linux驱动开发.doc

Linux设备驱动程序是一组由内核中的相关子例程和数据组成的I/O设备软件接口，每当内核要对某个设备进行相关的操作时，调用相应的设备驱动程序与硬件通信。设备驱动程序把设备映射为一个特殊的设备文件，在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件(所有设备文件都在/dev目录下)，应用程序可以像操作普通文件一样对硬件设备进行操作，使用Open，Read等系统调用像操作普通文件一样操作设备文件。 Linux系统设备分成三种基本类型，字符类模块、块模块或者网路模块。每个模块通常实现其中的某一类。PCI设备驱动程序属于字符类模块，能够实现字节流式访问。Linux下的设备驱动程序可以按照两种方式进行编译和加载：直接静态编译成内核的一部分或者是编译成可以动态加载的模块。如果编译进内核的话，会增加内核的大小，还要改动内核源文件，不能动态地卸载，不利于调试，开发驱动选择加载模块方式。从本质上来讲，模块也是内核的一部分，它不同于普通的应用程序，不能调用位于用户态下的C或者C+库函数，而只能调用Linux内核提供的函数，在/proc/ksyms中可以查看到内核提供的所有函数。一、 PCI设备驱动模块编译、加载与卸载在构造内核模块之前，先查看内核文档目录中的Documentation/Changes文件列出需要的工具版本，确保系统中已经安装了正确的编程工具。编写Makefile文件实现模块编译，makefile在安装的模块目录中构造一个符号链接，指向内核的构造树，从而可以定位内核的源代码目录，然后调用make命令编译生成模块。ifneq ($(KERNELRELEASE),) /说明从内核构造系统调用obj-m := pcid.o /调用内建语句else /直接从命令行调用KERNELDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build /调用内核构造系统PWD: = $(shell pwd)default：$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules endif生成设备驱动目标模块后，使用命令insmod载入Linux内核，从而成为内核的一个组成部分，此时内核会调用模块中的函数init_module( )。当不需要该模块时，可以使用rmmod命令进行卸载，此时内核会调用模块中的函数cleanup_module( )。使用lsmod命令查看目前已经加载的模块以及正在使用该模块的用户数。驱动程序加载到内核当中后应该创建设备文件，mknod /dev/yourdevicename c major minor，在应用程序中可以按照文件操作使用驱动程序模块。其中，-c参数表示建立的是字符设备文件，-b参数表示建立的是块设备文件；主设备号可以通过查看/proc/devices文件得到；次设备号由用户自定义，用来区分同一类型的不同设备。建立设备文件后，应用程序就可以通过文件操作来访问设备驱动程序。删除设备文件使用rm /dev/设备命令。二、PCI设备探测、注册与移除在使用PCI设备之前，设备驱动程序需要检测设备、初始化设备并向内核注册该设备，该项工作一般是由设备初始化函数init _inti pci_init_module完成。PCI驱动程序提供struct pci_device_id结构体用与定义该驱动程序支持的不同类型的PCI设备列表，使用辅助宏PCI_DEVICE (VENDORID，DEVICEID)进行结构体初始化，建立仅和特定厂商及设备ID相匹配的PCI设备结构体，表示驱动程序可以支持该设备。PCI驱动程序创建struct pci_driver结构体向内核注册PCI驱动程序【41】，包括去除程序名字、pci_device_id表的指针、探测函数指针与移除函数指针。当驱动程序模块动态加载后，进入设备初始化函数调用函数pci_register_driver(&pdo)（pdo即被定义的pci_driver结构体）探测PCI设备。若系统中存在该设备调用probe探测函数初始化设备，通常是访问配置空间（配置寄存器访问）以及访问I/O和内存空间（空间申请、分配缓冲区）等操作。对驱动程序而言，对配置空间的访问至关重要，这是找到设备映射到内存和I/O空间的唯一途径。