需要了解嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)的工作原理

摘要:計(jì)算機(jī)軟件和集成電路技術(shù)的發(fā)展，為嵌入式產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，Linux以其穩(wěn)定、高效、易定制、硬件廣泛支持等特點(diǎn)，迅速崛起為當(dāng)今計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的一匹黑馬。文章通過(guò)對(duì)與嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序相關(guān)內(nèi)核源碼進(jìn)行分析，從設(shè)備驅(qū)動(dòng)的體系結(jié)構(gòu)和內(nèi)核環(huán)境兩方面入手，對(duì)嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的工作原理進(jìn)行剖析和闡述。
關(guān)鍵詞: Linux；嵌入式系統(tǒng)；設(shè)備驅(qū)動(dòng)；內(nèi)核環(huán)境

0. 引言
設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在Linux內(nèi)核中占有極其重要的位置，它是內(nèi)核用于完成對(duì)物理設(shè)備的控制操作的功能模塊。除了CPU、內(nèi)存以及其他很少的幾個(gè)部分以外，所有的設(shè)備控制操作都必須由與被控設(shè)備相關(guān)代碼——驅(qū)動(dòng)程序來(lái)完成。否則設(shè)備就無(wú)法在Linux下正常工作，這就是驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)成為L(zhǎng)inux內(nèi)核開(kāi)發(fā)的主要工作的原因。
然而，在嵌入式Linux 系統(tǒng)中，內(nèi)核提供保護(hù)機(jī)制，用戶空間的進(jìn)程一般不能直接訪問(wèn)硬件。進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，很大的工作量是為各種設(shè)備編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序，Linux 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在Linux 內(nèi)核源代碼中占有60%以上，從2.0、2.2 到2.4 版本的內(nèi)核，源代碼的長(zhǎng)度日益增加，其實(shí)主要是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在增加。
文章通過(guò)對(duì)與設(shè)備驅(qū)動(dòng)相關(guān)內(nèi)核源碼進(jìn)行分析，從設(shè)備驅(qū)動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和內(nèi)核環(huán)境兩方面入手，對(duì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的工作原理進(jìn)行深入地剖析和闡述。

1. Linux I/O子系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
1.1 I/O子系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)
Linux的I/O子系統(tǒng)分為上下兩個(gè)層次：其下層是與設(shè)備有關(guān)的，即設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，它直接控制設(shè)備完成具體的I/O操作，并且向上層提供一組訪問(wèn)接口；上層部分是與設(shè)備無(wú)關(guān)的，它根據(jù)進(jìn)程的I/O請(qǐng)求設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口與設(shè)備進(jìn)行通信。由于Linux把設(shè)備作為文件管理，所以I/O子系統(tǒng)的上層實(shí)際上就是實(shí)現(xiàn)文件管理功能的虛擬文件系統(tǒng)VFS，進(jìn)程的I/O請(qǐng)求經(jīng)過(guò)VFS的轉(zhuǎn)換完成對(duì)設(shè)備的各種操作，而這些操作的具體實(shí)現(xiàn)是由設(shè)備驅(qū)動(dòng)來(lái)完成的。（如圖1所示）
1.2 I/O驅(qū)動(dòng)軟件的總體目標(biāo)
I/O驅(qū)動(dòng)軟件的總體目標(biāo)是將軟件組織成一種層次結(jié)構(gòu)，底層軟件用來(lái)屏蔽具體設(shè)備硬件的細(xì)節(jié)；高層軟件則為用戶提供一個(gè)簡(jiǎn)潔的界面，從而實(shí)現(xiàn)I/O設(shè)計(jì)的設(shè)備無(wú)關(guān)性。（如圖1所示）

2. 文件操作例程登記表
2.1 文件系統(tǒng)調(diào)用接口

[cpp]?view plain?copy

struct?file_operations?IOdriver_fops?=???
{??
??read??:?IOdriver_read,??
??write?:?IOdriver_write,??
};??

