ARM教材-第8章 嵌入式设备驱动

1、嵌入式设备驱动陈文智 浙江大学计算机学院2019年4月提纲l1、Linux下设备驱动程序简介 l2、设备驱动程序结构 l3、设备驱动实验l实验一：编写一个简单的驱动程序 l实验二：设计和实现一个KED&LED驱动程序 l实验三：静态编译驱动程序，连接到内核 l实验四：使用中断方式的驱动程序设计 1、Linux下设备驱动程序简介l系统调用是操作系统内核和应用程序之间的接口 l设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间的接口 lLinux设备驱动的特点是可以以模块的形式加载各种设备类型 l因为嵌入式设备往往具有大量的独有外设，开发人员需要把很多精力放在设备驱

2、动方面 1.1 Linux设备的分类 l字符设备l以字节为单位逐个进行I/O操作 l字符设备中的缓存是可有可无 l不支持随机访问 l如串口设备/dev/cua0和/dev/cua1 l块设备 l块设备的存取是通过buffer、cache来进行 l可以进行随机访问 l例如IDE硬盘设备/dev/hda l可以支持可安装文件系统l网络设备 l通过BSD套接口访问 1.2 Linux设备文件 lLinux抽象了对硬件的处理，所有的硬件设备都可以作为普通文件一样来看待 l可以使用和操作文件相同的、标准的系统调用接口来完成打开、关闭、读写和I/O控制操作 l对用户来说，设备文件与普通文件并无区别 1.3

3、 主设备号和次设备号 l主设备号：标识该设备的种类，也标识了该设备所使用的驱动程序l次设备号：标识使用同一设备驱动程序的不同硬件设备 l所有已经注册即已经加载了驱动程序的硬件设备的主设备号可以从/proc/devices文件中得到 l rootwzchent# mknod /dev/lp0 c 6 01.4 Linux设备驱动代码的分布 l/block l/char l/cdrom l/pci l/scsi l/net l/sound l注：IDE接口的CD驱动位于drivers/block/ide-cd.c中，而SCSI CD驱动位于drivers/scsi/scsi.c中 1.5 Linu

4、x设备驱动程序的特点 l设备驱动是内核的一部分，影响内核稳定l为内核或其从属子系统提供一个标准接口l使用标准的内核服务如内存分配、中断和等待队列等 l大多数Linux设备驱动可以动态可加载 lLinux设备驱动程序可配置 l驱动程序维护其控制的设备，该设备即使不存在也不影响系统的运行，此时设备驱动只是占用少量系统内存，不会对系统造成什么危害 2、设备驱动程序结构 lLinux的设备驱动程序与外界的接口可以分成三部分：l与操作系统内核的接口 l与系统引导的接口 l与设备的接口 lLinux设备驱动程序的代码结构大致可以分为如下几个部分：l驱动程序的注册与注销、设备的打开与释放、设备的读写操作、设

5、备的控制操作、设备的中断和轮询处理。 2.1驱动程序的注册与注销 l注册 lregister_chrdev( )；/在fs/devices.clregister_blkdev( )；/在fs/block_dev.cl注销 lunregister_chrdev( ) lunregister_blkdev( ) 2.2 翻开、释放、读、写、控制等struct file_operations struct module *owner; loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int); ssize_t (*read) (struct file *, char

6、 *, size_t, loff_t *); ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *); int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t); unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *); int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long); int (*mmap) (struct

7、 file *, struct vm_area_struct *); int (*open) (struct inode *, struct file *); int (*flush) (struct file *); int (*release) (struct inode *, struct file *); int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync); int (*fasync) (int, struct file *, int); int (*lock) (struct file *, int, struct

8、file_lock *); ssize_t (*readv) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *); ssize_t (*writev) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *); ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int); unsigned long (*get_unmapped_area)(struct f

