深入浅出Linux设备驱动编程(共38页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上深入浅出Linux设备驱动编程专心-专注-专业一引言目前,Linux软件工程师大致可分为两个层次:(1)Linux应用软件工程师(Application Software Engineer):主要利用C库函数和Linux API进行应用软件的编写;(2)Linux固件工程师(Firmware Engineer):主要进行Bootloader、Linux的移植及Linux设备驱动程序的设计。一般而言,固件工程师的要求要高于应用软件工程师的层次,而其中的Linux设备驱动编程又是Linux程序设计中比较复杂的部分,究其原因,主要包括如下几个方面:(1)设备驱动属于Linu
2、x内核的部分,编写Linux设备驱动需要有一定的Linux操作系统内核基础;(2)编写Linux设备驱动需要对硬件的原理有相当的了解,大多数情况下我们是针对一个特定的嵌入式硬件平台编写驱动的; (3)Linux设备驱动中广泛涉及到多进程并发的同步、互斥等控制,容易出现bug;(4)由于属于内核的一部分,Linux设备驱动的调试也相当复杂。目前,市面上的Linux设备驱动程序参考书籍非常稀缺,少有的经典是由Linux社区的三位领导者Jonathan Corbet、Alessandro Rubini、Greg Kroah-Hartman编写的Linux Device Drivers(目前该书已经出
3、版到第3版,中文译本由中国电力出版社出版)。该书将Linux设备驱动编写技术进行了较系统的展现,但是该书所列举实例的背景过于复杂,使得读者需要将过多的精力投放于对例子背景的理解上,很难完全集中精力于Linux驱动程序本身。往往需要将此书翻来覆去地研读许多遍,才能有较深的体会。(Linux Device Drivers中英文版封面)本文将仍然秉承Linux Device Drivers一书以实例为主的风格,但是实例的背景将非常简单,以求使读者能将集中精力于Linux设备驱动本身,理解Linux内核模块、Linux设备驱动的结构、Linux设备驱动中的并发控制等内容。另外,与Linux Devic
4、e Drivers所不同的是,针对设备驱动的实例,本文还给出了用户态的程序来访问该设备,展现设备驱动的运行情况及用户态和内核态的交互。相信阅读完本文将为您领悟Linux Device Drivers一书中的内容打下很好的基础。本文中的例程除引用的以外皆由笔者亲自调试通过,主要基于的内核版本为Linux 2.4,例子要在其他内核上运行只需要做少量的修改。构建本文例程运行平台的一个较好方法是:在Windows平台上安装VMWare虚拟机,并在VMWare虚拟机上安装Red Hat。注意安装的过程中应该选中开发工具和内核开发二项(如果本文的例程要在特定的嵌入式系统中运行,还应安装相应的交叉编译器,并
5、包含相应的Linux源代码),如下图: 二Linux内核模块Linux设备驱动属于内核的一部分,Linux内核的一个模块可以以两种方式被编译和加载:(1)直接编译进Linux内核,随同Linux启动时加载;(2)编译成一个可加载和删除的模块,使用insmod加载(modprobe和insmod命令类似,但依赖于相关的配置文件),rmmod删除。这种方式控制了内核的大小,而模块一旦被插入内核,它就和内核其他部分一样。下面我们给出一个内核模块的例子:#include /所有模块都需要的头文件#include / init&exit相关宏MODULE_LICENSE(GPL); static int
6、 _init hello_init (void)printk(Hello module initn);return 0;static void _exit hello_exit (void)printk(Hello module exitn);module_init(hello_init);module_exit(hello_exit);分析上述程序,发现一个Linux内核模块需包含模块初始化和模块卸载函数,前者在insmod的时候运行,后者在rmmod的时候运行。初始化与卸载函数必须在宏module_init和module_exit使用前定义,否则会出现编译错误。程序中的MODULE_LIC
7、ENSE(GPL)用于声明模块的许可证。 如果要把上述程序编译为一个运行时加载和删除的模块,则编译命令为:gcc -D_KERNEL_ -DMODULE -DLINUX -I /usr/local/src/linux2.4/include -c -o hello.o hello.c由此可见,Linux内核模块的编译需要给gcc指示-D_KERNEL_ -DMODULE -DLINUX参数。-I选项跟着Linux内核源代码中Include目录的路径。下列命令将可加载hello模块:insmod ./hello.o下列命令完成相反过程:rmmod hello如果要将其直接编译入Linux内核,则需
