基于嵌入式Linux设备驱动程序的开发肖杰.docx

1、基于嵌入式Linux设备驱动程序的开发肖杰基于嵌入式Linux设备驱动程序的开发肖杰李仁发1徐成1(湖南大学软件学院,计算机与通信学院1,长沙410082)摘要嵌入式系统的研究与开发成为当前的一个热点,Linux由于其优势成为很多厂家开发嵌入式应用的操作系统。驱动程序的开发己成为嵌入式系统开发的关键。介绍了嵌入式Linux的特点,设备驱动程序的概念,简述了基于uClinux下设备驱动程序的开发方法及过程,最后简述了字符设备驱动程序的开发的实例。关键词嵌入式系统驱动程序嵌入式LinuxuClinux2005年9月16日收到第一作者简介:肖杰,男,1974年生,湖南大学工学硕士研究生,研究方向:嵌

2、入式系统、计算机网络。湖南第一师范学校信息技术系,邮编:410002,随着Internet的普及与发展,进入了后PC时代,嵌入式系统的应用进入了一个全新的时期。多年以来嵌入式设备中没有操作系统,但随着硬件的发展,嵌入式系统变得越来越复杂,有些功能必须由操作系统提供,这样就出现了嵌入式操作系统。目前主要的商业嵌入式操作系统有Vxworks、Win-dowsCE、pSoS,但其价格昂贵、封闭的源代码以及产品版税等限制了其普及和广泛应用。嵌入式Linux以其可应用于多种硬件平台、内核高效稳定、源码开放、软件丰富、网络通信和文件管理机制完善等优良特性而正在被广泛采用。嵌入式Linux系统的软件开发涉及

3、的内容很多。如网络、实时多任务、GUI系统、文件系统等,本文基于嵌入式Linux操作系统下设备程序的开发,阐述相关技术及设计方法。1嵌入式Linux操作系统基于开放源代码的特性,Linux操作系统已经日益成为一个成熟的操作系统,获得了广泛的使用与认可,现在Linux广泛应用于各类计算,其中包括微型Linux腕表、手持设备、因特网装置、瘦客户机、防火墙等。虽然大多数Linux系统运行于PC平台上,但Linux的这些特点决定它同样适合于嵌入式系统应用。嵌入式系统所具有的特殊要求包括:嵌入式系统有不同程度实时性要求,嵌入式在体积、功耗等方面受具体工作环境和开发生产成本的限制。嵌入式系统的操作系统应根

4、据这些环境有很好的可移植性、可配置性和可剪裁性,把Linux用于嵌入式环境就必须修改Linux满足嵌入式的要求。修改Linux使其嵌入式化,主要集中在两方面:一是体积,二是实时性。针对这两方面,国外一些公司和研究机构开发各具特色的嵌入式Linux版本。如:RTLinux、KURT_Linux、uClinux、Xlinux和Embedix等。本文选用的嵌入式Linux为uClinux. uClinux是专为无MMU的微处理器打造的嵌入式Linux操作系统,由Linux2. 0 /2. 4内核派生而来。现在uClinux越来越受到业界的青睐,被移植到更多的无MMU芯片上1。2设备驱动程序设备驱动程

5、序是内核的一部分,是操作系统内核和机器硬件之间的接口,它由一组函数和一些私有数据组成,是连接应用程序与具体硬件的桥梁。Linux的一个基本特点是它对硬件设备的管理抽象化,系统中的每一个设备都用一个特殊的文件来表示。所有的硬件设备都像普通的文件一样看待,使用与操作系统相同的标准系统来进行打开、读写和关闭。2. 1设备与驱动程序的分类uClinux是由标准Linux派生而来,它们的设备驱动开发基本相似,但标准Linux支持模块化,设备驱动都写成模块的形式,而且要求可以在不同的体系结构上安装。uClinux是可以支持模块功能的,在编译内核的时候可以选择支持或不支持模块功能,但嵌入式系统是针对具体的应

6、用,而且嵌入式系统中内存空间资源比较紧张,所以在编译内核时,一般选择不支持模块功能,这样uClinux的驱动程序都是直接编译到内核中的。在Linux操作系统下有3类主要的设备文件系统:块设备、字符设备和网络设备。其中字符设备没有缓冲区,数据的处理是以字节为单位按顺序进行的,它不支持随机读写,也不允许查找操作。系统的串口以及终端,是常见的字符设备,嵌入式系统中简单的按键、触摸屏、手写板也属于字符设备。块设备是指那些在输入输出时数据处理以块为单位的设备,采用了缓冲技术,支持数据的随机读写,块设备可以通过它们的设备做特殊文件访问,但是更常见的是通过文件系统访问。只有块设备上可以安装文件系统,Linu