2.2基本入口點(diǎn)函數(shù)結(jié)構(gòu)
我們用以globar_read和read函數(shù)為例來(lái)對(duì)驅(qū)動(dòng)底層軟件結(jié)構(gòu)是如何屏蔽設(shè)備硬件細(xì)節(jié)進(jìn)行剖析。

[cpp]?view plain?copy

static?ssize_t?globar_read(struct?file?*file,?char?*buf,?size_t?len,?loff_t?*off)??
{??
if(__copy_to_user(buf,&globar_var,?sizeof(int)))??
{??
????return?–EFAULT;??
}??
return?sizeof(int);??
}???

上述函數(shù)的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)從設(shè)備復(fù)制到用戶空間，也就是將內(nèi)核空間緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)復(fù)制其工作原理如圖2所示：
?

?
用戶程序讀操作的入口點(diǎn)到用戶空間的緩沖區(qū)中，

read和global_read函數(shù)之間的通信是靠字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口中的file_operations結(jié)構(gòu)，基于Linux-2.4.20的的定義如下：

[cpp]?view plain?copy

struct?file_operations?{??
struct?module?*owner；??
/*?指向擁有本結(jié)構(gòu)的module，用于內(nèi)核維護(hù)模塊的引用技術(shù)?*/??
loff_t?(*llseek)?(struct?file?*,?loff_t,?int)；??
/*?改變當(dāng)前文件的讀/寫(xiě)位置并返回新位置，錯(cuò)誤返回負(fù)數(shù)?*/??
ssize_t?(*read)?(struct?file?*,?char?*,?size_t,?loff_t)；??
/*?用來(lái)從設(shè)備接收數(shù)據(jù)，返回的非負(fù)數(shù)表示成功讀取的字節(jié)數(shù)?*/??
ssize_t?(*write)?(struct?file?*,const?char?*,?size_t,?loff_t?*)；??
/*?用來(lái)往設(shè)備發(fā)數(shù)據(jù)，返回的非負(fù)數(shù)表示成功寫(xiě)入的字節(jié)數(shù)?*/??
int（readdir）)(struct?inode?*,?struct?file?*,?void?*,?filldir_t)；??
/*?僅用于文件系統(tǒng)的目錄讀取，不用于設(shè)備驅(qū)動(dòng)?*/??
int?(*select)(struct?inode?*,?struct?file?*,?int,?select?table?*)；??
/*?用于查詢?cè)O(shè)備是否可讀、可寫(xiě)或處于特殊的狀態(tài)?*/??
int?(*ioctl)(struct?inode?*,?struct?file?*,?unsigned?int,?unsigned?int?)；　　??
/*?用于給設(shè)備發(fā)送命令的接口函數(shù)。如驅(qū)動(dòng)不提供，則所有調(diào)用失敗，返回ENOTTY?*/???
int?(*mmap)(struct?inode?*,?struct?file?*,?struct?vm_area_struct?*)；??
/*?用于請(qǐng)求將設(shè)備內(nèi)存映射到進(jìn)程空間。如果驅(qū)動(dòng)不提供，則所有調(diào)用失敗，返回ENODEV?*/??
int?(*open)(struct?inode?*,?struct?file?*)；　　??
/*?打開(kāi)設(shè)備，通常是對(duì)設(shè)備的第一個(gè)操作函數(shù)?*/??
void?(*release)(struct?inode?*,?struct?file?*)；　??
/*?關(guān)閉設(shè)備。只有當(dāng)設(shè)備文件的所有備份都被釋放時(shí)，才進(jìn)行release調(diào)用，而不是每次調(diào)用close時(shí)都執(zhí)行。?*/??
int?(*fsync)(struct?inode?*,?struct?file?*)；??
/*?是系統(tǒng)調(diào)用fsync的背后支撐，用戶可調(diào)用fsync來(lái)刷新緩存數(shù)據(jù)?*/??
}；??

