周国运ARM讲义6

2、close入口点。关闭一个没备。当最 后一次使用设备完成后，调用close子程序。 独占设备必须标记设备方可再次使用。 3、read入口点。从设备上读数据。对 于有缓冲区的I/O操作，一般是从缓冲区 里读数据。对字符设备文件进行读操作将 调用read子程序。 4、write入口点。往设备上写数据。对 于有缓冲区的I/O操作，一般是把数据写 入缓冲区里。对字符设备文件进行写操作 将调用write子程序。
在该子程序中，可以调用sleep()等，与进 程运行环境有关的函数。
3、中断服务程序
中断服务程序又称为驱动程序的下半部 由Linux来接收硬件中断请求，再由OS调 用中断服务子程序。 中断服务程序所属进程和状态： 不依赖于任何进程和状态 由于中断可以在任何一个进程运行时产 生，因而在中断服务程序被调用时，不能依 赖于任何进程和状态。 不能调用任何与进程运行环境有关的函 数
在结构 file_operations里，指出了设备驱 动程序所提供的入口点位臵，分别是： llseek，移动文件指针的位臵，只能用于 可以随机存取的设备。 read，进行读操作，参数 buf为存放读取 结果的缓冲区，count为所要读取的数据长 度。返回值为负表示读取操作发生错误；否 则，返回实际读取的字节数。 write，进行写操作，与 read类似。 select，进行选择操作。如果驱动程序没 有提供 select入口，select操作将会认为已经 准备好进行任何的I/O操作。
6.1 嵌入式Linux的设备管理
Linux将设备分成三大类： 一类是块设备，类似磁盘以记录块 或扇区为单位，成块进行输入，输出的 设备； 另一类是字符设备，类似键盘以字 符为单位，逐个进行输入/输出的设备 网络设备是介于块设备和字符设备 之间的一种特殊设备。
块设备：
块设备接口仅支持面向块的I/O操作； 所有块I/O操作都通过在内核地址空 间中的I/O缓冲区进行； 块设备支持随机存取功能。 文件系统通常都建立在块设备上。
6.1.3 驱动程序结构
一、设备驱动程序的组成(3部分)
1、配臵和初始化子程序 （1）检测所驱动的硬件设备是否工作正
常
（2）对设备及其相关驱动程序进行初始 化。这部分驱动程序在设备初始化时被调用。
2、服务于I/O请求的子程序
该子程序称为驱动程序的上半部。 运行的进程与状态：系统认为这部分程 序的运行，与调用它的进程属于同一个进程； 只是由用户态变成了核心态。
struct file_operations { struct module *owner; //本模块指针 lofft (*llseek) (struct file *，loff_t，int); ssize_t (read) (struct file *, char *, size_t， loof_t *); ssize_t (*write) (struct file *，const char *， size_t，loff_t *); int (*readdir) (struct file *，void *，filldir_t);

ioctl，进行读、写以外的其他操作。 mmap，用于把设备的内容映射到地址空 间，一般只有块设备驱动程序使用。 open，打开设备进行I/O操作。返回 0表 示成功，返回负数表示失败。 release，即 close操作。 其中，struct inode称做索引节点数据结 构，提供了特殊设备文件/dev/driver （driver为设备名 ）信息。 在内核中用inode结构表示具体的文件。
设备文件与设备对应
每一个设备都有一个“文件名”
每个设备文件惟一地确定一种设备
应用程序通过设备文件访问具体的设备
设备像普通文件一样，受到文件系统访 问权限控制机制的保护。
三、对设备的操作方法
1、操作方法
对设备进行操作，与对文件的操作类似， 主要包括：open()、read()、write()、ioctl()、 close()等。
6.2 设备驱动程序的开发过程
本节主要内容
1、概述 2、模块化驱动程序设计 3、设备注册和初始化 4、中断管理 5、设备驱动开发的基本函数 6、加载和卸载驱动程序
6.2.0 驱动程序设计概述
1、编写驱动程序是必须的 由于嵌入式设备硬件种类非常丰富，在 默认的内核发布版中不一定包括所有驱动程 序。所以进行嵌入式Linux系统的开发，很 大的工作量是为各种设备编写驱动程序。除 非系统不使用操作系统，程序直接操纵硬件。
（1）对硬件进行控制
（2）建立应用程序和设备之间的接口
3、驱动程序的特性
设备驱动程序实际是处理和操作硬件控 制器的软件。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
从本质上讲，驱动程序是OS内核中具有 最高特权级的、驻留内存的、可共享的、底 层硬件处理的例程。
