Linux驱动程序设计.ppt

,122020.,教学内容,第一章嵌入式系统概述第二章学习板硬件及开发环境的建立第三章构建嵌入式Linux系统第四章嵌入式Linux设备驱动第五章嵌入式Linux串口和网络编程第六章嵌入式Linux图形编程,122020.,第四章嵌入式Linux驱动程序,4.1嵌入式Linux设备驱动简介4.2设备的分类及特点4.3构造和运行驱动程序模块,122020.,课程目标,掌握嵌入式Linux设备驱动程序的基本原理、架构和设计方法字符设备驱动块设备驱动网络设备驱动掌握Linux设备驱动开发中常用的机制和内核资源中断顶/底半部处理内核定时器和延时操作并发控制在内核中的应用内存管理和分配阻塞型I/O和非阻塞型I/O,122020.,本章目标,了解Linux设备驱动程序的基础知识掌握Linux驱动模块的构造和装载方法,122020.,本章结构,设备驱动程序简介,Linux驱动程序概述,设备驱动的HelloWorld模块,内核驱动模块和应用程序对比,编译和装载驱动模块,构造和运行模块,设备的分类和特点,字符设备,网络设备,块设备,驱动程序的作用,应用程序,驱动程序,操作系统,硬件设备,write,ioctl,read,ioctl,122020.,为什么要学嵌入式Linux驱动程序开发？,高需求内核代码的大部分新芯片、新设备高门槛需要具有硬件知识需要了解内核基础知识需要了解内核中的并发控制和同步复杂的软件结构框架高回报,122020.,4-1设备驱动程序简介,驱动程序的特点操控硬件，是应用程序和硬件设备之间的一个接口隐藏硬件细节，提高应用软件的可移植性提供安全性开发模式内核态驱动用户态驱动提供机制，而不是提供策略机制：驱动程序能实现什么功能策略：用户如何使用这些功能,内核态和用户态,大多数OS（包括Linux）把内核和运行在其上的应用程序分为两个层次管理，即用户态和内核态内核态有较高的权限，可以控制处理器内存的映射和分配方式等等对应于ARM的svc模式用户态：只能运行系统上的应用程序对应于ARM的usr模式内核态与用户态切换：可通过软件中断实现,内核态和用户态,驱动程序作为系统内核的一部分，其工作在内核态，而应用程序工作在用户态，即不能直接通过指针，把用户空间的数据地址传递给内核（MMU映射地址不一样）。需要经过转换，把用户态“看到的空间”转换成内核态可访问的地址。Linux系统提供了一系列方便的函数实现这种转换，如：_get_user、_put_user、_copy_from_user、_copy_to_user,122020.,4-2设备的分类和特点,设备分类字符设备(chardevice)块设备(blockdevice)网络设备(networkdevice),122020.,4-2设备的分类和特点,字符设备特点像字节流一样来存取的设备(如同文件)通过/dev下的文件系统结点来访问。通常至少需要实现open,close,read,和write等系统调用只能顺序访问数据通道，不能前后移动访问指针。特例:比如framebuffer设备就是这样的设备，应用程序可以使用mmap或lseek访问图像的各个区域,Linux内核结构,Linux内核结构,应用程序、库、内核、驱动程序的关系,openreadwriteioctl调用其他库函数,称为系统调用，执行swi指令进入内核,系统调用的异常处理,其他功能,物理设备控制器,物理设备,应用程序,库,其他库函数的实现,内核,openreadwriteioctl,驱动程序,4层软件关系说明,（1）应用程序使用库函数提供的open函数打开设备文件（2）库根据open函数传入的参数执行“swi”指令，引起CPU异常，进入内核（3）内核的异常处理函数根据这些参数找到相应的驱动程序，返回一个文件描述符给库，进而返回给应用程序（4）应用程序得到文件描述符后，使用库提供的write或ioclt函数发出控制命令（5）库根据write或ioclt函数传入的参数执行“swi”指令，这条指令会引起CPU异常，再次进入内核（6）内核的异常处理函数根据参数调用驱动程序的相关函数，控制硬件,122020.,4-2设备的分类和特点,块设备特点块设备通过位于/dev目录的文件系统结点来存取块设备和字符设备的区别仅仅在于内核内部管理数据的方式块设备有专门的接口，块设备的接口必须支持挂装（mount）文件系统。应用程序一般通过文件系统来访问块设备上的内容,122020.,4-2设备的分类和特点,网络设备特点通过单独的网络接口来访问任何一个网络事务都通过一个网络接口访问，即一个能够和其他主机交换数据的设备。网卡软件设备:环回接口（loopback）内核调用一套和数据包传输相关的函数,122020.,4-3构造和运行模块,驱动程序加入内核的方法把所有需要的功能都编译到内核中生成的内核镜像（Image）文件会很大如果我们要在现有的内核中新增或删除功能，将不得不重新编译和装载内核。,？,122020.,4-3驱动程序加入内核的方法,Linux提供了机制被称为模块（Module）的机制提供了对许多模块支持,包括但不限于,设备驱动每个模块由目标代码组成(没有连接成一个完整可执行程序)insmod将模块动态加载到正在运行内核rmmod程序移除模块,122020.,4.3.1设备驱动的HelloWorld模块,#include#includeMODULE_LICENSE(DualBSD/GPL);staticint_inithello_init(void)printk(KERN_ALERTHelloworldn);return0;staticvoid_exithello_exit(void)printk(KERN_ALERTHelloworldexitn);module_init(hello_init);module_exit(hello_exit);,自由许可证,模块卸载宏,用法类似于printf，但它有优先级(比如KERN_ALERT),模块初始化宏,宏，告诉内核这两个函数只会在加载和卸载模块时使用,打印调试printk,指示日志级别的宏KERN_EMERG用于紧急事件消息，一般是系统崩溃前提示KERN_ALERT用于需要立即采取动作KERN_CRIT临界状态，通常涉及到严重的硬件或软件操作失败KERN_ERR用于报告错误状态，设备驱动程序会经常使用其来报告来自硬件的问题KERN_WARNING用于对可能出现的问题进行警告KERN_NOTICE用于有必要进行提示的正常情况KERN_INFO提示性信息KERN_DEBUG用于调试信息,打印调试printk,每个宏表示一个中的整数（07），数值越小，优先级越高未指定优先级在内核2.6版本中就是KENR_WARNING,简单的内核模块编译（内核2.4）,编译内核模块#gccO-DMODULE-D_KERNEL_-chello.c-I/usr/src/linux/include(x86orARM?)