连接成目标文 件。 n用命令insmod插入一个模块到内核中，用命 令rmmod卸载一个模块 n在Linux内核中，以下内容一般编译成模块： n大多数的驱动程序。包括SCSI设备，CD-ROM， 网络设备，不常用的字符设备，如打印机， watchdog等。 n大多数文件系统，理论上除了根文件系统不能是 模块，其他文件系统都可以是模块。 n一些内核支持的不常用的可执行文件格式，如 binfmt_misc。 kmod 和高级模块化 nLinux 提供了对模块自动加载和卸载的支持 n要利用这一特性，在编译内核前进行的配置 中，必须打开对 kmod 的支持选项。 n一旦内核试图访问某种资源并发现该资源不 可用时，它会对 kmod 子系统进行一次特殊 的调用而不仅仅是返回一个错误 n按需加载的例子 ：ALSA（Advanced Linux Sound Architecture）声卡驱动程序组的实现 常用的系统支持 n内存申请和释放 n中断 n时钟 nI/O n中断打开关闭 n输出信息 n注册驱动程序 内存申请和释放 ninclude/linux/kernel.h里声明了kmalloc()和 kfree()。用于在内核模式下申请和释放内 存。 n与用户模式下的malloc()不同，kmalloc()申 请空间有大小限制。长度是2的整次方。 可以申请的最大长度也有限制。另外 kmalloc()有priority参数 nKfree()释放的内存必须是kmalloc()申请的 申请中断和释放中断 nrequest_irq()、free_irq() 是驱动程序申请 中断和释放中断的调用。 n在include/linux/sched.h里声明 时钟 n时钟的处理类似中断，也是登记一个时 间处理函数，在预定的时间过后，系统 会调用这个函数。 n在include/linux/timer.h里声明 n使用时钟，先声明一个timer_list结构， 调用init_timer对它进行初始化。 Time_list结构里expires是标明这个时钟 的周期，单位采用jiffies的单位。 I/O nI/O端口的存取使用： ninline unsigned int inb(unsigned short port); ninline unsigned int inb_p(unsigned short port); ninline void outb(char value, unsigned short port); ninline void outb_p(char value, unsigned short port); n在include/adm/io.h里定义 中断打开关闭 n系统提供给驱动程序开放和关闭响应中 断的能力 n是在include/asm/system.h n#define cli() _asm_ _volatile_ (“cli“:) n#define sti() _asm_ _volatile_ (“sti“:) 输出信息 n驱动程序要输出信息使用printk() ninclude/linux/kernel.h里声明 注册驱动程序 n如果使用模块(module)方式加载驱动程 序，需要在模块初始化时把设备注册到 系统设备表里去 n不再使用时，把设备从系统中卸除 n定义在drivers/net/net_init.h里的两个函 数完成这个工作 nInt register_netdev(struct device *dev); nvoid unregister_netdev(struct device *dev); 网络驱动程序的结构 n所有的Linux网络驱动程序遵循通用的接口 n设计时采用的是面向对象的方法 n一个设备就是一个对象(device 结构)，它内部有自己的数 据和方法 n每一个设备的方法被调用时的第一个参数都是这个设备 对象本身。这样这个方法就可以存取自身的数据(类似面 向对象程序设计时的this引用) n一个网络设备最基本的方法有初始化、发送和接收 网络驱动程序的结构（续） n初始化程序完成硬件的初始化、device中变量的初始化 和系统资源的申请 n发送程序是在驱动程序的上层协议层有数据要发送时自 动调用的。一般驱动程序中不对发送数据进行缓存，而 是直接使用硬件的发送功能把数据发送出去 n接收数据一般是通过硬件中断来通知的。在中断处理程 序里，把硬件帧信息填入一个skbuff结构中，然后调用 netif_rx( )传递给上层处理 网络驱动程序的基本方法 n初始化(initialize) n打开(open) n关闭(stop ） n发送(hard_start_xmit) n接收(reception) n硬件帧头(hard_header) n地址解析(xarp) n参数设置和统计数据 网络驱动程序的基本方法-初始化 n驱动程序必须有一个初始化方法 n在把驱动程序载入系统的时候会调用这个初始化程序 。