内核和设备驱动编程.docx

内核和设备驱动编程一、 实验目的学习linux操作系统下内核程序的编写和应用；学习8255和8253等可编程芯片的编程控制方法； 实现通过控制8255和8253来控制主板的扬声器发声。二、 实验原理 1、定时器/计数器8253简介Intel8252是微计算机系统中常用的定时/计数器，作为系统的硬件时钟设备在系统，它的内部有3个完全独立的16位计数器，而且每个计数器又有6中工作方式，可按二进制或十进制计数，每个计数通道都可随时设置或改变计数初值。8253在系统中分配的端口地址为40H43H。读写操作其功能表如下：CSWRRDA1A0操 作PC机地址00100写入计数器0初值40H00101写入计数器1初值41H00110写入计数器2初值42H00111写控制字43H01000读计数器0当前计数值40H01001读计数器1当前计数值41H01010读计数器2当前计数值42H控制字控制每个计数器的工作方式和计数方式，控制字寄存器的信息只能写入，不能读出。如下表：D7D6D5D4D3D2D1D0计数器选择：00=计数器0，01=计数器1，10=计数器2，11=回读（8254）计数器读写方式：00=计数器锁存，01=仅读写低8位，10=仅读写高8位，11=先读写低8位 后读写高8位工作方式设置：000=方式0，001=方式1，010=方式2，011=方式3，100=方式4，101=方式5计数方式：0为二进制计数，计数范围为065535， 1=BCD方式，计数范围为0000H9999H，工作方式8253三个计数器均有六个不同的计数/计时方式，介绍如下： 方式0计数结束产生中断 方式1可编程单稳态输出方式 方式2频率发生器/分频器 方式3方波发生器 方式4软件触发的选通信号发生器 方式5硬件触发的选通信号发生器 PC中8253的作用早期PC机中，8253作为系统的硬件时钟设备。8253在系统中占用40H43H端口。三个定时器/计数器的时钟输入均为1.19MHz，各自承担以下功能： T/C0：系统的日时钟，初始化为工作方式3，计数初值为0 T/C1：动态存储器刷新时钟，初始化为工作方式2，计数初值为12H T/C2：控制系统的扬声器，产生声音信号。它的控制端GATE2和扬声器前均接有控制信号，这些控制信号来自可编程I/O接口芯片8255的PB0和PB1。8255的初始化已将B口设为方式0输出。显然，T/C0和T/C1在系统中的作用比较重要，随意改动会导致系统错乱甚至崩溃。本次实验即控制T/C2，通过控制它来控制扬声器发声。较新的PC中已经不存在独立的8253等芯片，而是把它们集成在一块芯片中，但其控制方式在程序员看来仍然和控制独立芯片一样。2、 可编程并行接口8255A简介并行接口可分为硬线连接接口和可编程接口：硬线连接接口是直接使用导线将外设连接到主机，其工作方式和接口功能不能通过软件编程来实现；若可通过编程来实现，则就是可编程并行接口，如常用的8255。Intel8255A是一种通用的可编程并行I/O接口芯片，他有三个输入输出接口A口、B口和C口。8253的初始化已将A口设置为键盘输入端口，B口设置为方式0输出，本实验主要通过8255A的B口的低两位PB0和PB1来控制8253和扬声器的开关。个人计算机为8255A分配的端口为60H63H。 控制字用于控制8255A各个端口的工作方式和端口的输入/输出，具体如下D7D6D5D4D3D2D1D01A口方式A口C口74B口方式B口C口30特征位00=0方式01=1方式02=2方式0=输出1=输入0=输出1=输入0=0方式1=1方式0=输出1=输入0=输出1=输入工作方式可编程并行接口芯片有三种工作方式，可适用于CPU和I/O接口的多种数据传送方式。具体如下：方式0基本的输入/输出方式方式1选通输入输出方式方式2双向传输方式PC端口，当工作在方式1、2时，部分引线分配为专用联络信号。 音符和频率的对应表：音阶1234567低音131147165175196220247中音262294330370392440494高音5235876596987848809873、内部电路原理图如上图所示，8253通道2的计数由8255A的PB0控制，当PB0输出高电平时，使门控GATE2为高电平。此时，8253通道2允许计数，故通道2的输出方波受PB0的控制，从而可控制扬声器的音调高低。通道2的输出能否对扬声器产生持续控制还决定于8255A的PB1，当PB1为“0”时，OUT2不能通过“与门”；反之，则可通过“与门”来控制扬声器。所以，扬声器发音时间的长短取决于8255A的PB1信号。另外，CPU可通过读8255A的C口，得知8253通道2的状态和扬声器驱动器的状态。三、 实验过程1、 驱动模块编写初始化函数init_module（） 初始化函数在模块被装入内核时调用，主要负责注册设备，分配io口资源等工作。int init_module(void)int ret;ret=register_chrdev(MAJOR,NAME,&fops);if(ret0) printk（”register error!”）; return -1; return SUCCESS;register_chrdev(unsigned int major,const char *name,struct file_operations *fops)函数是为了向内核注册一个设备，其中major是被请求的主设备号，name是设备名称，fops是指向接口定义函数指针数组的指针，用于告诉内核可以对本设备进行什么操作。