深入浅出Linux设备驱动编程.docx

1、深入浅出Linux设备驱动编程深入浅出Linux设备驱动编程一引言 2二Linux内核模块 4三字符设备驱动程序 7四设备驱动中的并发控制 14五设备的阻塞与非阻塞操作 22六设备驱动中的异步通知 31七设备驱动中的中断处理 33八定时器 38九内存与I/O操作 40十结构化设备驱动程序 48十一.复杂设备驱动 50一引言目前，Linux软件工程师大致可分为两个层次：（1）Linux应用软件工程师（Application Software Engineer）：主要利用C库函数和Linux API进行应用软件的编写；（2）Linux固件工程师（Firmware Engineer）：主要进行Boo

2、tloader、Linux的移植及Linux设备驱动程序的设计。一般而言，固件工程师的要求要高于应用软件工程师的层次，而其中的Linux设备驱动编程又是Linux程序设计中比较复杂的部分，究其原因，主要包括如下几个方面：（1）设备驱动属于Linux内核的部分，编写Linux设备驱动需要有一定的Linux操作系统内核基础；（2）编写Linux设备驱动需要对硬件的原理有相当的了解，大多数情况下我们是针对一个特定的嵌入式硬件平台编写驱动的； （3）Linux设备驱动中广泛涉及到多进程并发的同步、互斥等控制，容易出现bug；（4）由于属于内核的一部分，Linux设备驱动的调试也相当复杂。目前，市面上的

3、Linux设备驱动程序参考书籍非常稀缺，少有的经典是由Linux社区的三位领导者Jonathan Corbet、Alessandro Rubini、Greg Kroah-Hartman编写的Linux Device Drivers（目前该书已经出版到第3版，中文译本由中国电力出版社出版）。该书将Linux设备驱动编写技术进行了较系统的展现，但是该书所列举实例的背景过于复杂，使得读者需要将过多的精力投放于对例子背景的理解上，很难完全集中精力于Linux驱动程序本身。往往需要将此书翻来覆去地研读许多遍，才能有较深的体会。（Linux Device Drivers中英文版封面）本文将仍然秉承Linu

4、x Device Drivers一书以实例为主的风格，但是实例的背景将非常简单，以求使读者能将集中精力于Linux设备驱动本身，理解Linux内核模块、Linux设备驱动的结构、Linux设备驱动中的并发控制等内容。另外，与Linux Device Drivers所不同的是，针对设备驱动的实例，本文还给出了用户态的程序来访问该设备，展现设备驱动的运行情况及用户态和内核态的交互。相信阅读完本文将为您领悟Linux Device Drivers一书中的内容打下很好的基础。本文中的例程除引用的以外皆由笔者亲自调试通过，主要基于的内核版本为Linux 2.4，例子要在其他内核上运行只需要做少量的修改。

5、构建本文例程运行平台的一个较好方法是：在Windows平台上安装VMWare虚拟机，并在VMWare虚拟机上安装Red Hat。注意安装的过程中应该选中开发工具和内核开发二项（如果本文的例程要在特定的嵌入式系统中运行，还应安装相应的交叉编译器，并包含相应的Linux源代码），如下图： 二Linux内核模块Linux设备驱动属于内核的一部分，Linux内核的一个模块可以以两种方式被编译和加载：（1）直接编译进Linux内核，随同Linux启动时加载；（2）编译成一个可加载和删除的模块，使用insmod加载（modprobe和insmod命令类似，但依赖于相关的配置文件），rmmod删除。这种方式

6、控制了内核的大小，而模块一旦被插入内核，它就和内核其他部分一样。下面我们给出一个内核模块的例子：#include /所有模块都需要的头文件#include / init&exit相关宏MODULE_LICENSE(GPL); static int _init hello_init (void)printk(Hello module initn);return 0;static void _exit hello_exit (void)printk(Hello module exitn);module_init(hello_init);module_exit(hello_exit);分析上述程序，