它做以下几方面的工作： n检测设备：在初始化程序里你可以根据硬件的特征 检查硬件是否存在，然后决定是否启动这个驱动程 序。 n配置和初始化硬件：在初始化程序里可以完成对硬 件资源的配置，比如即插即用的硬件就可以在这个 时候进行配置(Linux内核对PnP功能没有很好的支 持，可以在驱动程序里完成这个功能)。 n配置或协商好硬件占用的资源以后，就可以向系统 申请这些资源。有些资源是可以和别的设备共享的 ，如中断。有些是不能共享的，如IO、DMA。 n初始化device结构中的变量 n让硬件正式开始工作 网络驱动程序的基本方法打开 打开(open) open这个方法在网络设备驱动程序里是在网络设备被 激活的时候被调用(即设备状态由downup) n实际上很多在initialize中的工作可以放到这里来做。比 如资源的申请、硬件的激活。 n如果dev-open返回非0(error)，则硬件的状态还是down nopen方法另一个作用是如果驱动程序做为一个模块被 装入，则要防止模块卸载时设备处于打开状态。 n在open方法里要调用MOD_INC_USE_COUNT宏 网络驱动程序的基本方法关闭 关闭(stop) close方法做和open相反的工作。可以释放某些资源以 减少系统负担。 nclose是在设备状态由up转为down时被调用的 n如果是做为模块装入的驱动程序，close里 应该调用MOD_DEC_USE_COUNT，减少设备被引用 的次数，以使驱动程序可以被卸载。 nclose方法必须返回成功(0=success) 网络驱动程序的基本方法发送 发送(hard_start_xmit) 所有的网络设备驱动程序都必须有这个发送方法。 n在系统调用驱动程序的xmit时，发送的数据放在一个 sk_buff结构中。 n一般的驱动程序把数据传给硬件发出去。也有一些特殊 的设备比如loopback把数据组成一个接收数据再回送给 系统，或者 dummy设备直接丢弃数据。 n如果发送成功，hard_start_xmit方法里释放sk_buff，返回 0(发送成功) n如果设备暂时无法处理，比如硬件忙，则返回1。这时 如果dev-tbusy置为非0，则系统认为硬件忙，要等到 dev-tbusy置0以后才会再次发送。tbusy的置0任务一般 由中断完成。 网络驱动程序的基本方法发送（续） n硬件在发送结束后产生中断，这时可以把tbusy置0，然 后用mark_bh()调用通知系统可以再次发送。 n在发送不成功的情况下，也可以不置dev-tbusy为非0， 这样系统会不断尝试重发。 n如果hard_start_xmit发送不成功，则不要释放sk_buff。 n传送下来的sk_buff中的数据已经包含硬件需要的帧头。 所以在发送方法里不需要再填充硬件帧头，数据可以直 接提交给硬件发送。sk_buff是被锁住的(locked)， 确保其他程序不会存取它。 网络驱动程序的基本方法接收 接收(reception) 驱动程序并不存在一个接收方法。有数据收到 应该是驱动程序来通知系统的。 n一般设备收到数据后都会产生一个中断，在中 断处理程序中驱动程序申请一块sk_buff(skb)，从 硬件读出数据放置到申请好的缓冲区里。接下 来填充sk_buff中的一些信息。skb-dev = dev， 判断收到帧的协议类型，填入skb-protocol(多 协 议的支持)。 n把指针skb-mac.raw指向硬件数据然后丢弃硬件 帧头(skb_pull)。 网络驱动程序的基本方法接收（续） n还要 设置skb-pkt_type，标明第二层(链路层)数据类型。可以是 以下类型： PACKET_BROADCAST : 链路层广播 PACKET_MULTICAST : 链路层组播 PACKET_SELF : 发给自己的帧 PACKET_OTHERHOST : 发给别人的帧(监听模式时会有这 种帧) n最后调用netif_rx()把数据传送给协议层。netif_rx()里数据放 入处理队列然后返回，真正的处理是在中断返回以后，这 样可以减少中断时间。 n调用netif_rx()以后，驱动程序就不能再存取数据缓冲区skb 。 网络驱动程序的基本方法硬件帧头 n硬件一般都会在上层数据发送之前加上自己的硬 件帧头，比如以太网(Ethernet)就有14字节的帧头 。这个帧头是加在上层ip、ipx等数据包的前面的 。 n驱动程序提供一个hard_header方法，协议层(ip、 ipx、arp等)在发送数据之前会调用这段程序。 