返回值为负表示错误，0或正值表示成功。本次MAJOR和NAME是宏，这里分别为222，和“8253”。从系统中删除设备驱动程序从系统中卸载模块时需要释放主设备号，释放在初始化函数中申请的资源等。程序如下： void cleanup_module(void)unregister_chrdev(MAJOR,NAME);printk(“byebye8253”);本实验由于io口都是固定的，不需要申请额外资源，故只需要调用unregister_chrdev（）函数进行释放主设备号即可。以上是设备驱动模块最基本的两个函数，分别在将模块注入内核和卸载模块时调用。我们知道：用户程序是通过设备文件同硬件打交道，对设备文件的操作基本如同对普通文件操作一样，主要用到的函数有：open，read，write，close等，当然对io口操作少不了ioctl函数，因为此函数可以方便的提供对各种各样的硬件设备控制能力。而这些函数都对应着一个系统调用。当用户进程利用系统调用在对设备文件进行诸如open操作时，系统调用通过设备文件的主设备号找到相应的设备驱动程序，然后读取file_operations结构体中相应的函数指针，接着把控制权交给该函数（例如本实验中用户程序对应驱动程序中的dopen（）函数）。这是linux的设备驱动程序工作的基本原理。故编写设备驱动程序的主要工作就是编写子函数，并填充file_operations的各个元素。分析本次实验需要实现的功能：1， 对8253进行初始化；2， 在用户程序改变声音频率时要改变8253的初值；3， 要往8255中写入输出信号（实际上是用来控制8253和扬声器的）；可以发现，此次实验不需要从io口中读取数值，只需要写入控制字和频率等就可以了。往设备文件中写入数值，write和ioctl函数都可以，而以上任务需要分开执行，故用ioctl函数更好。当然，对于本次实验，write函数也完全满足要求，因为函数的功能基本完全在于函数的内容是为了实现什么。open函数open函数用来打开一个设备，在该函数中可以对设备进行初始化。如果该函数被赋为NULL，则打开设备会用永远成功，并不会对设备产生影响。故在open函数中可以什么都不做。当然为了防止设备被重复打开，需要进行对打开次数计数。open函数如下：static int dopen(struct inode *inode,struct file *file) if(Device_Open)printk(“8253 is busy”);return -EBUSY; Device_Open+; return SUCCESS;EBUSY为定义在include/asm-generic/errno-base.h中的宏定义，其值为16，至于返回-EBUSY，我认为应该就是看到负值就知道是出错了，然后可以根据绝对值来判断是什么地方出错。release函数release函数用于释放open函数中申请的资源，将在文件引用计数为0时，被系统调用，其对应应用程序中的close函数，但并不是每一次close系统调用都会引起release函数的调用。只有那些真正释放设备数据结构的close系统调用才会引起release函数的调用。因为Linux内核为每个file结构体维护其被引用多少次的计数器，只有当file结构体的计数器归0时，close系统调用才会引用release函数，这只在删除这个结构时才会发生，因此每次open驱动程序都只会看到一次对应的一次release调用。本实验没有申请io资源，故只需要关掉扬声器即可，方法是让8255送出0x00，禁止与门和定时器即可static int dclose(struct inode *inode,struct file *file)Device_Open-; outb_p(0,0x61); return SUCCESS;ioctl函数ioctl函数是本驱动程序中最重要的函数，因为对8253的控制基本全由ioctl函数实现。int dioctl(struct inode *inode,struct file *file,unsigned int cmd,unsigned long arg)int freq_low,freq_high;switch(cmd)case INIT : outb_p(0xb6,0x43);break; case START: outb_p(0x03,0x61);break; case FRE : freq_low = arg& 0x00ff;/得到低八位 freq_high =arg 8;/ outb_p(freq_low,0x42); outb_p(freq_high,0x42); break;case STOP : outb_p(0x00,0x61);break; default: break;INIT，START,FRE和STOP是宏定义，分别为1,2,3,4。