如何編寫Linux設(shè)備驅(qū)動程序
Linux是Unix操作系統(tǒng)的一種變種，在Linux下編寫驅(qū)動程序的原理和思想完全類似于其他的Unix系統(tǒng)，但它dos或window環(huán)境下的驅(qū)動程序有很大的區(qū)別。在Linux環(huán)境下設(shè)計驅(qū)動程序，思想簡潔，操作方便，功能也很強大，但是支持函數(shù)少，只能依賴kernel中的函數(shù)，有些常用的操作要自己來編寫，而且調(diào)試也不方便。本人這幾周來為實驗室自行研制的一塊多媒體卡編制了驅(qū)動程序，獲得了一些經(jīng)驗，愿與Linux fans共享，有不當之處，請予指正。
以下的一些文字主要來源于khg，johnsonm的Write linux device driver，Brennan's Guide to Inline Assembly，The Linux A-Z，還有清華BBS上的有關(guān)device driver的一些資料. 這些資料有的已經(jīng)過時，有的還有一些錯誤，我依據(jù)自己的試驗結(jié)果進行了修正.
一、Linux device driver 的概念
系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)內(nèi)核和應(yīng)用程序之間的接口，設(shè)備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機器硬件之間的接口.設(shè)備驅(qū)動程序為應(yīng)用程序屏蔽了硬件的細節(jié)，這樣在應(yīng)用程序看來，硬件設(shè)備只是一個設(shè)備文件， 應(yīng)用程序可以象操作普通文件一樣對硬件設(shè)備進行操作.設(shè)備驅(qū)動程序是內(nèi)核的一部分，它完成以下的功能:
1.對設(shè)備初始化和釋放.
2.把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù).
3.讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)和回送應(yīng)用程序請求的數(shù)據(jù).
4.檢測和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯誤.
在Linux操作系統(tǒng)下有兩類主要的設(shè)備文件類型，一種是字符設(shè)備，另一種是塊設(shè)備.字符設(shè)備和塊設(shè)備的主要區(qū)別是:在對字符設(shè)備發(fā)出讀/寫請求時，實際的硬件I/O一般就緊接著發(fā)生了，塊設(shè)備則不然，它利用一塊系統(tǒng)內(nèi)存作緩沖區(qū)，當用戶進程對設(shè)備請求能滿足用戶的要求，就返回請求的數(shù)據(jù)，如果不能，就調(diào)用請求函數(shù)來進行實際的I/O操作.塊設(shè)備是主要針對磁盤等慢速設(shè)備設(shè)計的，以免耗費過多的CPU時間來等待.
已經(jīng)提到，用戶進程是通過設(shè)備文件來與實際的硬件打交道.每個設(shè)備文件都都有其文件屬性(c/b)，表示是字符設(shè)備還蔤強檣璞?另外每個文件都有兩個設(shè)備號，***個是主設(shè)備號，標識驅(qū)動程序，第二個是從設(shè)備號，標識使用同一個設(shè)備驅(qū)動程序的不同的硬件設(shè)備，比如有兩個軟盤，就可以用從設(shè)備號來區(qū)分他們.設(shè)備文件的的主設(shè)備號必須與設(shè)備驅(qū)動程序在登記時申請的主設(shè)備號一致，否則用戶進程將無法訪問到驅(qū)動程序.