3. Linux驅(qū)動(dòng)工作原理
3.1 驅(qū)動(dòng)程序工作原理圖（如圖3所示）
?

3.2 驅(qū)動(dòng)程序工作原理剖析
3.2.1注冊(cè)驅(qū)動(dòng)程序
設(shè)備驅(qū)動(dòng)是通過(guò)insmod命令加載到系統(tǒng)內(nèi)核中，在內(nèi)核里由加載模塊Init_module()調(diào)用注冊(cè)函數(shù)register_chrdev()來(lái)完成（如圖3所示）。
注冊(cè)函數(shù)格式為：

[cpp]?view plain?copy

int?register_chrdev(unsigned?int?major,?const?char?*name,?struct?file_operation?*fops);??

??major ：主設(shè)備號(hào)
??name ：設(shè)備名
??fops ? ：驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)體的地址
?
當(dāng)注冊(cè)函數(shù)在執(zhí)行時(shí)，首先從字符設(shè)備注冊(cè)表chrdev[ ]的底部（實(shí)際是倒數(shù)第二個(gè)表項(xiàng)）開(kāi)始向上依次查詢各個(gè)表項(xiàng)（如圖4所示），查到表項(xiàng)的成員項(xiàng)fops為null時(shí)，說(shuō)明它是一個(gè)空表項(xiàng)。這時(shí)把參數(shù)給出的設(shè)備名和驅(qū)動(dòng)程序指針集合分別賦予該表項(xiàng)device_struct結(jié)構(gòu)體（也被稱為設(shè)備描述符，在fs/device.c中）的成員項(xiàng)name和fops，如下所示：
?

[cpp]?view plain?copy

if?(major?==?0)??
for?(major=MAX_CHRDEV-1;?major>0;?major--)??
{if?(chrdev[major].fops?==?NULL)??
{chrdev[major].name?=?name;??
?chrdev[major].fops?=?fops;??
?return?major;}??
return?–EBUSY;??
}??

3.2.2注銷驅(qū)動(dòng)程序
驅(qū)動(dòng)程序的注銷是由rmmod命令調(diào)用cleanup_module卸載模塊，此時(shí)注銷函數(shù)unregister_chrdev()函數(shù)就會(huì)被調(diào)用執(zhí)行（如圖3所示）。當(dāng)注銷函數(shù)的參數(shù)給出了要注銷設(shè)備的主設(shè)備號(hào)major和設(shè)備名name后，根據(jù)參數(shù)major檢查注冊(cè)表項(xiàng)中注冊(cè)的設(shè)備名與參數(shù)給出的名字是否一致，若不同則不能注銷并返回錯(cuò)誤值；如果一致則把該表項(xiàng)的兩個(gè)成員項(xiàng)都置為null然后返回0值，如下所示：

[cpp]?view plain?copy

if?(strcmp(chrdev[major].name,?name))??
???reture?–EINVAL;??
else??
???{?chrdev[major].name?=?NULL;??
?????chrdev[major].fops?=?NULL;??
??return?0;}??

在Linux中由于設(shè)備管理是由內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的，所以設(shè)備管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在內(nèi)存的內(nèi)核區(qū)，設(shè)備管理使用的函數(shù)都是內(nèi)核函數(shù)。

4. 結(jié)束語(yǔ)
操作系統(tǒng)是通過(guò)各種驅(qū)動(dòng)程序來(lái)駕馭硬件設(shè)備的，它為用戶屏蔽了各種各樣的設(shè)備，驅(qū)動(dòng)硬件是操作系統(tǒng)最基本的功能，并且提供統(tǒng)一的操作方式。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是內(nèi)核的一部分，硬件驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)最基本的組成部分,因此熟悉驅(qū)動(dòng)的編寫(xiě)是很重要的。

閱讀全文

嵌入式(330854) 嵌入式(330854)
Linux(218417) Linux(218417)
設(shè)備驅(qū)動(dòng)(11320) 設(shè)備驅(qū)動(dòng)(11320)

評(píng)論

91欧美超碰AV自拍|国产成年人性爱视频免费看|亚洲日韩欧美一厂二区入|人人看人人爽人人操aV|丝袜美腿视频一区二区在线看|人人操人人爽人人爱|婷婷五月天超碰|97色色欧美亚州A√|另类A√无码精品一级av|欧美特级日韩特级

搜索歷史

需要了解嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)的工作原理

評(píng)論