8、要将源代码文件拷贝入Linux内核源代码的相应路径里,并修改Makefile。我们有必要补充一下Linux内核编程的一些基本知识:内存在Linux内核模式下,我们不能使用用户态的malloc()和free()函数申请和释放内存。进行内核编程时,最常用的内存申请和释放函数为在include/linux/kernel.h文件中声明的kmalloc()和kfree(),其原型为:void *kmalloc(unsigned int len, int priority);void kfree(void *_ptr);kmalloc的priority参数通常设置为GFP_KERNEL,如果在中断服务程序
9、里申请内存则要用GFP_ATOMIC参数,因为使用GFP_KERNEL参数可能会引起睡眠,不能用于非进程上下文中(在中断中是不允许睡眠的)。由于内核态和用户态使用不同的内存定义,所以二者之间不能直接访问对方的内存。而应该使用Linux中的用户和内核态内存交互函数(这些函数在include/asm/uaccess.h中被声明):unsigned long copy_from_user(void *to, const void *from, unsigned long n);unsigned long copy_to_user (void * to, void * from, unsigned l
10、ong len);copy_from_user、copy_to_user函数返回不能被复制的字节数,因此,如果完全复制成功,返回值为0。include/asm/uaccess.h中定义的put_user和get_user用于内核空间和用户空间的单值交互(如char、int、long)。这里给出的仅仅是关于内核中内存管理的皮毛,关于Linux内存管理的更多细节知识,我们会在本文第9节内存与I/O操作进行更加深入地介绍。输出 在内核编程中,我们不能使用用户态C库函数中的printf()函数输出信息,而只能使用printk()。但是,内核中printk()函数的设计目的并不是为了和用户交流,它实际上
11、是内核的一种日志机制,用来记录下日志信息或者给出警告提示。每个printk都会有个优先级,内核一共有8个优先级,它们都有对应的宏定义。如果未指定优先级,内核会选择默认的优先级DEFAULT_MESSAGE_LOGLEVEL。如果优先级数字比int console_loglevel变量小的话,消息就会打印到控制台上。如果syslogd和klogd守护进程在运行的话,则不管是否向控制台输出,消息都会被追加进/var/log/messages文件。klogd 只处理内核消息,syslogd 处理其他系统消息,比如应用程序。模块参数2.4内核下,include/linux/module.h中定义的宏M
12、ODULE_PARM(var,type) 用于向模块传递命令行参数。var为接受参数值的变量名,type为采取如下格式的字符串min-maxb,h,i,l,s。min及max用于表示当参数为数组类型时,允许输入的数组元素的个数范围;b:byte;h:short;i:int;l:long;s:string。在装载内核模块时,用户可以向模块传递一些参数:insmod modname var=value如果用户未指定参数,var将使用模块内定义的缺省值。三字符设备驱动程序Linux下的设备驱动程序被组织为一组完成不同任务的函数的集合,通过这些函数使得Windows的设备操作犹如文件一般。在应用程序看
13、来,硬件设备只是一个设备文件,应用程序可以象操作普通文件一样对硬件设备进行操作,如open ()、close ()、read ()、write () 等。Linux主要将设备分为二类:字符设备和块设备。字符设备是指设备发送和接收数据以字符的形式进行;而块设备则以整个数据缓冲区的形式进行。字符设备的驱动相对比较简单。下面我们来假设一个非常简单的虚拟字符设备:这个设备中只有一个4个字节的全局变量int global_var,而这个设备的名字叫做gobalvar。对gobalvar设备的读写等操作即是对其中全局变量global_var的操作。驱动程序是内核的一部分,因此我们需要给其添加模块初始化函数
14、,该函数用来完成对所控设备的初始化工作,并调用register_chrdev() 函数注册字符设备:static int _init gobalvar_init(void)if (register_chrdev(MAJOR_NUM, gobalvar , &gobalvar_fops)/注册失败else/注册成功其中,register_chrdev函数中的参数MAJOR_NUM为主设备号,gobalvar为设备名,gobalvar_fops为包含基本函数入口点的结构体,类型为file_operations。当gobalvar模块被加载时,gobalvar_init被执行,它将调用内核函数reg
15、ister_chrdev,把驱动程序的基本入口点指针存放在内核的字符设备地址表中,在用户进程对该设备执行系统调用时提供入口地址。与模块初始化函数对应的就是模块卸载函数,需要调用register_chrdev()的反函数 unregister_chrdev():static void _exit gobalvar_exit(void)if (unregister_chrdev(MAJOR_NUM, gobalvar )/卸载失败else/卸载成功随着内核不断增加新的功能,file_operations结构体已逐渐变得越来越大,但是大多数的驱动程序只是利用了其中的一部分。对于字符设备来说,要提供的