7、发现一个Linux内核模块需包含模块初始化和模块卸载函数，前者在insmod的时候运行，后者在rmmod的时候运行。初始化与卸载函数必须在宏module_init和module_exit使用前定义，否则会出现编译错误。程序中的MODULE_LICENSE(GPL)用于声明模块的许可证。 如果要把上述程序编译为一个运行时加载和删除的模块，则编译命令为：gcc -D_KERNEL_ -DMODULE -DLINUX -I /usr/local/src/linux2.4/include -c -o hello.o hello.c由此可见，Linux内核模块的编译需要给gcc指示-D_KERNEL_

8、-DMODULE -DLINUX参数。-I选项跟着Linux内核源代码中Include目录的路径。下列命令将可加载hello模块：insmod ./hello.o下列命令完成相反过程：rmmod hello如果要将其直接编译入Linux内核，则需要将源代码文件拷贝入Linux内核源代码的相应路径里，并修改Makefile。我们有必要补充一下Linux内核编程的一些基本知识：内存在Linux内核模式下，我们不能使用用户态的malloc()和free()函数申请和释放内存。进行内核编程时，最常用的内存申请和释放函数为在include/linux/kernel.h文件中声明的kmalloc()和kf

9、ree()，其原型为：void *kmalloc(unsigned int len, int priority);void kfree(void *_ptr);kmalloc的priority参数通常设置为GFP_KERNEL，如果在中断服务程序里申请内存则要用GFP_ATOMIC参数，因为使用GFP_KERNEL参数可能会引起睡眠，不能用于非进程上下文中（在中断中是不允许睡眠的）。由于内核态和用户态使用不同的内存定义，所以二者之间不能直接访问对方的内存。而应该使用Linux中的用户和内核态内存交互函数（这些函数在include/asm/uaccess.h中被声明）：unsigned long

10、 copy_from_user(void *to, const void *from, unsigned long n);unsigned long copy_to_user (void * to, void * from, unsigned long len);copy_from_user、copy_to_user函数返回不能被复制的字节数，因此，如果完全复制成功，返回值为0。include/asm/uaccess.h中定义的put_user和get_user用于内核空间和用户空间的单值交互（如char、int、long）。这里给出的仅仅是关于内核中内存管理的皮毛，关于Linux内存管理的更

11、多细节知识，我们会在本文第9节内存与I/O操作进行更加深入地介绍。输出 在内核编程中，我们不能使用用户态C库函数中的printf()函数输出信息，而只能使用printk()。但是，内核中printk()函数的设计目的并不是为了和用户交流，它实际上是内核的一种日志机制，用来记录下日志信息或者给出警告提示。每个printk都会有个优先级，内核一共有8个优先级，它们都有对应的宏定义。如果未指定优先级，内核会选择默认的优先级DEFAULT_MESSAGE_LOGLEVEL。如果优先级数字比int console_loglevel变量小的话，消息就会打印到控制台上。如果syslogd和klogd守护进程

12、在运行的话，则不管是否向控制台输出，消息都会被追加进/var/log/messages文件。klogd 只处理内核消息，syslogd 处理其他系统消息，比如应用程序。模块参数2.4内核下，include/linux/module.h中定义的宏MODULE_PARM(var,type) 用于向模块传递命令行参数。var为接受参数值的变量名，type为采取如下格式的字符串min-maxb,h,i,l,s。min及max用于表示当参数为数组类型时，允许输入的数组元素的个数范围；b：byte；h：short；i：int；l：long；s：string。在装载内核模块时，用户可以向模块传递一些参数：i

13、nsmod modname var=value如果用户未指定参数，var将使用模块内定义的缺省值。三字符设备驱动程序Linux下的设备驱动程序被组织为一组完成不同任务的函数的集合，通过这些函数使得Windows的设备操作犹如文件一般。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，如open ()、close ()、read ()、write () 等。Linux主要将设备分为二类：字符设备和块设备。字符设备是指设备发送和接收数据以字符的形式进行；而块设备则以整个数据缓冲区的形式进行。字符设备的驱动相对比较简单。下面我们来假设一个非常简单的虚拟字符设

