火龙果软件LINUX设备驱动开发1PPT课件.ppt

1、嵌入式Linux系统高级开发讲义,1,第一天课程,模块Linux设备驱动程序简介Linux字符设备驱动开发并发与竞争Linux内核调试技术,2,日程安排,设备驱动简介,3,设备驱动简介,驱动是什么Driverisasoftwarelayerthatliesbetweentheapplicationsandtheactualdevice驱动程序的角色提供机制,而不是策略隐藏在UNIX中的哲学mechanism:Whatcapabilitiesareprovided.policy:Howthesecapabilitiescanbeused.,4,Kernel的作用,Kernel可划分为下列功能单元

2、进程管理:进程调度,资源分配,进程间通信.内存管理:其实也算是资源分配的一部分文件系统:管理,组织物理媒介上数据的方法设备控制:设备驱动(ldd3所关注的)网络:实质上是进程间通信.但它不局限于一个特定的进程.它关注收/发packets,路由,地址解析.,5,Kernel的结构,6,模块,可加载模块(lodablemodules)module:可实时加载到内核中的代码,它可动态连接到内核(insmod,rmmod)设备驱动就是module的代表,但module还包括文件系统等等.,7,设备和模块的分类,模块分为这些类型，每种类型的模块驱动对应类型的设备charactermodule,block

3、module,networkinterfaceothermodule,8,字符设备和块设备,字符设备:以字节流的形式被访问的设备。e.g:/dev/console:文本控制台./dev/ttyS0:串口它通过文件系统节点被访问.e.g:/dev/tty1,/dev/lp0字符设备与一般文件(regularfile)的区别可以在一般文件中前后移动(lseek),但只能顺序访问字符设备.当然,也有特例:framegrabbers.块设备:能支持文件系统的设备传统的UNIX:只能以block(512B)为单位访问块设备Linux:能以访问字符设备的方式访问块设备,即以字节文单位访问块设备.Linux

4、中字符设备与块设备的区别内核内部对数据的组织和管理不同,对驱动开发者来说透明接口不同:使用两套不同的interface,9,网络设备,网络接口:能与其他主机通信的设备它可以是硬件设备,也可以是软件设备,比如lo.(参考TCP/IP详解p26)网络接口只管收发数据包,而不管这些数据包被什么协议所使用不同于字符设备和块设备,网络接口没有对应的文件系统节点.虽然可以通过类似eth0这样的文件名来访问网络接口,但文件系统节点中却没有针对网络接口的节点内核与网络接口之间的通信也不同于内核与字符/块设备之间的通信(read,write),它们之间使用特定的传输数据包的函数调用,10,其他设备,也有一些mo

5、dule不能严格地划分类型.USBmodule:它工作在内核的USB子系统之上实际的USB设备可以是字符设备,块设备,也可以是网络接口在设备驱动之外,别的功能,不论硬件和软件,在内核中都是模块化的例如文件系统,11,内核模块VS应用程序,执行机制不同模块初始化模块退出类似事件编程使用库不一样无法使用标准库只能调用内核提供的函数,12,用户空间VS内核空间,用户空间VS内核空间应用程序运行在用户空间设备模块运行在内核空间运行模式不一样内存地址映射也不一样用户空间和内核空间的转换可能发生在进程中的系统调用时或者硬件中断系统调用虽然在内核中执行，但是依然是在进程的上下文中进行的，所以可以访问到进程中

6、的数据。中断处理和进程是异步的了，而且不和任何进程有关系模块跨越两个空间，有两个触发入口一些函数作为系统调用的一部分执行一些函数负责中断处理,13,内核模块的编译,Linux2.4内核与2.6内核版本的模块编译方式不一致。Linux2.4的模块为.o文件Linux2.6的模块为.ko文件,14,模块的加载卸载和查看,加载使用insmod卸载使用rmmod查看使用lsmod,15,模块代码,staticint_initinitialization_function(void)/*initializationcodehere*/module_init(initialization_function

7、);,16,模块代码,staticvoid_exitcleanup_function(void)/*Cleanupcodehere*/module_exit(cleanup_function);,17,日程安排,linux字符设备驱动开发,18,主次设备号,字符设备可以通过文件系统来存取字符设备一般位于/dev下有c标志的是字符设备有b标志的是块设备设备号文档Documentation/devices.txt主设备号决定驱动的种类次设备号决定使用哪个设备,19,设备编号的内部表达,dev_t类型(在中定义)用来持有设备编号-主次部分都包括获得一个dev_t的主或者次编号,使用MAJOR(dev