n硬件帧头的长度必须填在dev-hard_header_len，这 样协议层回在数据之前保留好硬件帧头的空间。 这样hard_header程序只要调用skb_push然后正确 填入硬件帧头就可以了。 网络驱动程序的基本方法硬件帧头（续1） n在协议层调用hard_header时，传送的参数包括(2.0.xx)： n数据的sk_buff ndevice指针 nProtocol n目的地址(daddr) n源地址(saddr) n数据长度(len) n数据长度不要使用sk_buff中的参数，因为调用 hard_header时数据可能还没完全组织好 nsaddr是NULL的话是使用缺省地址(default) ndaddr是NULL表明协议层不知道硬件目的地址 n如果hard_header完全填好了硬件帧头，则返回添加的字 节数。 网络驱动程序的基本方法硬件帧头（续2） n如果硬件帧头中的信息还不完全(比如daddr为NULL ，但是帧头中需要目的硬件地址。典型的情况是以 太网需要地址解析(arp)，则返回负字节数。 hard_header返回负数的情况下，协议层会做进一步的 build header的工作。 n目前Linux系统里就是做arp (如果hard_header返回正， dev-arp=1，表明不需要做arp，返回负，dev-arp=0 ，做arp)。 对hard_header的调用在每个协议层的处理程序里。如 ip_output。 网络驱动程序的基本方法地址解析 地址解析(xarp) 有些网络有硬件地址(比如Ethernet)，并且在发送硬 件帧时需要知道目的硬件地址。这样就需要上层协议 地址(ip、ipx)和硬件地址的对应。这个对应是通过地址 解析完成的。 n需要做arp的的设备在发送之前会调用驱动程序的 rebuild_header方法。调用的主要参数包括： n指向硬件帧头的指针 n协议层地址 n如果驱动程序能够解析硬件地址，就返回1，如果不能 ，返回0。 n对rebuild_header的调用在net/core/dev.c的 do_dev_queue_xmit()里。 网络驱动程序的基本方法参数设置和统计数据 参数设置和统计数据 在驱动程序里还提供一些方法供系统对设 备的参数进行设置和读取信息。 n一般只有超级用户(root)权限才能对设备参数 进行设置。 n设置方法有： ndev-set_mac_address() 当用户调用ioctl类型为SIOCSIFHWADDR时是要 设置这个设备的mac地址。一般对mac地址的设置 没有太大意义的。 网络驱动程序的基本方法参数设置和统计数据（续） ndev-set_config() 当用户调用ioctl时类型为SIOCSIFMAP时，系统会调用驱动程序的 set_config方法。用户会传递一个ifmap结构包含需要的I/O、中断等参 数。 ndev-do_ioctl() 如果用户调用ioctl时类型在SIOCDEVPRIVATE和 SIOCDEVPRIVATE+15之间，系统会调用驱动程序的这个方法。一 般是设置设备的专用数据。 读取信息也是通过ioctl调用进行。 n除次之外驱动程序还可以提供一个dev-get_stats方法，返回一个 enet_statistics结构，包含发送接收的统计信息。 nioctl的处理在net/core/dev.c的dev_ioctl()和dev_ifsioc()里 网络驱动程序中用到的数据结构 n最重要的是网络设备的数据结构。它定 义在include/linux/netdevice.h nsk_buff nLinux网络各层之间的数据传送都是通过 sk_buff 编写Linux网络驱动程序中需要注意的问题 n中断共享 n硬件发送忙时的处理 n流量控制(flow control) n调试 中断共享 nLinux系统运行几个设备共享同一个中断。需要共享 的话，在申请的时候指明共享方式。 n系统提供的request_irq()调用的定义： int request_irq(unsigned int irq, void (*handler)(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs), unsigned long irqflags, const char * devname, void *dev_id); n如果共享中断，irqflags设置SA_SHIRQ属性，这样就 允许别的设备申请同一个中断。需要注意所有用到 这个中断的设备在调用request_irq()都必须设置这个 属性。系统在回调每个中断处理程序时，可以用 dev_id这个参数找到相应的设备。一 般dev_id就设为 device结构本身。