9、ile *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);lLinux内核将通过file_operations结构访问驱动程序提供的函数 l字符设备的读写直接使用函数read( )和write( ) l块设备需要调用函数block_read( )和block_write( ) lioctl( )的用法与具体设备密切关联，因此需要根据设备的实际情况进行具体分析 2.3 设备的轮询和中断处理 l轮询l内核定期对设备的状态进行查询 l消耗不少的内核资源 l如果设备驱动被连接进入内核，这时使用轮询方式将会带来灾难性的后果 l中

10、断l设备驱动向内核注册其使用的中断 l内核负责把硬件产生的中断传递给相应的设备驱动 l设备驱动在其中断处理过程中做得越少越好 l问题：l如何查看设备驱动所对应的中断号及类型 ？3、设备驱动试验l实验一：编写一个简单的驱动程序 l实验二：设计和实现一个KED&LED实验 l实验三：动态加载和静态编译驱动到内核 l实验四：使用中断方式的驱动程序设计 实验一：编写简单的驱动程序1）l1) 任务：l 在XSBase开发板上编写一个简单的字符设备驱动程序。该字符设备具备4个基本操作：xsbase_open()、xsbase_write()、 xsbase_read() 、xsbase_relea

11、se()，实现向这个新建的字符设备先写入一些数据，然后再从这个设备中读取这些数据。 实验一：编写简单的驱动程序2）l2)主要数据结构和全局变量 l系统fs/devices.c的struc device_struct结构 l创建一个xsbase.c文件，其中包含一些必要的头文件、宏和全局变量 struct device_struct const char * name; struct file_operations * fops;static struct device_struct chrdevsMAX_CHRDEV;实验一：编写简单的驱动程序3）l主要接口函数 lfile_operation

12、s 结构的实例 l注：这种结构的声明方法是一种标记化格式声明，便于移植。 static struct file_operations chr_fops = read: xsbase_read, write: xsbase_write, open: xsbase_open, release: xsbase_release,;实验一：编写简单的驱动程序4）lxsbase_open()和xsbase_release() static int xsbase_open(struct inode *inode, struct file *file) MOD_INC_USE_COUNT; printk(Th

13、is chrdev is opened!n); return 0;static int xsbase_release(struct inode *inode, struct file *file) MOD_DEC_USE_COUNT; printk(this chrdev is released!n); return 0;实验一：编写简单的驱动程序5）lxsbase_read() static ssize_t xsbase_read(struct file *file, char *buf, size_t count, loff_t *f_pos) int len; if(count 0) r

14、eturn -EINVAL; len = strlen(data); if(len count) count = len; copy_to_user(buf, data, count+1); return count;实验一：编写简单的驱动程序6）lxsbase_write() static ssize_t xsbase_write( struct file *file, const char *buffer, size_t count, loff_t *f_pos) if(count 0) return -EINVAL; kfree(data); data = (char *)kmalloc

15、(sizeof(char)*(count+1), GFP_KERNEL); if(!data) return -ENOMEM; copy_from_user(data, buffer, count+1); return count;实验一：编写简单的驱动程序7）l3)模块加载:是两种将驱动加入内核的方式之一l编写init_module()llres = register_chrdev(0, xsbase, &chr_fops); llif(xsbase_major = 0)l xsbase_major = res;l编写cleanup_module() llunregister_chr

16、dev(xsbase_major, xsbase);l实验一：编写简单的驱动程序8）l4)驱动安装过程l新建xsbase.c文件，实现主要数据结构和函数接口。l编译生成xsbase.ol把目标文件加载到内核 l在Minicom中使用ZMODEM协议发送文件l执行$ arm-linux-gcc xsbase.c I /usr/src/xscale-linux/include c xsbase.c D_KERNEL_ -DMODULE$ insmod f xsbase.o实验一：编写简单的驱动程序9）l创建一个设备文件 l测试lOVER$ mknod /dev/xsbase c major min

17、or实验二：编写KED&LED驱动1）l在这个实验中，通过设计和实现一个KED&LED驱动程序，来控制目标板上的一组LED灯，在安装完驱动后，运行测试程序，就能点亮LED灯。 实验二：编写KED&LED驱动2）#define EXT_KEY_CS EXT_PORT2#define EXT_LED_CS EXT_PORT3void led_off_on()int i;EXT_LED_CS = 0 xff;for(i =0 ; i8;+i)EXT_LED_CS = (1 i) & 0 xff);udelay(30000);EXT_LED_CS = 0 xff;实验三