16、主要入口有:open ()、release ()、read ()、write ()、ioctl ()、llseek()、poll()等。open()函数对设备特殊文件进行open()系统调用时,将调用驱动程序的open () 函数:int (*open)(struct inode * ,struct file *);其中参数inode为设备特殊文件的inode (索引结点) 结构的指针,参数file是指向这一设备的文件结构的指针。open()的主要任务是确定硬件处在就绪状态、验证次设备号的合法性(次设备号可以用MINOR(inode- i - rdev) 取得)、控制使用设备的进程数、根据执行
17、情况返回状态码(0表示成功,负数表示存在错误) 等;release()函数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:void (*release) (struct inode * ,struct file *) ;release 函数的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。read()函数当对设备特殊文件进行read() 系统调用时,将调用驱动程序read() 函数:ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *);用来从设备
18、中读取数据。当该函数指针被赋为NULL 值时,将导致read 系统调用出错并返回-EINVAL(Invalid argument,非法参数)。函数返回非负值表示成功读取的字节数(返回值为signed size数据类型,通常就是目标平台上的固有整数类型)。globalvar_read函数中内核空间与用户空间的内存交互需要借助第2节所介绍的函数:static ssize_t globalvar_read(struct file *filp, char *buf, size_t len, loff_t *off)copy_to_user(buf, &global_var, sizeof(int);w
19、rite( ) 函数当设备特殊文件进行write () 系统调用时,将调用驱动程序的write () 函数:ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *);向设备发送数据。如果没有这个函数,write 系统调用会向调用程序返回一个-EINVAL。如果返回值非负,则表示成功写入的字节数。globalvar_write函数中内核空间与用户空间的内存交互需要借助第2节所介绍的函数:static ssize_t globalvar_write(struct file *filp, const char *buf, siz
20、e_t len, loff_t*off)copy_from_user(&global_var, buf, sizeof(int);ioctl() 函数该函数是特殊的控制函数,可以通过它向设备传递控制信息或从设备取得状态信息,函数原型为: int (*ioctl) (struct inode * ,struct file * ,unsigned int ,unsigned long);unsigned int参数为设备驱动程序要执行的命令的代码,由用户自定义,unsigned long参数为相应的命令提供参数,类型可以是整型、指针等。如果设备不提供ioctl 入口点,则对于任何内核未预先定义的请
21、求,ioctl 系统调用将返回错误(-ENOTTY,No such ioctl fordevice,该设备无此ioctl 命令)。如果该设备方法返回一个非负值,那么该值会被返回给调用程序以表示调用成功。llseek()函数 该函数用来修改文件的当前读写位置,并将新位置作为(正的)返回值返回,原型为: loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);poll()函数 poll 方法是poll 和select 这两个系统调用的后端实现,用来查询设备是否可读或可写,或是否处于某种特殊状态,原型为:unsigned int (*poll) (struct f
22、ile *, struct poll_table_struct *);我们将在设备的阻塞与非阻塞操作一节对该函数进行更深入的介绍。设备gobalvar的驱动程序的这些函数应分别命名为gobalvar_open、gobalvar_ release、gobalvar_read、gobalvar_write、gobalvar_ioctl,因此设备gobalvar的基本入口点结构变量gobalvar_fops 赋值如下:struct file_operations gobalvar_fops = read: gobalvar_read,write: gobalvar_write,;上述代码中对goba
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