嵌入式设备驱动程序设计

• 嵌入式Linux内核采用可加载的模块化设计 方式，也就是将最基本的核心代码编译在 内核中，其他的代码可以则编译成内核的 模块文件。
对设备进行访问和操作的程序由 两部分组成，即： 设备驱动程序＋用户应用程序。
设备驱动程序特点：
• (1)内核代码：设备驱动程序是内核的一部 分，如果设备驱动程序出错，则有可能导 致系统崩溃。 • (2)内核接口：设备驱动程序必须为内核或 者其子系统提供一个标准接口 • (3)可动态装载：大多数嵌入式Linux设备驱 动程序都可以在需要时动态地装载进内核， 在不需要时从内核中卸载。
8.1.3 设备驱动程序的加载过程
1、设备号
• 嵌入式Linux系统通过设备号来区分不同设 备。设备号分为主设备号和次设备号。内 核通过主设备号将设备与相应的驱动程序 对应起来。主设备号的取值范围是0～255。 当一个驱动程序要控制若干个设备时，就 要用次设备号来区分它们。
2、设备进入点
• 对每个设备都要定义一个设备进入点，该 设备进入点的名称则称为设备名。设备进 入点又称为设备文件。 • 如果设备注册成功，则设备名就会写入到 /proc/devices文件中。 • 对于设备进入点(设备文件)，可以象操作磁 盘上的普通文件一个，进行删除(rm)、移 动(mv)和复制(cp)等操作。
【例8-2】一个简单的字符型设备驱 动程序。
• • • • • • 1、驱动程序主要模块 int Demo_open (){ } ssize_t Demo_read(){ } ssize_t Demo_write(){ } int Demo_ioctl (){ } int Demo_release (){ }
一般地，一个设备驱动程序模块 的基本框架如下：
• • • • • • • • • • • • • • #include < ……/xxx.h> //驱动程序所必须的包含文件 open(){ … } read(){ … } write(){ … } …… // 设备的功能接口函数与数据结构体 struct file_operation{ …… }; int init_module(void) { …… //驱动程序注册语句 } void cleanup_module(void) { …… //释放设备资源语句 } module_init(init_module); //加载驱动的入口点 module_exit(cleanup_module); //卸载设备驱动的入口点
驱动程序demo_drv.c代码
• • • • • • • • #include <linux/config.h> #include <linux/kernel.h> #include <linux/init.h> #include <linux/fs.h> #include <linux/devfs_fs_kernel.h> #include <linux/module.h> #define Demo_MAJOR 98 #define Demo_DEBUG
• 用户应用程序调用设备的功能都是在设备 驱动程序中定义的，也就是设备驱动程序 中所定义的功能入口点函数（或称为功能 接口函数）。这些设备的功能接口函数都 被定义在 <include/linux/fs.h> 中的数据结 构体里面。 struct file_operations{ }； struct inode{ }； struct file{ }；
/* Demo设备的写操作接口函数 */
•
• • • • • •
ssize_t Demo_write (struct file *file , const char *buf, size_t count, loff_t *f_ops) { #ifdef Demo_DEBUG printk ("Demo_write [ --kernel--]\n"); #endif return count; }
教材：嵌入式系统设计与应用 作者：张思民 出版：清华大学出版社
第8章 嵌入式 设备驱动程序设计
第8章
嵌入式设备驱动程序设计
• 8.1 嵌入式设备驱动程序基础 • 8.1.1 设备驱动程序概述 • 8.1.2 设备驱动程序的框架 • 8.1.3 设备驱动程序的加载过程 • 8.1.4 设备驱动程序功能接口函数模块 • 8.1.5 设备驱动程序重要的数据结构体 • 8.2 设备驱动程序设计 • 8.2.1设计驱动程序 • 8.2.2 编译和加载驱动程序 • 8.3 简单驱动程序设计示例
/* Demo设备的ioctl接口函数 */
• int Demo_ioctl (struct inode *inode , struct file *file, unsigned int cmd , unsigned long data) { #ifdef Demo_DEBUG printk ("Demo_ioctl [ --kernel--]\n"); #endif return 0; }