4、驱动程序的基本操作 驱动程序是内核的一部分，是内核与硬 件设备的直接接口，驱动程序屏蔽了硬件的 细节，完成以下操作： 对设备初始化和释放； 对设备进行管理，包括实时参数设臵，以 及提供对设备的操作接口； 读取应用程序传送给设备文件的数据，或 者回送应用程序请求的数据；即在设备和应 用程序间传送数据。 检测和处理设备出现的错误。
二、驱动程序的入口点
在系统内部，I/O设备的存取通过一组固 定的入口点来进行，入口点也可以理解为设 备的句柄，就是对设备进行操作的基本函数。 入口点由设备的驱动程序提供 一般来说，字符型设备驱动程序提供如 下几个入口点： open()、read()、write()、ioctl()、close()、 select()（检查设备（读、写）、描述符）
二、设备文件
Linux操作系统将所有的设备全部看成文 件，都纳入文件系统的范畴，并通过文件的 操作界面进行操作。 对用户程序而言，设备驱动程序隐藏了 设备的具体细节，对各种不同设备提供了一 致的接口，一般来说，是把设备映射为一个 特殊的设备文件，用户程序可以像对其他文 件一样，对设备文件进行操作。
设计驱动程序的大致步骤
为了加快开发速度，可以在硬件生产厂 家或者Internet上寻找驱动程序，也可以根 据相近的硬件驱动程序来改写。 实现一个嵌入式Linux设备驱动的大致流 程如下。 (1)查看原理图 理解设备的工作原理。 一般嵌入式处理器的生产商提供参考电路， 也可以根据需要自行设计。
(2)定义设备号 设备由一个主设备号和 一个次设备号来标识。主设备号惟一标识了 设备类型，即设备驱动程序类型，它是块设 备表或字符设备表中设备表项的索引。次设 备号仅由设备驱动程序解释，区分被一个设 备驱动控制下的某个独立的设备。 (3)实现初始化函数 在驱动程序中实现 驱动的注册和卸载。 (4)设计所要实现的文件操作 定义 file_operations结构。
6.1.2 设备驱动程序的概念
一、驱动程序的特点与功能 1、驱动程序的特点 （1）对硬件控制，对寄存器进行操作， 通常这些操作与设备直接相关；
（2）对时序要求非常严格。
这些工作对应用程序员来说是复杂而困 难。驱动程序的作用正是要屏蔽硬件的这些 底层细节，从而简化应用程序的编写。
2、驱动程序的基本功能
一、内核空间和用户空间
1、核心态和用户态
当软件运行时，我们通常称执行态为“内 核空间”和“用户空间”。 在Linux系统中，内核在最高级执行，也称 为“核心态”，在这一级任何操作都可以执 行。而应用程序则执行在最低级，所谓的 “用户态”，在这一级禁止处理器对硬件的 直接访问和对内存的未授权访问。 两种态的切换 Linux通过系统调用和硬件 中断完成从用户空间到内核空间的控制转移
嵌入式系统讲义
第6章 嵌入式Linux 驱动程序开发
周国运
2010.5
本章各节内容
1、嵌入式Linux设备管理 2、设备驱动程序的开发过程 3、LED驱动程序设计 4、按键驱动程序设计
本章主要内容：
本章将学习嵌入式设备驱动程序的开发， 通过本章学习： 了解Linux对设备的管理方式和驱动程序 的结构 掌握字符设备驱动程序的开发方法 掌握Linux通用I/O口设备的控制 掌握Linux外部中断的控制
5、ioctl入口点。执行读、写之外的操作 6、select入口点。检查设备，看数据是否 可读或设备是否可用于写数据。在检查与设 备文件相关的文件描述符时使用select入口 点。 如果设备驱动程序没有提供上述入口点 中的某一个，系统会用默认的子程序来代替。 对于不同的系统，也还有一些其他的入 口点。
三、文件操作数据结构
设备驱动程序所提供的入口点，由一个 文件操作结构——file_operations来描述， 向系统进行说明。 file_operations结构定义于Linux/fs.h文件 中，随着内核的不断升级，file_operations 结构也越来越大，不同版本的内核会稍有不 同。 file_operations结构中的成员全部是函数 指针，所以实质上它就是函数跳转表。如下 页所示。
inode结构与file结构的区别：
inode结构：文件索引节点结构，表示具 体的文件； file结构：表示打开的文件描述符。 对于单个文件，可能会有多个表示打开 的文件描述符file，但是它们都指向了单个 的inode结构。
file_operations的使用说明
在用户自己的驱动程序中，根据驱动程 序的功能，编写file_operations结构中需要 的各个成员函数。 不需要的成员函数可以不写。 file_operations中的成员会在驱动程序初 始化时，注册到系统内部。 每个进程对设备的操作，都会根据主次 设备号，转换成对file_operations结构的访 问。
1、open入口点
open入口点的作用：打开设备准备 I/O操作。对字符设备文件进行打开操 作，都会调用设备的open入口点。 open子程序的功能：必须对将要进 行的I/O操作做好必要的准备工作，如 清除缓冲区等。如果设备是独占的，即 同一时刻只能有一个程序访问此设备， 则open子程序必须设臵一些标志，以表 示设备处于忙状态。