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发信人: cliff (一颗红心·两手准备), 信区: Linux
标  题: 如何编写Linux操作系统下的设备驱动程序
发信站: 哈工大紫丁香 (2000年10月26日15:52:11 星期四), 转信



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标题：如何编写Linux操作系统下的设备驱动程序
版本： 1.0
目录：
序言
一. Linux device driver 的概念
二.实例剖析
三.设备驱动程序中的一些具体问题

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原作：(若无特别说明，文中各部份内容出处相同)

发信人: Roy_G@bbs.ustc.edu.cn
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转载：
SMTH
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编辑：

江雄定版1.0
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如何编写Linux操作系统下的设备驱动程序

Roy G

序言

Linux是Unix操作系统的一种变种,在Linux下编写驱动程序的原理和思想完全类似
于其他的Unix系统,但它dos或window环境下的驱动程序有很大的区别.在Linux环境
下设计驱动程序,思想简洁,操作方便,功能也很强大,但是支持函数少,只能依赖
kernel中的函数,有些常用的操作要自己来编写,而且调试也不方便.本人这几周来
为实验室自行研制的一块多媒体卡编制了驱动程序,
获得了一些经验,愿与Linux fans共享,有不当之处,请予指正.

以下的一些文字主要来源于khg,johnsonm的Write linux device driver,Brennans
Guide to Inline Assembly,The Linux A-Z,还有清华BBS上的有关device
driver的一些资料. 这些资料有的已经过时,有的还有一些错误,我依据自己的试验
结果进行了修正.

一. Linux device driver 的概念

系统调用是操作系统内核和应用程序之间的接口,设备驱动程序是操作系统内核和
机器硬件之间的接口.设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节,这样在应用程序
看来,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.设备驱动程序是内核的一部分,它完成以下的功能:
1.对设备初始化和释放.
2.把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据.
3.读取应用程序传送给设备文件的数据和回送应用程序请求的数据.
4.检测和处理设备出现的错误.

在Linux操作系统下有两类主要的设备文件类型,一种是字符设备,另一种是块设备
.字符设备和块设备的主要区别是:在对字符设备发出读/写请求时,实际的硬件I/O
一般就紧接着发生了,块设备则不然,它利用一块系统内存作缓冲区,当用户进程对
设备请求读/写时,它首先察看缓冲区的内容,如果缓冲区的数据能满足用户的要求
,就返回请求的数据,如果不能,就调用请求函数来进行实际的I/O操作.块设备是主
要针对磁盘等慢速设备设计的,以免耗费过多的CPU时间来等待.

已经提到,用户进程是通过设备文件来与实际的硬件打交道.每个设备文件都都有其
文件属性(c/b),表示是字符设备还蔤强樯璞?另外每个文件都有两个设备号,第一个
是主设备号,标识驱动程序,第二个是从设备号,标识使用同一个设备驱动程序的不
同的硬件设备,比如有两个软盘,就可以用从设备号来区分他们.设备文件的的主设
备号必须与设备驱动程序在登记时申请的主设备号一致,否则用户进程将无法访问
到驱动程序.

最后必须提到的是,在用户进程调用驱动程序时,系统进入核心态,这时不再是抢先
式调度.也就是说,系统必须在你的驱动程序的子函数返回后才能进行其他的工作.
如果你的驱动程序陷入死循环,不幸的是你只有重新启动机器了,然后就
是漫长的fsck.//hehe

(请看下节,实例剖析)

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※ 来源: 中国科大BBS站 [bbs.ustc.edu.cn]

如何编写Linux操作系统下的设备驱动程序

Roy G
二.实例剖析

我们来写一个最简单的字符设备驱动程序.虽然它什么也不做,但是通过它可以了解
Linux的设备驱动程序的工作原理.把下面的C代码输入机器,你就会获得一个真正的
设备驱动程序.不过我的kernel是2.0.34,在低版本的kernel上可能会出现问题,我
还没测试过.//xixi

#define __NO_VERSION__
#include
#include
char kernel_version [] = UTS_RELEASE;
这一段定义了一些版本信息,虽然用处不是很大,但也必不可少.Johnsonm说所有的
驱动程序的开头都要包含,但我看倒是未必.

