Linux是Unix操作系统的一种变种,在Linux下编撰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中,驱动程序都是模块化的。
module翻译成英文就是模块,它可以被动态载到kernel里成为kernel的一部份。载到kernel里的module它具有跟kernel一样的权利。可以access任何kernel的datastructure)。
驱动程序Module加载到kernel由俩种方法,静态加载和动态加载,静态加载是指在kernel编译之前,把驱动module加载到kernel里,之后于kernel一起编译。例如文件系统是靠块设备驱动module来实现的,假如没有加载块设备驱动module,在内核启动时,我们不能实现文件系统,所以象这些跟kernel联系很紧密的module,我们通常把它静态加载到kernel上。假如要从kernel上删掉此module,须要重新编译kernel。动态加载是指,kernel编译完成后,处于活动状态是,我们把module加载到kernel上,通常都不须要重启系统。删掉也是动态的,不用重新编译kernel,动态加载也分俩种:一种是手动加载module,一种是自动加载Module。
在Linux环境下设计驱动程序,思想简练,操作便捷,功能也很强悍,并且支持函数和变量少,只能依赖kernel中的函数和变量,有些常用的操作要自己来编撰,但是调试也不便捷。所以动程序模块中提供的函数和变量,要么是kernel提供的函数和变量(kernel提供的函数和变量,不用显式export,模块就可以使用),要么是自己编撰的函数和变量linux社区,要么是其他驱动程序模块提供的函数和变量(若A模块使用B模块提供的函数或变量,首先在B模块中exportA模块须要的函数和变量,其次B模块必须先于A模块加载到内核上,否则A模块加载不上)
这儿linux通配符,所谓由kernel提供的函数和变量并不是我们在用户状态下使用的函数和变量,而是内核状态下使用的函数和变量。你不能使用通常libc或glibc所提供的函数。像printf之类的东西。
系统调用是操作系统内核和应用程序之间的插口,设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间的插口。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。应用程序进程通过I/O系统调用(open,read,write等)访问设备文件(一般我们把设备文件建到/dev下),系统通过主设备号找到相应的设备驱动程序,即module,之后读取module中数据结构相应的函数表针,接着把控制权交给该函数(此函数是写在驱动程序里的函数,是在内核状态下实现的,可以看作是用户程序系统调用和硬件设备的插口,一般由我们自己编撰,内部通常须要由kernel提供的函数,如put_user(),get_user()等)。是linux的设备驱动程序工作的基本原理。既然是这样,则编撰设备驱动程序的主要工作就是编撰子函数,并填充file_operations的各个域.
这儿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。由于当系统访问一个设备文件时,系统内核只使用主设备号来区别设备类型和决定使用何种内核模块。系统内核并不须要晓得从设备号。内核模块驱动本身才关注从设备号,并用之来区别其操纵的不同设备。
设备驱动程序是内核的一部份,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恳求的数据.
4.检查和处理设备出现的错误.
在设备驱动程序中,结构体file_operations在头文件linux/fs.h中定义(是由kernel提供的),拿来储存驱动内核模块提供的对设备进行各类操作的函数的表针。该结构体的每位域都对应着驱动内核模块拿来处理某个被恳求的事务的函数的地址。而此函数是我们自己设计的,其实其中包括kernel提供的函数和变量
举个反例linux内核驱动,每位字符设备须要定义一个拿来读取设备数据的函数。结构体file_operations中储存着内核模块中执行这项操作的函数的地址。以下是该结构体在内核2.4.2中看上去的样子:
struct file_operations
{
struct module *owner;
loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *);
ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *);
int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);
unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);
int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
int (*open) (struct inode *, struct file *);
int (*flush) (struct file *);
int (*release) (struct inode *, struct file *);
int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync);
int (*fasync) (int, struct file *, int);
int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
ssize_t (*readv) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *);
ssize_t (*writev) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *);
};
驱动内核模块是不须要实现每位函数的。像视频卡的驱动就不须要从目录的结构中读取数据。这么,相对应的file_operations中的项就为NULL。
gcc还有一个便捷使用这些结构体的扩充。你会在较现代的驱动内核模块中看到。新的使用这些结构体的形式如下:
struct file_operations fops =
{
read: device_read,
write: device_write,
open: device_open,
release: device_release
};
指向结构体file_operations的表针一般命名为fops。
具体实现框架
注册module
在初始化函数intinit_module(void)中加入注册module函数。
intregister_chrdev(unsignedintmajor,constchar*name,structfile_operations*fops);
其中unsignedintmajor是你申请的主设备号,constchar*name时即将在文件/proc/devices出现的设备的名子,structfile_operations*fops是指向你的驱动模块的file_operations表的表针。
负的返回值意味着注册失败。注意注册并不须要提供从设备号。内核本身并不在乎从设备号。
有俩种方式得到主设备号并注册:
最简单的方式是查看文件Documentation/devices.txt并从中选购一个没有被使用的。这不是一劳永逸的方式由于你没法获知该主设备号在将来会被占用(卸载module之后,其他与之相同主设备号的设备注册)。
假如你向函数register_chrdev传递为0的主设备号,这么返回的就是动态分配的主设备号。动态分配通常都分配未被使用的主设备号最大的,假如主设备号0~255,动态分配回给你分配一个254。
创建设备文件
第一种方式:去构建一个新的名叫‘coffee’,主设备号为12和从设备号为2的字符设备文件,只要简单的只能执行命令
mknod /dev/coffee c 12 2
这儿主设备号由驱动程序init_module函数中的prink复印到用户空间。(这儿prink是kernel提供的函数)
第二种方式:当注册成功时,使用mknod系统调用构建设备文件而且在驱动模块调用函数cleanup_module前调用rm删掉该设备文件。
应用程序和驱动程序的构造和运行
应用程序构造和运行在用户空间(用户态),程序入口是main(),从头到尾执行单个任务。应用程序在退出时,可以不管资源的释放或其它的清理工作。
驱动程序构造和运行在内核空间(核态度),程序入口是init_module(),module首先“预先”在内核中注册自己,便于服务于将来的某个恳求,之后它的初始化函数就结束。但模块的退出函数必须仔细撤消初始化函数所做的一切,否则,系统重新引
导之前,个别东西才会残留在系统中。
Intinit_module(void){
…..
}//初始化模块
Voidcleanup_module(void){
}//在模块被卸载之前调用的
注:用户空间(用户态)与内核空间(内核态)linux内核驱动,两种模式都有自已的显存映射,都有自己
的地址空间。
因为module本身是kernel的一部份,因而只能调用由Kernel提供的函数:编译是必须加上函数的路径:例如
-I/usr/src/linux-xxx/include
Makefile里可以这样写:
Test.o : test.c
gcc –c test.c –D_KERNEL_ -DMODULE -I /usr/src/linux-xxx/include
insmod test.o
clean :
rm –f *.o
rmmod test
加载模块
insmod 模块名.o //生成一个文件-模块名
卸载模块
rmmod 模块名
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