系统处理共享中断是用各自的 dev_id参数依次调用每一个中断处理程序。 硬件发送忙时的处理 n主CPU的处理能力一般比网络发送要快，所以经常会遇 到系统有数据要发，但上一包数据网络设备还没发送完 。因为在Linux里网络设备驱动程序一般不做数据缓存， 不能发送的数据都是通知系统发送不成功，所以必须要 有一个机制在硬件不忙时及时通知系统接着发送下面的 数据。 n一般对发送忙的处理在前面设备的发送方法 (hard_start_xmit)里已经描述过，即如果发送忙，置tbusy 为1。处理完发送数据后，在发送结束中断里清tbusy， 同时用mark_bh()调用通知系统继续发送。 但在具体实现驱动程序时发现，这样的处理系统好象并 不能及时地知道硬件已经空闲了，即在mark_bh()以后， 系统要等一段时间才会接着发送。造成发送效率很低。 n实现时不把tbusy置1，让系统始终认为硬件空闲，但是 报告发送不成功。系统会一直尝试重发。这样处理就运 行正常了。 流量控制 n网络数据的发送和接收都需要流量控制。这些控制是在系统里实 现的，不需要驱动程序做工作。 n每个设备数据结构里都有一个参数dev-tx_queue_len，这个参数 标明发送时最多缓存的数据包。在Linux系统里以太网设备 (10/100Mbps) tx_queue_len一般设置为100，串行线路(异步串口)为10。 n实际上，设置了dev-tx_queue_len并不是为缓存这些数据申请了 空间。这个参数只是在收到协议层的数据包时判断发送队列里的 数据是不是到了tx_queue_len的限度，以决定这一包数据加不加 进发送队列。发送时另一个方面的流控是更高层协议的发送窗口 (TCP协议里就有发送窗口)。 n达到了窗口大小，高层协议就不会再发送数据。 n接收流控也分两个层次。netif_rx()缓存的数据包有限制。另外高 层协议也会有一个最大的等待处理的数据量。 n发送和接收流控处理在net/core/dev.c的do_dev_queue_xmit()和 netif_rx() 中。 调试 n很多Linux的驱动程序都是编译进内核的，形成一个大的内核文件。但 对调试来说，这是相当麻烦的。调试驱动程序可以用module方式加载 。 n支持模块方式的驱动程序必须提供两个函数：int init_module(void)和 void cleanup_module(void)。 ninit_module()在加载此模块时调用，在这个函数里可以register_netdev() 注册设备。init_module()返回0表示成功，返回负表示失败。 ncleanup_module()在驱动程序被卸载时调用，清除占用的资源，调用 unregister_netdev()。 n模块可以动态地加载、卸载。在2.0.xx版本里，还有kerneld自动加载模 块，但是2.2.xx中已经取消了kerneld。手工加载使用insmod命令，卸载 用rmmod命令，看内核中的模块用lsmod命令。 n编译驱动程序用gcc，主要命令行参数-DKERNEL -DMODULE。并且 作为模块加载的驱动程序，只编译成obj形式(加-c参数)。编译好的目标 文件放在/lib/modules/2.x.xx/misc下，在启动文件里用insmod加载 Linux驱动程序可利用资源 互联网上有很多驱动程序资源： 驱动源代码 驱动源代码 驱动源代码 驱动源代码 驱动源代码 编译驱动程序 应用程序 编译应用程序 背景知识： Linux设备管理 主要内容 n概述 n驱动程序基础 n中断处理 n辅助函数 n设备驱动程序 n模块编程基础 n字符设备 n块设备 n网络设备 概述 n输入输出子系统： 下层：设备驱动程序 上层：设备无关部分VFS in Linux？ nUnix和Linux的设备管理方法： VFS 设备管理总体结构示意 用户程序 系统调用接口 文件系统高速缓存 字符设备块设备 驱动程序 硬件设备 输入输出系统层次结构 用户进程 设备无关软件 设备 驱动 程序 设备服务子程序 中断处理程序 硬件 I/O请求I/O应答 进行I/O调用； 格式化I/O 命名、保护、阻塞、缓 冲、分配 建立设备寄存器、检测 状态 I/O结束时，唤醒设备 服务子程序 执行I/O操作 驱动程序基础I/O空间 nLinux中的三种地址空间： CPU Untranslated Address CPU Translated Address Bus Address：一般PC机中是一组寄存器 命令more /proc/ioports n常见总线 ISA VESA EISA PCI 驱动程序基础命名空间 n并行设备：lp 软盘：fd SCSI盘：sd IDE硬盘：hda1, hda2, hdb等 网络设备：ethn, slipn, pppn等 n在写驱动程序的时候，需要给函数名加 上选择的前缀来避免任何混淆。