14、备：这个设备中只有一个4个字节的全局变量int global_var，而这个设备的名字叫做gobalvar。对gobalvar设备的读写等操作即是对其中全局变量global_var的操作。驱动程序是内核的一部分，因此我们需要给其添加模块初始化函数，该函数用来完成对所控设备的初始化工作，并调用register_chrdev() 函数注册字符设备：static int _init gobalvar_init(void)if (register_chrdev(MAJOR_NUM, gobalvar , &gobalvar_fops)/注册失败else/注册成功其中，register_chrdev函数

15、中的参数MAJOR_NUM为主设备号,gobalvar为设备名，gobalvar_fops为包含基本函数入口点的结构体，类型为file_operations。当gobalvar模块被加载时，gobalvar_init被执行，它将调用内核函数register_chrdev，把驱动程序的基本入口点指针存放在内核的字符设备地址表中，在用户进程对该设备执行系统调用时提供入口地址。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 unregister_chrdev()：static void _exit gobalvar_exit(void)if (unregi

16、ster_chrdev(MAJOR_NUM, gobalvar )/卸载失败else/卸载成功随着内核不断增加新的功能，file_operations结构体已逐渐变得越来越大，但是大多数的驱动程序只是利用了其中的一部分。对于字符设备来说，要提供的主要入口有：open ()、release ()、read ()、write ()、ioctl ()、llseek()、poll()等。open()函数对设备特殊文件进行open()系统调用时，将调用驱动程序的open () 函数：int (*open)(struct inode * ,struct file *);其中参数inode为设备特殊文件的i

17、node (索引结点) 结构的指针，参数file是指向这一设备的文件结构的指针。open()的主要任务是确定硬件处在就绪状态、验证次设备号的合法性(次设备号可以用MINOR(inode- i - rdev) 取得)、控制使用设备的进程数、根据执行情况返回状态码(0表示成功，负数表示存在错误) 等；release()函数当最后一个打开设备的用户进程执行close ()系统调用时，内核将调用驱动程序的release () 函数：void (*release) (struct inode * ,struct file *) ;release 函数的主要任务是清理未结束的输入/输出操作、释放资源、用户

18、自定义排他标志的复位等。read()函数当对设备特殊文件进行read() 系统调用时，将调用驱动程序read() 函数：ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *);用来从设备中读取数据。当该函数指针被赋为NULL 值时，将导致read 系统调用出错并返回-EINVAL（Invalid argument，非法参数）。函数返回非负值表示成功读取的字节数（返回值为signed size数据类型，通常就是目标平台上的固有整数类型）。globalvar_read函数中内核空间与用户空间的内存交互需要借助第2节所介绍的函数：stati

19、c ssize_t globalvar_read(struct file *filp, char *buf, size_t len, loff_t *off)copy_to_user(buf, &global_var, sizeof(int);write( ) 函数当设备特殊文件进行write () 系统调用时，将调用驱动程序的write () 函数：ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *);向设备发送数据。如果没有这个函数，write 系统调用会向调用程序返回一个-EINVAL。如果返回值非负，则表示成功

20、写入的字节数。globalvar_write函数中内核空间与用户空间的内存交互需要借助第2节所介绍的函数：static ssize_t globalvar_write(struct file *filp, const char *buf, size_t len, loff_t*off)copy_from_user(&global_var, buf, sizeof(int);ioctl() 函数该函数是特殊的控制函数，可以通过它向设备传递控制信息或从设备取得状态信息，函数原型为： int (*ioctl) (struct inode * ,struct file * ,unsigned int