由于用户进程是通过设备文件同硬件打交道,对设备文件的操作方式不外乎就是一
些系统调用,如open,read,write,close...., 注意,不是fopen, fread.,但是如何
把系统调用和驱动程序关联起来呢?这需要了解一个非常关键的数据结构:
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);
}

这个结构的每一个成员的名字都对应着一个系统调用.用户进程利用系统调用在对
设备文件进行诸如read/write操作时,系统调用通过设备文件的主设备号找到相应
的设备驱动程序,然后读取这个数据结构相应的函数指针,接着把控制权交给该函数
.这是linux的设备驱动程序工作的基本原理.既然是这样,则编写设备驱动程序的主
要工作就是编写子函数,并填充file_operations的各个域.相当简单,不是吗?
下面就开始写子程序.
#include
#include
#include
#include
#include
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;
}

这个函数是为read调用准备的.当调用read时,read_test()被调用,它把用户的缓冲
区全部写1.buf 是read调用的一个参数.它是用户进程空间的一个地址.但是在
read_test被调用时,系统进入核心态.所以不能使用buf这个地址,必须用
__put_user(),
这是kernel提供的一个函数,用于向用户传送数据.另外还有很多类似功能的函数.
请参考.在向用户空间拷贝数据之前,必须验证buf是否可用.这就用到函数
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;
}
这几个函数都是空操作.实际调用发生时什么也不做，他们仅仅为下面的结构提供
函数指针。

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 */
};

设备驱动程序的主体可以说是写好了。现在要把驱动程序嵌入内核。驱动程序可以
按照两种方式编译。一种是编译进kernel，另一种是编译成模块(modules),如果编
译进内核的话，会增加内核的大小，还要改动内核的源文件，而且不能动态的卸载
，不利于调试，所以推荐使用模块方式。

int init_module(void)
{
int result;

result = register_chrdev(0, "test", &test_fops);
if (result < 0) {
printk(KERN_INFO "test: cant get major number\n");
return result;
}
if (test_major == 0) test_major = result; /* dynamic */
return 0;
}
在用insmod命令将编译好的模块调入内存时，init_module 函数被调用。在这里，
init_module只做了一件事，就是向系统的字符设备表登记了一个字符设备。
register_chrdev需要三个参数，参数一是希望获得的设备号，如果是零的话，系
统将选择一个没有被占用的设备号返回。参数二是设备文件名，参数三用来登记驱
动程序实际执行操作的函数的指针。如果登记成功，返回设备的主设备号，不成功
，返回一个负值。

void cleanup_module(void)
{
unregister_chrdev(test_major, "test");
}
在用rmmod卸载模块时，cleanup_module函数被调用，它释放字符设备test
在系统字符设备表中占有的表项。

一个极其简单的字符设备可以说写好了，文件名就叫test.c吧。
下面编译
$ gcc -O2 -DMODULE -D__KERNEL__ -c test.c
得到文件test.o就是一个设备驱动程序。
如果设备驱动程序有多个文件，把每个文件按上面的命令行编译，然后
ld -r file1.o file2.o -o modulename.

驱动程序已经编译好了，现在把它安装到系统中去。
$ insmod -f test.o
如果安装成功，在/proc/devices文件中就可以看到设备test,
并可以看到它的主设备号,。
要卸载的话，运行
$ rmmod test

下一步要创建设备文件。
mknod /dev/test c major minor
c 是指字符设备，major是主设备号，就是在/proc/devices里看到的。
用shell命令
$ cat /proc/devices | awk "\\$2==\"test\" {print \\$1}"
就可以获得主设备号，可以把上面的命令行加入你的shell script中去。
minor是从设备号，设置成0就可以了。

我们现在可以通过设备文件来访问我们的驱动程序。写一个小小的测试程序。
#include
#include
#include
#include
main()
{
int testdev;
int i;
char buf[10];

testdev = open("/dev/test",O_RDWR);
if ( testdev == -1 )
{
printf("Cannt open file \n");
exit(0);
}
read(testdev,buf,10);
for (i = 0; i < 10;i++)
printf("%d\n",buf[i]);
close(testdev);
}
编译运行，看看是不是打印出全1 ？

以上只是一个简单的演示。真正实用的驱动程序要复杂的多，要处理如中断，
DMA，I/O port等问题。这些才是真正的难点。请看下节，实际情况的处理。

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※ 来源: 中国科大BBS站 [bbs.ustc.edu.cn]

如何编写Linux操作系统下的设备驱动程序
Roy G

三设备驱动程序中的一些具体问题。

1. I/O Port.
和硬件打交道离不开I/O Port，老的ISA设备经常是占用实际的I/O端口，
在linux下，操作系统没有对I/O口屏蔽，也就是说，任何驱动程序都可以
对任意的I/O口操作，这样就很容易引起混乱。每个驱动程序应该自己避免
误用端口。
有两个重要的kernel函数可以保证驱动程序做到这一点。
1）check_region(int io_port, int off_set)
这个函数察看系统的I/O表，看是否有别的驱动程序占用某一段I/O口。
参数1：io端口的基地址，
参数2：io端口占用的范围。
返回值：0 没有占用，非0，已经被占用。