如： foo_read()，foo_write()等。 驱动程序基础内存分配 n函数kmalloc() 内存以2的幂大小的块分配 有一个优先级参数 n宏kfree()和函数kfree_s() kfree()调用kfree_s()，和free()一样工作 可以直接调用kfree_s()，但是需要知道释放 内存块的大小 驱动程序基础设备分类 n字符设备：不使用缓冲区，顺序读 写 foo_read() struct wait_queue *next; ; 驱动程序基础设备文件 n设备管理的“上半部分” nStruct file结构 include/linux/fs.h n增加一个设备时需要用mknod命令为该 设备创建一个inode 驱动程序基础file_operations nlseek()：转到所需的偏移。 struct inode *inode 指向此设备inode结构的指针。 Struct file *file 指向此设备的文件结构的指针。 Off_t offset 要转移到的相对origin指示的基准的偏 移地址。 Int origin 0 = 采用相对于绝对地址0（开始）的偏移量。 1 = 采用相对于当前位置的偏移量。 2 = 采用相对于末尾的偏移量。 Lseek()在出错是返回出错码 errno，否则返回lseek 操作以后的绝对地址（=0）。 nread()和write() struct inode *inode：指向代表要访问的设 备的特殊文件的指针。 sturct file *file：指向该设备的文件结构 的指针。 Char *buf：一个读写的字符缓冲区。位于用 户空间内存中，可以用get_fs*()， put_fs*()和memcpy*fs()访问。 Int count：缓冲区中读或写的字符的计数。 它是buf的大小，也是知道怎样到达buf的末 尾的手段，因为buf是没有保证以NULL结尾的 。 nSelect() struct inode *inode：指向该设备的inode结 构的指针。 Struct file *file：指向设备的文件结构的指 针。 Int sel_type：可以执行的选择类型 SEL_IN read SEL_OUT write SEL_EX exception Select_table *wait 如果设备没有准备好，调用select_wait()，并 且返回0。 如果设备准备好，返回1。 nioctl()函数：处理ioctl调用。 结构：首先差错检查，然后用一个大的switch语句来 处理所有可能的ioct。 参数： Struct inode *inode Struct file *file Unsigned int cmd ：ioctl命令。一般用于做case语句 的switch参数。 Unsigned int arg 这是此命令的参数，由用户定义。 返回： 出错返回-error。 其他情况下返回由用户定义。 nmmap()函数 Struct inode *inode Struct file *file Unsigned long addr 需要映射进入的主存开始地址。 Size_t len 需要映射的存储空间长度。 Int prot 下面中的一个： PROT_READ 可以读的区域。 PROT_WRITE 可写的区域 PROT_EXEC 可执行的区域 PROT_NONE 不可访问的区域 Unsigned long off 需要映射的文件偏移地址。这个 地址将被映射到addr。 n open()和release()函数 Struct inode *inode 指向此设备的inode结构的指针 。 Struct file *file 指向此设备的文件结构的指针。 Open()在设备特殊文件打开时调用。是用来 保证一致性的策略机制。 Release()只在进程关闭它打开的最后一个文 件描述子的时候调用？ ninit()函数 内核第一次启动时调用： 在正确的位置调用init()： 字符设备drivers/char/mem.c中的 chr_dev_init() 把file_operation注册到VFS中： 对于字符设备register_chrdev() 打印关于设备的信息，并且报告找到的硬件 printk() 中断处理 n文件/proc/interrupts n函数request_irq() n函数free_irq() n睡眠与唤醒 n中断共享 nISR的上部和下部(bottomhalf) 辅助函数请求调度 nStatic void add_request(struct blk_dev_struct *dev， struct request * req) Static void end_request(struct blk_dev_struct *dev， struct request * req) static void make_request(int major, int rw, struct buffer_head *bh) void ll_rw_block(int rw, int nr, struct buffer_head *bh) make_request()调用add_request() ll_rw_block()对请求队列排序，只能通过buffer cache调用。 n电梯算法： 读在写前 低次设备号请求在高次设备号前 低块号在高块号前 drivers/block/ll_rw_block.c 辅助函数定时器管理 nvoid add_timer(struct timer_list * timer) void del_timer(struct timer_list * timer) void init_timer(struct timer_list * timer) nstruct timer_list 辅助函数中断管理 nextern int request_irq(unsigned int irq, void (*handler)(int, void*, struct pt_regs *), unsigned long flags, const char *device, void *dev_id); void free_irq(unsigned int irq) ncli() sti() 辅助函数端口读写 nvoid out*() unsigned char byte, unsigned port nunsigned in*() 参数：unsigned port *: b, w, l n用in*()来清空某些状态值？ 辅助函数内存管理 void brelse(struct buffer_head *buf); void ll_rw_block(int rw, int nr, struct buffer_head*bh)； 辅助函数其他 nint printk(const char* fmt, .) #include 在内核中打印信息，是printf的内核版本 可能导致隐含的I/O操作。不要在cli()保护的 代码段中使用，因为它可能导致开中断。 n一些与进程相关的系统调用 模块编程基础 n模块的基本概念： 可以动态的加载到内核中成为kernel的一部 分；加载后可以访问内核的数据结构； 用户空间的程序或进程可以通过某个模块和 内核交互。 nmodule在需要的时可通过符号表 (symbol table)使用核心资源。 n而且module一般需要调用核心的资源 ，所以必须注意module的版本和核心 的版本的相配问题。一般在module的 装入过程中检查module的版本信息。 模块之间的函数调用 内核可以使用其它模块或内核的函数，也可以export一 些函数供其他模块或内核使用。 模块栈：如果模块A使用了模块B的函数，那么B必须 在A之前加载，否则加载A的命令不成功。 模块可以使用的函数： 自身定义； 其他module提供； 内核提供 命令ksyms a：列出已经加载的模块的函数或变量。 Symbol table：记录module导出的函数或变量。 所有声明为global的函数或变量都意味着被导出，可以 被其他模块使用。 模块编程基础常用命令 nlsmod 把现在 kernel 中已经安装的modules 列出来 ninsmod 把某个 module 安装到 kernel 中。 nrmmod 把某个没在用的 module 从 kerne中卸载。 ndepmod 制造 module dependency file ，以告诉将来的 insmod 要去哪儿找modules 来安装。这个 dependency file放在 /lib/modules/当前kernel版本/modules.dep 。 模块基础装入 nInsmod命令 n内核kerneld守护进程(daemon)自动装入。 守护进程：在超级用户下运行的一个用户进程，与 核心建立一个IPC通道。 Kerneld调用insmod和rmmond来装入和移出模块。 kerneld装入的module,一般放在/lib/modules/kernel- version目录下。 ninsmod 命令调用sys_get_kernel_sys()系统 调用收集核心中所有符号来解决module中资 源引用问题。 模块基础装入 n符号表的记录有两个域：符号的名字（ symbol