其中INIT命令是为了初始化8253控制字，通过对8253控制字分析可知要写入10110110，表示用计数器2，并且计数值高低位都要写入，工作在方式3，用二进制方法计数，之所以用二进制计数是因为二进制最大可到65535，而BCD计数只能计到9999，使用二进制可有较大范围频率选择。由于8253工作方式3是高电平触发，所以要有START和STOP命令，分别用于启动8253（即使gate信号为高电平，打开与门）和关闭8253（使gate信号为低电平和关掉与门）。还要有一个FRE命令实现频率参数传递。ioctl第三个参数arg表示频率，由于对io口操作最多为8位，故需要将arg分为低八位和高八位来写入0x42地址。写入函数用类汇编语句outb_p(arg1,arg2),其中arg1 表示要写入的参数，arg2表示要写入的地址。以上就是控制8253需要的使用的函数，当然要想实现系统调用，需要将以上函数与file_operations中的成员相对应，从而控制硬件。定义过程过程如下struct file_operations fops=open:dopen,release:dclose,ioctl:dioctl, ;当然，上面的对应关系也可以使用如“.open=dopen”的格式实现。2，用户程序编写 用户程序相对比较简单，只要打开设备，并用ioctl函数实现开始，输入频率，关闭等，即可。因为驱动设计的是传入与频率相对应的定时器初值，故需要将频率转化成相应的定时器初值，根据音符和频率的对应表算出的对应定时器初值（二进制）如下（只计算了高阶的七个音符）音符1234567对应初值0x08e30x07e80x070d0x06a80x05ed0x05480x0485只要先实现让8253发声即完成了本次实验的大部分功能。最初主函数如下：int main() int fd; fd=open(./8253,O_RDWR);/打开设备，假设8253设备就在当前目录中 ioctl(fd,INIT,0); /初始化 ioctl（fd,FRE,0x07e8）;/传入频率 ioctl(fd,START,0);/打开 sleep(1);/响一秒的时间 ioctl(fd,STOP,0);/关闭 close(fd);/关闭设备 return 0;其中FRE，START等命令如同设备驱动程序中的宏定义一样。3， 编译程序首先编译驱动模块，使用Makefile文件，Makefile如下：KSRC = /lib/modules/uname -r/buildPWD = $(shell pwd)obj-m = 8253_drive.odefault:$(MAKE) -C $(KSRC) SUBDIRS=$(PWD) modulesclean:$(MAKE) -C $(KSRC) SUBDIRS=$(PWD) clean 执行make命令，生成驱动模块8253_drive.ko及一些中间文件。4， 加载驱动模块执行命令/sbin/insmod 8253_drive.ko然后执行lsmod可以看到8253_drive被加入到内核中，且被调用次数为0。证明加载成功。5， 创建设备节点执行mknod 8253 c 222 0 m 666生成字符设备文件8253，其主设备号为222，此设备号为0，所有用户都可读可写。6， 编译用户程序执行gcc o 8 8253_app.c生成可执行文件8；执行./8可以听到发出高音“1”，响一秒后结束。7， 修改用户程序，实现播出一段音乐的功能。在验证驱动可以工作后再实现此功能就比较简单，首先根据算出与频率相对应的计数器初值定义出七个音阶，unsigned int freq =0x08e3,0x07e8,0x070d,0x06a8,0x05ed,0x0548,0x0485;再根据乐谱写出谱unsigned char music =5,3,5,1,0,6,1,5,0,5,1,2,3,2,1,2,0,0,0,5,3,5,1,7,6,1,5,0,5,2,3,4,7,1,0,0,0,6,1,1,0,7,6,7,1,0,6,1,6,3,1,0,0,0;然后主程序如下： fd=open(./8253,O_RDWR); ioctl(fd,INIT,0); ioctl(fd,START,0); for(n=0;musicn!=0;n+) ioctl(fd,STOP,0); switch(musicn) case 1: ioctl(fd,FRE,freq0);break; case 2: ioctl(fd, FRE,freq1);break; case 3: ioctl(fd, FRE,freq2);break; case 4: ioctl(fd, FRE,freq3);break; case 5: ioctl(fd, FRE,freq4);break; case 6: ioctl(fd, FRE,freq5);break; case 7: ioctl(fd, FRE freq6);break; default : break; usleep(900000); ioctl(fd,STOP,0); close(fd); return 0;编译后执行，虽然乐谱是按照下面的写出来到，但实际的声音并不像是送别的声音，可能是对乐谱不太理解，并且每个声音响的时间都一样，这与乐谱不符。由于乐谱共有几十个节拍，时间较长，如果在响的过程中按Ctrl+c，很可能会导致扬声器一直按照同