***必須提到的是，在用戶進程調(diào)用驅(qū)動程序時，系統(tǒng)進入核心態(tài)，這時不再是搶先式調(diào)度.也就是說，系統(tǒng)必須在你的驅(qū)動程序的子函數(shù)返回后才能進行其他的工作.如果你的驅(qū)動程序陷入死循環(huán)，不幸的是你只有重新啟動機器了，然后就是漫長的fsck.//hehe
讀/寫時，它首先察看緩沖區(qū)的內(nèi)容，如果緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)
如何編寫Linux操作系統(tǒng)下的設(shè)備驅(qū)動程序
二、實例剖析
我們來寫一個最簡單的字符設(shè)備驅(qū)動程序。雖然它什么也不做，但是通過它可以了解Linux的設(shè)備驅(qū)動程序的工作原理.把下面的C代碼輸入機器，你就會獲得一個真正的設(shè)備驅(qū)動程序.不過我的kernel是2.0.34，在低版本的kernel上可能會出現(xiàn)問題，我還沒測試過.//xixi
- #define __NO_VERSION__
- #include <linux/modules.h>
- #include <linux/version.h>
- char kernel_version [] = UTS_RELEASE;
這一段定義了一些版本信息，雖然用處不是很大，但也必不可少.Johnsonm說所有的驅(qū)動程序的開頭都要包含
由于用戶進程是通過設(shè)備文件同硬件打交道，對設(shè)備文件的操作方式不外乎就是一些系統(tǒng)調(diào)用，如 open，read，write，close....， 注意，不是fopen， fread，但是如何把系統(tǒng)調(diào)用和驅(qū)動程序關(guān)聯(lián)起來呢?這需要了解一個非常關(guān)鍵的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):
- struct file_operations {
- int (*seek) (struct inode * ，struct file *， off_t ，int);
- int (*read) (struct inode * ，struct file *， char ，int);
- int (*write) (struct inode * ，struct file *， off_t ，int);
- int (*readdir) (struct inode * ，struct file *， struct dirent * ，int);
- int (*select) (struct inode * ，struct file *， int ，select_table *);
- int (*ioctl) (struct inode * ，struct file *， unsined int ，unsigned long);
- int (*mmap) (struct inode * ，struct file *， struct vm_area_struct *);
- int (*open) (struct inode * ，struct file *);
- int (*release) (struct inode * ，struct file *);
- int (*fsync) (struct inode * ，struct file *);
- int (*fasync) (struct inode * ，struct file *，int);
- int (*check_media_change) (struct inode * ，struct file *);
- int (*revalidate) (dev_t dev);
- }
這個結(jié)構(gòu)的每一個成員的名字都對應(yīng)著一個系統(tǒng)調(diào)用.用戶進程利用系統(tǒng)調(diào)用在對設(shè)備文件進行諸如read/write操作時，系統(tǒng)調(diào)用通過設(shè)備文件的主設(shè)備號找到相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序，然后讀取這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相應(yīng)的函數(shù)指針，接著把控制權(quán)交給該函數(shù).這是linux的設(shè)備驅(qū)動程序工作的基本原理.既然是這樣，則編寫設(shè)備驅(qū)動程序的主要工作就是編寫子函數(shù)，并填充file_operations的各個域.
相當簡單，不是嗎?
下面就開始寫子程序.
- #include <linux/types.h>
- #include <linux/fs.h>
- #include <linux/mm.h>
- #include <linux/errno.h>
- #include <asm/segment.h>
- unsigned int test_major = 0;
- static int read_test(struct inode *node，struct file *file，
- char *buf，int count)
- {
- int left;
- if (verify_area(VERIFY_WRITE，buf，count) == -EFAULT )
- return -EFAULT;
- for(left = count ; left > 0 ; left--)
- {
- __put_user(1，buf，1);
- buf++;
- }
- return count;
- }
這個函數(shù)是為read調(diào)用準備的.當調(diào)用read時，read_test()被調(diào)用，它把用戶的緩沖區(qū)全部寫1.buf 是read調(diào)用的一個參數(shù).它是用戶進程空間的一個地址.但是在read_test被調(diào)用時，系統(tǒng)進入核心態(tài).所以不能使用buf這個地址，必須用__put_user()，這是kernel提供的一個函數(shù)，用于向用戶傳送數(shù)據(jù).另外還有很多類似功能的函數(shù).請參考.在向用戶空間拷貝數(shù)據(jù)之前，必須驗證buf是否可用。
這就用到函數(shù)verify_area.