2）request_region(int io_port, int off_set,char *devname)
如果这段I/O端口没有被占用，在我们的驱动程序中就可以使用它。在使用之前，
必须向系统登记，以防止被其他程序占用。登记后，在/proc/ioports文件中可以
看到你登记的io口。
参数1：io端口的基地址。
参数2：io端口占用的范围。
参数3：使用这段io地址的设备名。

在对I/O口登记后，就可以放心地用inb(), outb()之类的函来访问了。

在一些pci设备中，I/O端口被映射到一段内存中去，要访问这些端口就相当于访问
一段内存。经常性的，我们要获得一块内存的物理地址。在dos环境下，（之所以
不说是dos操作系统是因为我认为DOS根本就不是一个操作系统，它实在是太简单，
太不安全了）只要用段：偏移就可以了。在window95中，95ddk提供了一个vmm 调
用 _MapLinearToPhys,用以把线性地址转化为物理地址。但在Linux中是怎样做的
呢？

2 内存操作
在设备驱动程序中动态开辟内存，不是用malloc，而是kmalloc，或者用
get_free_pages直接申请页。释放内存用的是kfree，或free_pages. 请注意，
kmalloc等函数返回的是物理地址！而malloc等返回的是线性地址！关于kmalloc返
回的是物理地址这一点本人有点不太明白：既然从线性地址到物理地址的转换是由
386cpu硬件完成的，那样汇编指令的操作数应该是线性地址，
驱动程序同样也不能直接使用物理地址而是线性地址。但是事实上kmalloc返回的
确实是物理地址，而且也可以直接通过它访问实际的RAM，我想这样可以由两种解
释，一种是在核心态禁止分页，但是这好像不太现实；另一种是linux的页目录和
页表项设计得正好使得物理地址等同于线性地址。我的想法不知对不对，还请高手
指教。
言归正传，要注意kmalloc最大只能开辟128k-16，16个字节是被页描述符结构占用
了。kmalloc用法参见khg.内存映射的I/O口，寄存器或者是硬件设备的RAM(如显存
)一般占用F0000000以上的地址空间。在驱动程序中不能直接访问，要通过kernel
函数vremap获得重新映射以后的地址。
另外，很多硬件需要一块比较大的连续内存用作DMA传送。这块内存需要一直驻留
在内存，不能被交换到文件中去。但是kmalloc最多只能开辟128k的内存。这可以
通过牺牲一些系统内存的方法来解决。
具体做法是：比如说你的机器由32M的内存，在lilo.conf的启动参数中加上
mem=30M，这样linux就认为你的机器只有30M的内存，剩下的2M内存在vremap之后
就可以为DMA所用了。请记住，用vremap映射后的内存，不用时应用unremap释放，
否则会浪费页表。
3 中断处理
同处理I/O端口一样，要使用一个中断，必须先向系统登记。
int request_irq(unsigned int irq ,
void(*handle)(int,void *,struct pt_regs *),
unsigned int long flags,
const char *device);

irq: 是要申请的中断。
handle：中断处理函数指针。
flags：SA_INTERRUPT 请求一个快速中断，0 正常中断。
device：设备名。

如果登记成功，返回0，这时在/proc/interrupts文件中可以看你请求的中断。

4一些常见的问题。
对硬件操作，有时时序很重要。但是如果用C语言写一些低级的硬件操作的话，
gcc往往会对你的程序进行优化，这样时序就错掉了。如果用汇编写呢，gcc同样会
对汇编代码进行优化，除非你用volatile关键字修饰。最保险的办法是禁止优化。
这当然只能对一部分你自己编写的代码。如果对所有的代码都不优化，你会发现驱
动程序根本无法装载。这是因为在编译驱动程序时要用到gcc的一些扩展特性，而
这些扩展特性必须在加了优化选项之后才能体现出来。
关于kernel的调试工具，我现在还没有发现有合适的。有谁知道请告诉我，不胜感
激。我一直都在printk打印调试信息，倒也还凑合。

关于设备驱动程序还有很多内容，如等待/唤醒机制，块设备的编写等。我还不是
很明白，不敢乱说。
欢迎大家批评指正。

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              【★ 蒸不熟   煮不烂 ★】

              【★ 剪不断   理还乱 ★】

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