生成hello.o加载内核模块：insmod#insmodhello.o#dmesgHello,world查看内核中使用的模块#lsmod|grephello卸载内核模块：rmmod#rmmodhello.o#dmesgGoodbyeworld,简单的内核模块编译（内核2.6）,obj-m:=led_drv.oKDIR:=/home/at9200/kernel/linux-2.6.38/PWD:=$(shellpwd)all:make-C$(KDIR)M=$(PWD)modulesclean:make-C$(KDIR)M=$(PWD)clean,Makefile文件内容,简单的内核模块编译（内核2.6）,obj-m:=led_drv.o表示编译后生成led_drv.ko模块$(KDIR)指定了target内核源码的路径，“M=”表示这是个外部模块，M=$(PWD)指定了该模块文件所在的路径。,简单的内核模块编译（内核2.6）,如果是多个源文件编译出一个模块，假设模块名是test.ko，那么源文件名不能有test.cobj-m:=test.otest-objs:=file1.ofile2.ofile3.oKDIR:=/home/at9200/kernel/linux-2.6.38/PWD:=$(shellpwd)all:make-C$(KDIR)M=$(PWD)modulesclean:make-C$(KDIR)M=$(PWD)clean,122020.,4.3.1设备驱动的HelloWorld模块,Linux内核模块的程序结构module_init()-模块加载函数（必须）通过insmod或modprobe命令加载内核模块时，模块的加载函数会自动被内核执行，完成模块的相关初始化工作module_exit()-模块卸载函数（必须）当通过rmmod命令卸载某模块时，模块的卸载函数会自动被内核执行，完成与模块装载函数相反的功能,122020.,4-3-1设备驱动的HelloWorld模块,MODULE_LICENSE()-模块许可证声明（必须）模块许可证（LICENSE）声明描述内核模块的许可权限如果不声明LICENSE,模块被加载时，将收到内核被污染（kerneltainted）的警告包括：“GPL”、“GPLv2”、“GPLandadditionalrights”、“DualBSD/GPL”、“DualMPI/GPL”、“Proprietary”,122020.,4-3-1设备驱动的HelloWorld模块,模块加载函数staticint_initinitialization_function(void)/*初始化代码*/module_init(initialization_function);,应当声明成静态的（static）,因为它们不会在特定文件之外可见,表明该函数只是在初始化时使用。模块加载器在模块加载后会丢掉这个初始化函数,这样可将该函数占用的内存释放出来，以作他用。原型：#define_init_attribute_(_section_(“.init.text”),定义会在模块目标代码中增加一个特殊的段,用于说明内核模块初始化函数所在的位置。没有这个定义,初始化函数不会被调用。,122020.,4-3-1设备驱动的HelloWorld模块,模块卸载函数staticvoid_exitcleanup_function(void)/*释放资源*/module_exit(cleanup_function);,在模块被移除前注销接口并释放所有所占用的系统资源,标识这个代码是只用于模块卸载(通过使编译器把它放在特殊的ELF段)原型：#define_exit_attribute_(_section_(“.exit.text”),122020.,4.3.1设备驱动的HelloWorld模块,#include#includeMODULE_LICENSE(DualBSD/GPL);staticint_inithello_init(void)printk(KERN_ALERTHelloworldn);return0;staticvoid_exithello_exit(void)printk(KERN_ALERTHelloworldexitn);module_init(hello_init);module_exit(hello_exit);,122020.,4-3-1设备驱动的HelloWorld模块,module_param()-模块参数（可选）模块参数是模块被加载的时候可以被传递给它的值，它本身对应模块内部的全局变量。,122020.,4-3-1设备驱动的HelloWorld模块,EXPORT_SYMBOL()-模块导出符号（可选）内核模块可以导出符号（symbol，对应于函数或变量）到内核其他模块可以使用本模块中的变量或函数其他一些声明MODULE_XXXXX()-模块声明（可选）,122020.,4.3.1设备驱动的HelloWorld模块,#include#includeMODULE_LICENSE(DualBSD/GPL);staticchar*whom=world;staticinthowmany=1;staticinthello_init(void)inti;for(i=0;ihowmany;i+)printk(KERN_ALERTHello%sn,whom);return0;staticvoidhello_exit(void)printk(KERN_ALERTHelloworldexitn);module_init(hello_init);module_exit(hello_exit);module_param(howmany,int,S_IRUGO);module_param(whom,charp,S_IRUGO);,module_param（参数名，参数类型，参数读/写权限）,122020.,4-3-1设备驱动的HelloWorld模块,module_param（参数名，参数类型，参数读/写权限）内核支持的模块参数类型包括：byte、short、ushort、int、uint、long、ulong、charp(字符指针)、bool以u开头的为无符号值。