- static int write_tibet(struct inode *inode，struct file *file，
- const char *buf，int count)
- {
- return count;
- }
- static int open_tibet(struct inode *inode，struct file *file )
- {
- MOD_INC_USE_COUNT;
- return 0;
- }
- static void release_tibet(struct inode *inode，struct file *file )
- {
- MOD_DEC_USE_COUNT;
- }
這幾個函數(shù)都是空操作.實際調(diào)用發(fā)生時什么也不做，他們僅僅為下面的結(jié)構(gòu)提供函數(shù)指針。
- struct file_operations test_fops = {
- NULL，
- read_test，
- write_test，
- NULL， /* test_readdir */
- NULL，
- NULL， /* test_ioctl */
- NULL， /* test_mmap */
- open_test，
- release_test， NULL， /* test_fsync */
- NULL， /* test_fasync */
- /* nothing more， fill with NULLs */
- };
設(shè)備驅(qū)動程序的主體可以說是寫好了?，F(xiàn)在要把驅(qū)動程序嵌入內(nèi)核。驅(qū)動程序可以按照兩種方式編譯。一種是編譯進kernel，另一種是編譯成模塊(modules)，如果編譯進內(nèi)核的話，會增加內(nèi)核的大小，還要改動內(nèi)核的源文件，而且不能動態(tài)的卸載，不利于調(diào)試，所以推薦使用模塊方式。
- int init_module(void)
- {
- int result;
- result = register_chrdev(0， "test"， &test_fops);
- if (result < 0) {
- printk(KERN_INFO "test: can't get major number\n");
- return result;
- }
- if (test_major == 0) test_major = result; /* dynamic */
- return 0;
- }
#p#
在用insmod命令將編譯好的模塊調(diào)入內(nèi)存時，init_module 函數(shù)被調(diào)用。在這里，init_module只做了一件事，就是向系統(tǒng)的字符設(shè)備表登記了一個字符設(shè)備。register_chrdev需要三個參數(shù)，參數(shù)一是希望獲得的設(shè)備號，如果是零的話，系統(tǒng)將選擇一個沒有被占用的設(shè)備號返回。參數(shù)二是設(shè)備文件名，參數(shù)三用來登記驅(qū)動程序?qū)嶋H執(zhí)行操作的函數(shù)的指針。
如果登記成功，返回設(shè)備的主設(shè)備號，不成功，返回一個負值。
- void cleanup_module(void)
- {
- unregister_chrdev(test_major， "test");
- }
在用rmmod卸載模塊時，cleanup_module函數(shù)被調(diào)用，它釋放字符設(shè)備test在系統(tǒng)字符設(shè)備表中占有的表項。
一個極其簡單的字符設(shè)備可以說寫好了，文件名就叫test.c吧。
下面編譯
$ gcc -O2 -DMODULE -D__KERNEL__ -c test.c
得到文件test.o就是一個設(shè)備驅(qū)動程序。
如果設(shè)備驅(qū)動程序有多個文件，把每個文件按上面的命令行編譯，然后
ld -r file1.o file2.o -o modulename.
驅(qū)動程序已經(jīng)編譯好了，現(xiàn)在把它安裝到系統(tǒng)中去。
$ insmod -f test.o
如果安裝成功，在/proc/devices文件中就可以看到設(shè)備test，并可以看到它的主設(shè)備號。
要卸載的話，運行
$ rmmod test
下一步要創(chuàng)建設(shè)備文件。
mknod /dev/test c major minor
c 是指字符設(shè)備，major是主設(shè)備號，就是在/proc/devices里看到的。
用shell命令
$ cat /proc/devices | awk "}"
就可以獲得主設(shè)備號，可以把上面的命令行加入你的shell script中去。
minor是從設(shè)備號，設(shè)置成0就可以了。
我們現(xiàn)在可以通過設(shè)備文件來訪問我們的驅(qū)動程序。寫一個小小的測試程序。
- #include <stdio.h>
- #include <sys/types.h>
- #include <sys/stat.h>
- #include <fcntl.h>
- main()
- {
- int testdev;
- int i;
- char buf[10];
- testdev = open("/dev/test"，O_RDWR);
- if ( testdev == -1 )
- {
- printf("Cann't open file \n");
- exit(0);
- }
- read(testdev，buf，10);
- for (i = 0; i < 10;i++)
- printf("%d\n"，buf[i]);
- close(testdev);
- }
編譯運行，看看是不是打印出全1 ？
以上只是一個簡單的演示。真正實用的驅(qū)動程序要復(fù)雜的多，要處理如中斷，DMA，I/O port等問題。這些才是真正的難點。請看下節(jié)，實際情況的處理。