18、：静态编译驱动到内核1） l在确定自己代码位置的前提下，建立自己的源码目录、文件、Makefile、Config.in等。 l修改上层的config.in文件，把自己的驱动加入到内核配置系统中。 l修改上层Makefile，把自己的程序加入到内核编译系统中。 l确保自己的初始化函数被调用。 ldrivers/char/mem.c中的chr_dev_init() 或drivers/block/ll_rw_blk.c中的blk_dev_init() l用宏module_init来申明你的初始化函数 实验三：静态编译驱动到内核2）l驱动位置和目录结构 $ cd drivers/xsbase$ tre

19、e .|- Config.in|- Makefile|- xsbase.c- xsbase_test.c实验三：静态编译驱动到内核3）l修改配置文件 l1drivers/xsbase/Config.in # XSBASE driver configurationmainmenu_option next_commentcomment XSBASE Driverbool XSBASE support CONFIG_XSBASEif $CONFIG_XSBASE = y ; then tristate TEST user-space interface CONFIG_TEST_USER bool T

20、EST CPU CONFIG_TEST_CPUfiendmenu实验三：静态编译驱动到内核4）l2） arch/arm/config.in l编写Makefile l1drivers/xsbase/Makefile source drivers/xsbase/Config.inL_TARGET := test.aexport-objs := test.oobj-$(CONFIG_TEST) += test.oinclude $(TOPDIR)/Rules.makeclean:rm -f *.oa .*.flags实验三：静态编译驱动到内核5）l2drivers/Makefile l3Makef

21、ilesubdir-$(CONFIG_MMC) += mmcsubdir-$(CONFIG_XSBASE) += xsbaseinclude $(TOPDIR)/Rules.makeDRIVERS-$(CONFIG_PLD) += drivers/pld/pld.oDRIVERS-$(CONFIG_MMC) += drivers/mmc/mmcdrivers.oDRIVERS-$(CONFIG_XSBASE) += drivers/xsbase/xsbase.oDRIVERS := $(DRIVERS-y)实验四：中断方式的驱动程序1） l注册中断处理程序 l什么叫中断信号线IRQ号）？l何时

22、请求IRQ号更合适？l初始化时l设备第一次打开时 int request_irq(unsigned int irq, void (*handler)(int, void *, struct pt_regs *), unsigned long flags, const char *dev_name, void *dev_id);void free_irq(unsigned int irq, void *dev_id);实验四：中断方式的驱动程序2）l编写中断处理程序 static void rtc_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *

23、regs) spin_lock (&rtc_lock); rtc_irq_data += 0 x100; rtc_irq_data &= 0 xff; rtc_irq_data |= (CMOS_READ(RTC_INTR_FLAGS) & 0 xF0); if (rtc_status & RTC_TIMER_ON) mod_timer(&rtc_irq_timer, jiffies + HZ/rtc_freq + 2*HZ/100); spin_unlock (&rtc_lock); wake_up_interruptible(&rtc

24、_wait); kill_fasync (&rtc_async_queue, SIGIO, POLL_IN);实验四：中断方式的驱动程序3）l中断处理机制的实现 实验四：中断方式的驱动程序4）l中断控制l 这些函数更新可编程中断控制器PIC中指定中断的掩码，因而，这样就可以在所有的处理器上禁止或者启动 IRQ。对这些函数的调用是可以嵌套的假如 disable_irq() 被成功调用两次，在 IRQ 真正重新打开之前，需要执行两次 enable_irq() 调用。 void disable_irq(int irq); void disable_irq_nosync(int irq); void enable_irq(int irq);驱动设计中涉及的一些具体问题驱动设计中涉及的一些具体问题 l用户空间和内核空间 l/proc文件系统 文件/目录名描述Apm高级电源管理信息Bus包含了总线以及总线上设备信息的目录，子目录