Linux提供了访问配置空间的标准接口，对于驱动程序而言，可通过8位、16位或32位的数据传输访问配置空间，相关函数原型定义在中：int pci_read-config_byte(word，dword) (struct pci_dev dev，int where，u8(16，32)，val) 函数访问dev标识的设备配置空间，where参数是从配置空间起始位置计算的字节偏移量，从配置空间获得的信息通过var指针返回，配置访问过程中struct pci_dev *dev结构体指针在文件include/linux/pci.h里，详细描述了PCI设备几乎所有的硬件信息，包括厂商ID、设备ID、各种资源等，在驱动程序中建立设备拓展信息结构体DevInfo，包含pci_dev结构体以及与DMA传输有关的信息。设备探测与初始化过程如图5-3所示：图5-3 设备探测与初始化Figure 5-3 Device Probing and Initializating设备初始化之后调用设备注册函数register_chrdev( )，注册本设备为字符设备，该函数的原型如下：int register_chrdev struct(unsigned int major，const char *name file_ operations *fop)；其中参数 major是指设备驱动程序所使用的主设备号，如果是0则表示由内核自动分配空闲的主设备号，name是设备名，向/proc/devices进行注册；fops是指向file_ operation结构的指针(在下面将会介绍)，定义了设备与驱动程序的通信方式方法。此函数的返回值就是主设备号，负数表示注册失败。当卸载驱动程序模块时，将调用remove( )函数将设备结构体从系统中移除，将驱动程序从内核中卸载。调用pci_cleanup_module函数，在该函数中调用设备函数unregister_chrdev( )注销设备，其两个参数分别是要释放的主设备号和相应的设备名。使用cat /proc/devices命令查看设备注册/移除信息。三、PCI设备驱动程序接口函数驱动程序分配设备编号之后，需要将驱动程序操作连接到该设备当中。内核使用file_operations结构访问驱动程序的函数。file_operations结构是一个定义在中的函数【41】，这个结构的每一个成员函数都对应着一个系统调用，用户进程利用系统调用对设备文件进行诸如read/write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，然后读取这个数据结构相应的函数指针，接着把控制权交给该函数。按照惯例，file_operations结构或指向这类结构的指针称为fops在register_chrdev调用中有一个参数就是fops。这个结构中的每一个字段都必须指向驱动程序中特定操作的函数，虽然在file_operations结构里包含了很多操作，但对于每一个具体的设备，只需要实现其中一部分操作。在本设计中，只需要实现read，write，open，release四个操作，声明方式如下，驱动程序通过调用这四个函数访问设备。file_operations fops=.owner= THIS_MODULE，.open= open，.read= read，.write= write，.release= release，；open函数主要实现申请中断、检查读写模式以及申请对设备的控制权等。在申请控制权的时候，非阻塞方式遇忙返回，否则进程主动接受调度，进入睡眠状态，等待其它进程释放对设备的控制权。open函数中有两个重要的数据结构：Struct file数据结构是是在中定义的内核结构，file结构代表一个打开的文件，包含被打开的文件的信息，主要用于与文件系统对应的设备驱动程序使用。在open函数中创建，并传递给在该文件上进行操作的所有函数，直到最后的关闭函数。在文件的所有实例都被关闭之后，内核会释放这个数据结构。inode结构是Linux管理文件系统中最基本单位，是Linux中的虚拟文件系统与下层模块对话的重要结构。文件系统由目录和文件构成，任何一个子目录、文件或设备在系统中都只能由唯一的inode描述，Inode参数与i_cdev参数包含需要的设备信息。当最后一个打开设备的用户进程执行 close ()系统调用时，内核将调用驱动程序的 release()函数，其主要任务是清理未结束的输入/输出操作、释放资源、用户自定义排他标志的复位等。当应用程序打开设备文件开始读时，系统将调用驱动程序的read函数，其原型为：ssize_t read(struct file *flip，char *buff， size_