Linux设备驱动程序课件

设备驱动概述
Linux操作系统把设备纳入文件系统的范畴来管理。 文件操作是对设备操作的组织和抽象。设备操作则是
对文件操作的最终实现。 每个设备都对应一个文件名，在内核中也就对应一个
索引节点。 对文件操作的系统调用大都适用于设备文件。 从应用程序的角度看，设备文件逻辑上的空间是一个
线性空间（起始地址为0，每读取一个字节加1）。从 这个逻辑空间到具体设备物理空间（如磁盘的磁道、 扇区）的映射则是由内核提供，并被划分为文件操作 和设备驱动两个层次。
一些重要的数据结构
文件操作结构体file_operations
➢ 结构体file_operations在头文件 linux/fs.h中定义， 用来存储驱动内核模块提供的对设备进行各种操作 的函数的指针。
➢ 结构体的每个域都对应着驱动模块用来处理某个被 请求的事务的函数的地址。
➢ struct file_operations { llseek) (struct file *, loff_t, int); ssize_t(*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *); ssize_t(*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *); 。。。
一组寄存器组被赋予到各个控制器。I/O端口包含4组寄 存器，即状态寄存器，控制寄存器，数据输入寄存器， 数据输出寄存器。
➢ 状态寄存器拥有可以被CPU读取的(状态)位，用来 指示当前命令是否执行完毕，或者字节是否可以被 读出或写入，以及任何错误提示。
➢ 控制寄存器则用于启动一条命令（指令）或者改变 设备的(工作)模式。
}
一些重要的数据结构
file_operations重要的成员
➢ Struct module *owner ，指向拥有该结构体的模 块的指针。
➢ 方法llseek用来修改文件的当前读写位置，把新位 置作为返回值返回。
➢ 方法read用来从设备中读取数据。非负返回值表示 成功读取的直接数。
➢ 方法write向设备发送数据。 ➢ 方法ioctl提供一种执行设备特定命令的方法。
设备驱动概述
设备驱动的概念是非常抽象的并且处于一台计算 上所运行软件的最低层。
由于直接到设备的硬件特性的限 制。每个设备驱 动都只管理一种单一类型的设备。
如果一个应用 程序向设备提出（操作）要求。内 核会联系到对应的设备驱动，设备驱动接着向特 定的设备发出命令。
设备驱 动是一个函数集合：包含了许多调用入口， 类似于open，close，read，write，ioctl， llseek 等。
设备驱动概述
设备文件： ➢ 任何设备都被当作路径/dev 的设备文件处理，并通 过这些设备文件提供访问硬件的方法。 ➢ 每个设备文件除了设备名外，还有类型、主设备号、 次设备号这三个属性。 ➢ 设备文件是通过mknod系统调用创建的。其原型为： mknod(const char * filename, int mode, dev_t dev) ➢ mknod /dev/led0 c 253 0
➢ include/linux/kernel.h ➢ void *kmalloc(unsigned int len, int priority); ➢ void kfree(void *__ptr); ➢ priority参数:
▪ 通常设置为GFP_KERNEL，可能会引起睡眠. ▪ 如果在中断服务程序里申请内存则要用GFP_ATOMIC参数，
设备驱动概述
Linux将设备分成两大类。 ➢ 一类像键盘那样以字符（字节）为单位，逐个字符 进行输入／输出的设备，称为字符设备。 ➢ 一类是像磁盘那样以块或扇区为单位，成块进行输 入／输出的设备，称为块设备。 ➢ 文件系统通常都建立在块设备上。
设备驱动概述
文件操作和设备驱动是对一个具体的设备操作的不同层 次。从这种观点出发，从概念上可以把一个系统划分为 应用、文件系统和设备驱动三个层次。
与模块初始化函数对应的就是模块卸载函数，需 要调用register_chrdev()的"反函数"
设备操作函数集的定义
file_operations结构体，驱动程序只是利用其中 的一部分。
对于字符设备来说，要提供的主要入口有： open ()、release ()、read ()、write ()、ioctl () 等。
➢ 这种语法清晰，没有显示声明的结构体成员都被 gcc初始化为NULL。
一些重要的数据结构
file_operations重要的成员
➢ 标准C的标记化结构体的初始化方法：
struct file_operations fops = { .read = device_read, .write = device_write, .open = device_open, .release = device_release