8、_tdev);MINOR(dev_tdev);转换为一个dev_t,使用:MKDEV(intmajor,intminor);,20,分配和释放设备编号,分配指定的主设备号intregister_chrdev_region(dev_tfirst,unsignedintcount,char*name);动态分配主设备号intalloc_chrdev_region(dev_t*dev,unsignedintfirstminor,unsignedintcount,char*name);释放voidunregister_chrdev_region(dev_tfirst,unsignedintcount)

9、;,21,字符驱动中重要的数据结构,file_operations结构structfile_operationsstructmodule*owner;loff_t(*llseek)(structfile*,loff_t,int);ssize_t(*read)(structfile*,char*,size_t,loff_t*);ssize_t(*write)(structfile*,constchar*,size_t,loff_t*);int(*ioctl)(structinode*,structfile*,unsignedint,unsignedlong);int(*mmap)(structf

10、ile*,structvm_area_struct*);int(*open)(structinode*,structfile*);int(*release)(structinode*,structfile*);,22,字符设备的注册,在Linux2.6下使用“structcdev”记录字符设备的信息。结构定义如下：structcdevstructmodule*owner;structfile_operations*ops;dev_tdev;voidcdev_init(structcdev*,structfile_operations*);structcdev*cdev_alloc(void);

11、intcdev_add(structcdev*,dev_t,unsigned)voidcdev_del(structcdev*);,23,Open方法,检查设备的特定错误如果设备是首次打开，则对其进行初始化如有必要，更新f_op指针分配且填写filp-private_data里的数据结构,24,Release方法,释放由open分配的,保存在filp-private中的所有内容在最后一次关闭操作时关闭设备,25,日程安排,调试技术,26,通过打印调试,通过宏可以定义日志级别参考P79如果开启Klogd及Syslogd则输出到日志日志文件参考/var/log/message在printk当中打印

12、设备编号Print_dev_tFormat_dev_t,27,日程安排,并发和竞争,28,并发和管理,并发源很多多个进程运行SMP多个CPU并行设备中断延迟机制（工作队列，定时器，Tasklet),29,并发和竞争,两个或多个进程读写某些共享数据，而最后的结果取决于进程运行的精确时序，就称为竞争条件(RaceConditions)。竞争情况来自对资源的共享存取的结果.存取管理的常用技术是加锁或者互斥其次常用的技术是引用计数,30,临界区,把对共享内存进行访问的程序片段称作临界区(criticalregion)，或临界段(criticalsection)。如果我们能够适当地安排使得两个进程不可能

13、同时处于临界区，则就能够避免竞争条件。临界区四要素任何两个进程不能同时处于临界区临界区外的进程不能阻塞其他进程不能使进程在临界区外无限等待不应对CPU的速度和数目做假设,31,PV操作解决同步互斥,PV原语的含义P操作和V操作是不可中断的程序段，称为原语。PV原语及信号量的概念都是由荷兰科学家E.W.Dijkstra提出的。信号量sem是一整数，sem大于等于零时代表可供并发进程使用的资源实体数，但sem小于零时则表示正在等待使用临界区的进程数。P原语操作的动作是：（1）sem减1；（2）若sem减1后仍大于或等于零，则进程继续执行；（3）若sem减1后小于零，则该进程被阻塞后进入与该信号相对

14、应的队列中，然后转进程调度。V原语操作的动作是：（1）sem加1；（2）若相加结果大于零，则进程继续执行；（3）若相加结果小于或等于零，则从该信号的等待队列中唤醒一等待进程，然后再返回原进程继续执行或转进程调度。PV操作对于每一个进程来说，都只能进行一次，而且必须成对使用。在PV原语执行期间不允许有中断的发生。,32,解决互斥,用PV原语实现进程的互斥由于用于互斥的信号量sem与所有的并发进程有关，所以称之为公有信号量。公有信号量的值反映了公有资源的数量。只要把临界区置于P(sem)和V(sem)之间，即可实现进程间的互斥。就象火车中的每节车厢只有一个卫生间，该车厢的所有旅客共享这个公有资源：

15、卫生间，所以旅客间必须互斥进入卫生间，只要把卫生间放在P(sem)和V(sem)之间，就可以到达互斥的效果。,33,解决同步,用PV原语实现进程的同步与进程互斥不同，进程同步时的信号量只与制约进程及被制约进程有关而不是与整组并发进程有关，所以称该信号量为私有信号量。利用PV原语实现进程同步的方法是：首先判断进程间的关系为同步的，且为各并发进程设置私有信号量，然后为私有信号量赋初值，最后利用PV原语和私有信号量规定各进程的执行顺序。,34,Linux信号量实现,voidsema_init(structsemaphore*sem,intval);DECLARE_MUTEX(name);DECLARE_MUT