21、,unsigned long);unsigned int参数为设备驱动程序要执行的命令的代码，由用户自定义，unsigned long参数为相应的命令提供参数，类型可以是整型、指针等。如果设备不提供ioctl 入口点，则对于任何内核未预先定义的请求，ioctl 系统调用将返回错误（-ENOTTY，No such ioctl fordevice，该设备无此ioctl 命令）。如果该设备方法返回一个非负值，那么该值会被返回给调用程序以表示调用成功。llseek()函数 该函数用来修改文件的当前读写位置，并将新位置作为（正的）返回值返回，原型为： loff_t (*llseek) (struct f

22、ile *, loff_t, int);poll()函数 poll 方法是poll 和select 这两个系统调用的后端实现，用来查询设备是否可读或可写，或是否处于某种特殊状态，原型为：unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);我们将在设备的阻塞与非阻塞操作一节对该函数进行更深入的介绍。设备gobalvar的驱动程序的这些函数应分别命名为gobalvar_open、gobalvar_ release、gobalvar_read、gobalvar_write、gobalvar_ioctl，因此设备gobalv

23、ar的基本入口点结构变量gobalvar_fops 赋值如下：struct file_operations gobalvar_fops = read: gobalvar_read,write: gobalvar_write,;上述代码中对gobalvar_fops的初始化方法并不是标准C所支持的，属于GNU扩展语法。完整的globalvar.c文件源代码如下：#include #include #include #include MODULE_LICENSE(GPL);#define MAJOR_NUM 254 /主设备号static ssize_t globalvar_read(struct

24、 file *, char *, size_t, loff_t*);static ssize_t globalvar_write(struct file *, const char *, size_t, loff_t*);/初始化字符设备驱动的file_operations结构体struct file_operations globalvar_fops =read: globalvar_read, write: globalvar_write,;static int global_var = 0; /globalvar设备的全局变量static int _init globalvar_init

25、(void)int ret;/注册设备驱动ret = register_chrdev(MAJOR_NUM, globalvar, &globalvar_fops);if (ret)printk(globalvar register failure);elseprintk(globalvar register success);return ret;static void _exit globalvar_exit(void)int ret;/注销设备驱动ret = unregister_chrdev(MAJOR_NUM, globalvar);if (ret)printk(globalvar u

26、nregister failure);elseprintk(globalvar unregister success);static ssize_t globalvar_read(struct file *filp, char *buf, size_t len, loff_t *off)/将global_var从内核空间复制到用户空间if (copy_to_user(buf, &global_var, sizeof(int)return - EFAULT; return sizeof(int);static ssize_t globalvar_write(struct file *filp,

27、const char *buf, size_t len, loff_t*off)/将用户空间的数据复制到内核空间的global_varif (copy_from_user(&global_var, buf, sizeof(int)return - EFAULT; return sizeof(int);module_init(globalvar_init);module_exit(globalvar_exit);运行：gcc -D_KERNEL_ -DMODULE -DLINUX -I /usr/local/src/linux2.4/include -c -o globalvar.o globa

28、lvar.c编译代码，运行：inmod globalvar.o加载globalvar模块，再运行：cat /proc/devices发现其中多出了254 globalvar一行，如下图：接着我们可以运行：mknod /dev/globalvar c 254 0创建设备节点，用户进程通过/dev/globalvar这个路径就可以访问到这个全局变量虚拟设备了。我们写一个用户态的程序globalvartest.c来验证上述设备：#include #include #include #include main()int fd, num;/打开/dev/globalvarfd = open(/dev/g

29、lobalvar, O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR);if (fd != -1 )/初次读globalvarread(fd, &num, sizeof(int);printf(The globalvar is %dn, num);/写globalvarprintf(Please input the num written to globalvarn);scanf(%d, &num);write(fd, &num, sizeof(int);/再次读globalvarread(fd, &num, sizeof(int);printf(The globalvar is %dn, num);/关闭/dev/globalvarclose(fd);elseprintf(Device open failuren);编译上述文件：gcc -o globalvartest.o globalvartest.c运行./globalvartest.o