▪ Unsigned int iminor(struct inode *inode); ▪ Unsigned int imajor(struct inode *inode);
驱动程序中的内存分配
在Linux内核模式下，不能使用用户态的malloc() 和free()函数申请和释放内存。
内核编程最常用的内存申请和释放函数为 kmalloc()和kfree()，其原型为：
➢ 数据输入寄存器用于获取输入的数据。
➢ 数据输出寄存器则向CPU发送结果。 处理器和设备之间的基本界面是控制和状态寄存器。
设备驱动概述
寄存器拥有在I/O空间明确定义的地址范围。 通常这些地址在启动时被分配。
➢ 如果设备是静态加载的,各个设备的地址范围可能被预 分配。这意味内核包含了已存在设备的驱动 程序。通 过运行“cat /proc/ioports” 命令检查其所使用的地 址范围。第一列输出显示了端口的范围而第二列则是 拥用这些端口的设备。
▪ MAJOR(dev_t dev); ▪ MINOR(dev_t dev);
➢ 通过主次设备号合成设备编号：
▪ MKDEV(int major, int minor);
➢ Dev_t格式以后可能会发生变化，但只要使用这些 宏，就可保证设备驱动程序的正确性。
一些重要的数据结构
大部分驱动程序涉及三个重要的内核数据结构： ➢ 文件操作file_operations结构体 ➢ 文件对象file结构体 ➢ 索引节点inode结构体
read read ssyyss_reeaadd
用用户户空空间间函函数数 内内核核系 系统统调调用用
filfiele- > f__oopp- >- r>eraedad do_dgoe_ngenriecri_cf_ifliele__reaadd
文件文件系系统统读读操操作作 通用文件系统读操作
submit_sbuhbmit_bh adadd_d_rreeqqusstt
➢ 其他成员可先忽略，后面具体实例分析。因为设备 驱动模块并不自己直接填充结构体 file，只是使用 file中的数据。
一些重要的数据结构
索引节点inode结构
➢ 文件打开，在内存建立副本后，由唯一的索引节点 inode描述。
➢ 与file结构不同。 ▪ file结构是进程使用的结构，进程每打开一个文 件，就建立一个file结构。不同的进程打开同一 个文件，建立不同的file结构。 ▪ Inode结构是内核使用的结构，文件在内存建立 副本，就建立一个inode结构来描述。一个文件 在内存里面只有一个inode结构对应。
}; ➢ 推荐使用该方法，提高移植性，方法允许对结构体成员进行重
新排列。没有显示声明的结构体成员同样都被gcc初始化为
NULL。
➢ 指向结构体file_operations的指针通常命名为fops。
一些重要的数据结构
文件对象file结构体 ➢ 文件对象file代表着一个打开的文件。进程通过文 件描述符fd与已打开文件的file结构相联系。进程 通过它对文件的线性逻辑空间进行操作。例如： file->f_op->read();
Linux设备驱动
广州嵌入式软件公共技术支持中心 梁老师
2007年07月
设备驱动概述
操作系统是通过各种驱动程序来驾驭硬件设备，它为 用户屏蔽了各种各样的设备,硬件设备的抽象。
设备驱动程序:处理和管理硬件控制器的软件。 设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间的接口。
设备驱动概述
设备由两部分组成，一个是被称为控制器的电器部分， 另一个是机械部分。
一些重要的数据结构
file_operations重要的成员
➢ 驱动内核模块是不需要实现每个函数的。相对应的 file_operations的项就为 NULL。
➢ Gcc的语法扩展，使得可以定义该结构体： struct file_operations fops = {
read: device_read, write: device_write, open: device_open, release: device_release };
请求提交操作 将请求加入请求队列
设备驱动概述
进程
应用层
File结构 普通文件
File结构 File结构
设备文件
文件系统层
从普通文件的逻辑空间到 设备逻辑空间的映射
从设备逻辑空间到设备 物理空间的映射
从设备逻辑空间 到设备物理空间 的映射
设备驱动层
设备1
设备2
设备n
设备驱动概述
要使一项设备可以被应用程序访问，首先要在系统中 建立一个代表此设备的设备文件，这是通过系统调用 mknode()实现的。此外，更重要的是在设备驱动层要 有这种设备的驱动程序。