,staticchar*whom=world;staticinthowmany=1;module_param(howmany,int,S_IRUGO);module_param(whom,charp,S_IRUGO);,122020.,4-3-1设备驱动的HelloWorld模块,模块也可以拥有参数数组形式为“module_param_array（数组名，数组类型，数组长，参数读/写权限）”。运行insmod或modprobe命令时，应使用逗号分隔输入的数组元素装载模块时改变参数：可通过insmod或modprobeinsmodhello_ext.kohowmany=5whom=Studentsmodprobe也可以从它的配置文件(/etc/modprobe.conf)读取参数的值,122020.,4.3.1设备驱动的HelloWorld模块,模块导出符号EXPORT_SYMBOL(name);EXPORT_SYMBOL_GPL(name);,_GPL版本的宏定义的导出符号只能对GPL许可的模块可用,注：符号必须在模块文件的全局部分导出,不能在函数中导出,122020.,4.3.1设备驱动的HelloWorld模块,/hello.c#include#includeMODULE_LICENSE(GPL);MODULE_AUTHOR(DavidXie);MODULE_DESCRIPTION(HelloWorldModule);MODULE_ALIAS(asimplestmodule);externintadd_integar(inta,intb);externintsub_integar(inta,intb);staticint_inithello_init()intres_add=add_integar(1,2);printk(“res_add=%dn”,res_add);return0;staticvoid_exithello_exit()intres_sub=sub_integar(2,1);printk(“res_sub=%dn”,res_sub);module_init(hello_init);module_exit(hello_exit);,/calculate.c#include#includeMODULE_LICENSE(GPL);intadd_integar(inta,intb)returna+b;intsub_integar(inta,intb)returna-b;staticint_initsym_init()return0;staticvoid_exitsym_exit();module_init(sym_init);module_exit(sym_exit);EXPORT_SYMBOL(add_integar);EXPORT_SYMBOL(sub_integar);,122020.,4-3-1设备驱动的HelloWorld模块,模块声明与描述MODULE_AUTHOR(author);-声明模块的作者MODULE_DESCRIPTION(description);-声明模块的描述MODULE_VERSION(version_string);-声明模块的版本MODULE_DEVICE_TABLE(table_info);-声明模块的设备表MODULE_ALIAS(alternate_name);-声明模块的别名,122020.,4-3-1设备驱动的HelloWorld模块,模块的使用计数Linux2.4内核MOD_INC_USE_COUNT（加一计数）MOD_DEC_USE_COUNT（减一计数）Linux2.6内核中inttry_module_get(structmodule*module);voidmodule_put(structmodule*module);,在Linux2.6内核下，对于设备驱动工程师而言，很少需要亲自调用try_module_get()和module_put()，因为模块的计数管理由内核里更底层的代码（如总线驱动或是此类设备共用的核心模块）来实现，从而简化了设备驱动的开发,122020.,4-3-2内核驱动模块与应用程序对比,应用程序是一个进程编程从主函数main（）开始主函数main返回即是进程结束驱动程序是一系列内核函数驱动程序向内核添加了一些函数,是内核的一部分Open（）Release（）Read（）Write（）这些函数由内核在适当的时候来调用这些函数可以用来完成硬件访问等操作,122020.,4-3-3编译和装载驱动模块,structfile_operationsstructmodule*owner;loff_t(*llseek)(structfile*,loff_t,int);ssize_t(*read)(structfile*,char_user*,size_t,loff_t*);ssize_t(*write)(structfile*,constchar_user*,size_t,loff_t*);int(*readdir)(structfile*,void*,filldir_t);unsignedint(*poll)(structfile*,structpoll_table_struct*);long(*unlocked_ioctl)(structfile*,unsignedint,unsignedlong);long(*compat_ioctl)(structfile*,unsignedint,unsignedlong);int(*mmap)(structfile*,structvm_area_struct*);int(*open)(structinode*,structfile*);int(*release)(structinode*,structfile*);int(*fsync)(structfile*,intdatasync);int(*aio_fsync)(structkiocb*,intdatasync);int(*fasync)(int,structfil