如何編寫Linux操作系統(tǒng)下的設(shè)備驅(qū)動程序
三、設(shè)備驅(qū)動程序中的一些具體問題
1. I/O Port.
和硬件打交道離不開I/O Port，老的ISA設(shè)備經(jīng)常是占用實際的I/O端口，在linux下，操作系統(tǒng)沒有對I/O口屏蔽，也就是說，任何驅(qū)動程序都可對任意的I/O口操作，這樣就很容易引起混亂。每個驅(qū)動程序應(yīng)該自己避免誤用端口。
有兩個重要的kernel函數(shù)可以保證驅(qū)動程序做到這一點。
1）check_region(int io_port， int off_set)
這個函數(shù)察看系統(tǒng)的I/O表，看是否有別的驅(qū)動程序占用某一段I/O口。
參數(shù)1：io端口的基地址，
參數(shù)2：io端口占用的范圍。
返回值：0 沒有占用， 非0，已經(jīng)被占用。
2）request_region(int io_port， int off_set，char *devname)
如果這段I/O端口沒有被占用，在我們的驅(qū)動程序中就可以使用它。在使用之前，必須向系統(tǒng)登記，以防止被其他程序占用。登記后，在/proc/ioports文件中可以看到你登記的io口。
參數(shù)1：io端口的基地址。
參數(shù)2：io端口占用的范圍。
參數(shù)3：使用這段io地址的設(shè)備名。
在對I/O口登記后，就可以放心地用inb()， outb()之類的函來訪問了。
在一些pci設(shè)備中，I/O端口被映射到一段內(nèi)存中去，要訪問這些端口就相當于訪問一段內(nèi)存。經(jīng)常性的，我們要獲得一塊內(nèi)存的物理地址。在dos環(huán)境下，（之所以不說是dos操作系統(tǒng)是因為我認為DOS根本就不是一個操作系統(tǒng)，它實在是太簡單，太不安全了）只要用段：偏移就可以了。在window95中，95ddk提供了一個vmm 調(diào)用 _MapLinearToPhys，用以把線性地址轉(zhuǎn)化為物理地址。但在Linux中是怎樣做的呢？
2.內(nèi)存操作
在設(shè)備驅(qū)動程序中動態(tài)開辟內(nèi)存，不是用malloc，而是kmalloc，或者用get_free_pages直接申請頁。釋放內(nèi)存用的是kfree，或free_pages. 請注意，kmalloc等函數(shù)返回的是物理地址！而malloc等返回的是線性地址！關(guān)于kmalloc返回的是物理地址這一點本人有點不太明白：既然從線性地址到物理地址的轉(zhuǎn)換是由386cpu硬件完成的，那樣匯編指令的操作數(shù)應(yīng)該是線性地址，驅(qū)動程序同樣也不能直接使用物理地址而是線性地址。但是事實上kmalloc返回的確實是物理地址，而且也可以直接通過它訪問實際的RAM，我想這樣可以由兩種解釋，一種是在核心態(tài)禁止分頁，但是這好像不太現(xiàn)實；另一種是linux的頁目錄和頁表項設(shè)計得正好使得物理地址等同于線性地址。我的想法不知對不對，還請高手指教。
言歸正傳，要注意kmalloc***只能開辟128k-16，16個字節(jié)是被頁描述符結(jié)構(gòu)占用了。kmalloc用法參見khg.
內(nèi)存映射的I/O口，寄存器或者是硬件設(shè)備的RAM(如顯存)一般占用F0000000以上的地址空間。在驅(qū)動程序中不能直接訪問，要通過kernel函數(shù)vremap獲得重新映射以后的地址。
另外，很多硬件需要一塊比較大的連續(xù)內(nèi)存用作DMA傳送。這塊內(nèi)存需要一直駐留在內(nèi)存，不能被交換到文件中去。但是kmalloc最多只能開辟128k的內(nèi)存。
這可以通過犧牲一些系統(tǒng)內(nèi)存的方法來解決。
具體做法是：比如說你的機器由32M的內(nèi)存，在lilo.conf的啟動參數(shù)中加上mem=30M，這樣linux就認為你的機器只有30M的內(nèi)存，剩下的2M內(nèi)存在vremap之后就可以為DMA所用了。
請記住，用vremap映射后的內(nèi)存，不用時應(yīng)用unremap釋放，否則會浪費頁表。
3.中斷處理
同處理I/O端口一樣，要使用一個中斷，必須先向系統(tǒng)登記。
- int request_irq(unsigned int irq ，
- void(*handle)(int，void *，struct pt_regs *)，
- unsigned int long flags，
- const char *device);
irq: 是要申請的中斷。
handle：中斷處理函數(shù)指針。
flags：SA_INTERRUPT 請求一個快速中斷，0 正常中斷。
device：設(shè)備名。
如果登記成功，返回0，這時在/proc/interrupts文件中可以看你請求的中斷。
四、一些常見的問題：
對硬件操作，有時時序很重要。但是如果用C語言寫一些低級的硬件操作的話，gcc往往會對你的程序進行優(yōu)化，這樣時序就錯掉了。如果用匯編寫呢，gcc同樣會對匯編代碼進行優(yōu)化，除非你用volatile關(guān)鍵字修飾。最保險的辦法是禁止優(yōu)化。這當然只能對一部分你自己編寫的代碼。如果對所有的代碼都不優(yōu)化，你會發(fā)現(xiàn)驅(qū)動程序根本無法裝載。這是因為在編譯驅(qū)動程序時要用到gcc的一些擴展特性，而這些擴展特性必須在加了優(yōu)化選項之后才能體現(xiàn)出來。
五、總結(jié)
以上就是我總結(jié)的一些編寫linux設(shè)備驅(qū)動程序的過程和其中遇到的問題，
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