• 查看设备进入点是否创建成功，命令的一 般格式为： • ls -l /dev |grep 设备名
3、加载设备驱动程序
• （1）加载设备驱动程序的一般格式为： insmod < 设备驱动程序.o > • （2）要察看当前加载了哪些设备驱动程序 则使用下列命令： lsmod -l • （3）若要卸载驱动程序，则使用命令： rmmod < 设备驱动程序.o >
• 在设备驱动程序中，由接口函数read( )和 write( )完成字符设备的读写操作。 • 函数read( )和write( )的主要任务就是把内 核空间的数据复制到用户空间，或者从用 户空间把数据复制到内核空间。
4、设备的控制操作
• 在设备驱动程序中，接口函数ioctl( )主要 用于对设备进行读写之外的其他控制操作。 函数ioctl( )的操作与设备密切相关。比如， 串口的传输波特率、马达的转速等等，这 些操作一般无法通过read( )和write( )操作 来完成。 • 在用户空间ioctl函数的定义为： int ioctl(int fd, ind cmd, …)；
4、设备驱动程序加载与卸载的 工作过程
8.1.4 设备驱动程序的功能接口 函数模块
一个设备驱动程序模块包含有 5个部分的功能接口函数：
• • • • • (1)驱动程序的注册与释放； (2)设备的打开与关闭； (3)设备的读写操作； (4)设备的控件操作； (5)设备的中断或轮询处理。
1、设备驱动程序的注册与释放
8.1嵌入式设备驱动程序基础
8.1.1
设备驱动程序概述
1、设备文件
• 设备文件分为三类：字符设备文件、 块设备文件和网络接口设备文件。
• 字符设备文件通常指不需要缓冲就能够直 接读写的设备。 • 块设备文件通常指仅能以块为单位读写的 设备，它的存取是通过缓冲区来进行。 • 网络接口设备文件通常指网络设备访问的 接口，如网卡等。
• 设备驱动程序运行在内核空间，而用户应 用程序则运行在用户空间。 • 嵌入式操作系统通过系统调用和硬件中断 来完成从用户空间到内核空间的控制转移 。
8.1.程序。
• • • • • • • • • • • • • #include <linux/module.h> #include < linux/kernel.h> int init_module(void) { printk("Hello,Test_drv [ ---kernel---]\n"); return 0; } void cleanup_module(void) { printk("Goodbye Test_drv [ ---kernel---]\n"); } module_init(init_module); module_exit(cleanup_module);
• 字符设备的注册函数为： • devfs_register_chrdev(Demo_ID, "demo_drv", &Test_ctl_ops); • 从本质上来说，设备注册的过程，其实就是将设 备驱动程序与该设备的设备号及设备名(设备进入 点)相关联。 • 将不需要的资源及时释放是一个良好的设计习惯。 释放设备资源只需要调用函数： • devfs_unregister_chrdev (Demo_ID, "demo_drv" );
(1) 创建设备进入点
• • • • • 创建设备进入点的命令格式为： mknod /dev/xxx type major minor 其中： xxx为设备名； type为设备类型，若为字符设备，则为c， 若为块设备，则为b； • major和minor分别为主设备号、次设备号。
(2) 查看设备进入点
2、设备的打开与关闭
• (1) open( )函数 • 在设备驱动程序中，设备的打开操作由功 能接口函数open( )完成。它主要提供驱动 程序初始化的能力，为以后对设备进行I/O 操作做准备。 • （2）release( )函数 • release( )函数是释放设备的接口。
3、设备的读写操作
2、内核空间和用户空间
• 内核主要负责操作系统最基本的内存管理、 进程调度和文件管理以及虚拟内存、需求 加载、TCP/IP网络功能等。 • 内核空间和用户空间分别引用不同的内存 映射，也就是程序代码使用不同的地址空 间。
用户空间
内核空间
3、设备驱动程序和用户应用程序
• 设备驱动程序可以理解为操作系统的一部 分，它的作用就是让操作系统能正确识别 和控制设备。
/* Demo设备的读操作接口函数 */
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ssize_t Demo_read (struct file *file , char *buf, size_t count, loff_t *f_ops) { #ifdef Demo_DEBUG printk ("Demo_read [ --kernel--]\n"); #endif return count; }