7、x的文件系统只有建立在块设备上。典型的块设备有硬盘、CD-ROM等。而网络设备不同于字符设备和块设备,它面向的上一层不是文件系统而是网络协议层,是通过BSD套接口访问数据。设备之间的分类不是绝对的,有些设备可以做字符设备,也可以做块设备,如磁盘。并不是每个驱动程序都控制一台物理设备,通过设备驱动程序接口可以创建一些伪设备,它们可以完成某些特殊的功能。只要把需要加入内核的功能做成伪设备驱动程序,就可以将其加入内核,而不需要将内核重新定做。与设备相对应的是三类设备驱动程序,字符设备驱动程序、块设备驱动程序、网络设备驱动程序,系统调用是内核和应用程序之间的接口,而设备驱动程序是内核和机器硬件之间的接

8、口,设备驱动程序可以分成以下三个主要组成部分。(1)自动配置和初始化子程序负责检测所需驱动的硬件设备是否存在以及是否能正常工作。如果设备正常,则对设备及其驱动程序所需的相关软件状态进行初始化,这部分驱动程序仅在初始化时被调用一次。(2)服务I /O请求的子程序是驱动程序的上半部分,调用这部分是系统调用的结果。系统认为这部分程序在执行时即可进行调用的进程,由用户态变成了内核态,并具有进行此系统调用的用户程序的运行环境。(3)中断服务程序又称驱动程序的下半部分,设备在I /O请求结束或其他状态改变时产生中断。中断可以产生在任何一个进程运行时,因此中断服务程序被调用时不能依赖于任何进程状态,因而也就

9、不能调用任何与进程运行环境有关的函数。因为设备驱动程序一般支持同一类型的若干设备,所以调用中断服务子程序时都带有一个或多个参数,以唯一标识请求服务的设备3。2. 2设备驱动程序的file_operations结构应用程序只有通过对设备文件的open、release、read、write、ioctl等才能访问硬件设备。在uClinux源代码uClinux -dist/linux /include /linux /fs. h中定义了uClinux驱动程序中必须使用的file_operations结构,每个设备驱动都实现这个接口所定义的部分或全部函数。随着内核的不断升级,file_operation

10、s结构也越来越大,不同的版本的内核会稍有不同。file_operations定义如下:int(*fasync)(struct inode* ,struct file* ,int);int(*check_media_change)(kdev_tdev);int(*revalidate)(kdev_tdev);在这些函数指针中,open、release用于设备的打开和关闭,是每个驱动程序都要实现的函数,其它函数根据实际设备的作用不同而实现相应的函数。这些操作函数将被注册到内核。当应用程序对该设备相应的设备文件进行操作时,内核会找到相应的操作函数并进行调用4。2. 3设备驱动程序的编写分析驱动程序的

11、file_operations结构,用户就可以编写相应的外部设备驱动程序,其中的主要步骤根据具体的设备驱动程序的需要,完成file_opera-tions中的每个函数的编写。已完成了设备驱动程序编写的主要工作后必须定义一个初始化函数。初始化函数主要的工作是:对硬件寄存器进行设置、初始化设备相关的参数、注册设备、注册设备使用的中断和其它的一些初始化工作5。2. 4设备驱动程序的初始化设备驱动程序所提供的入口点,在设备驱动程序初始化时向系统进行登记,以使系统在适当的时候调用。Linux系统中通常调用register_chrdev向系统注册一个字符型设备。register_chrdev定义为:int

12、 reister_chrdev(unsigned intmajor,constchar*name,struct file_operations*fops);当设备驱动模块从Linux内核中卸载时,对应的主设备号必须被释放。在模块卸载调用cleanup_module()函数时,应该调用下列的函数卸载设备驱动:intunregister_chrdev(unsigned intmajor,constchar*name);初始化部分一般还负责给设备驱动程序申请系统资源,包括内存、中断、时钟、I /O端口等,这些资源也可以在open子程序或其它地方申请,这些资源不用时应该释放,以利于资源的共享6。如果设

13、备需要IRQ支持,则要注册中断,注册中断的函数:int request_irq(unsigned int irq,void(*han-dler)(int,void* ,structpt_regs*),unsigned longflags,constchar*device,void*dev_id);3设备驱动程序的编写实例本实例的嵌入式芯片采用三星的S3C4510B芯片,S3C4510B是一类性能价格比很高的16 /32位RISC微控制器。内含一个由ARM公司设计的ARM7TDMI处理器核。字符设备的例子static intdemo_open(struct inode*inode,struct

14、file*file)if(demo_flag= =1)/*检查驱动忙否*/return1;/*可以初始化一些内部数据结构*/printk(KERN_CRIT“DEMO:demo device openn);MOD_INC_USE_COUNT;/*模块使用次数加1*/demo_flag=1;return 0;static intdemo_release(struct inode*inode,struct file*file)if(demo_flag= =0)return 0;printk(KERN_CRIT“DEMO:demo device closen”);MOD_DEC_USE_COUNT;

15、demo_flag=0;return 0;static ssize_tdemo_read(structfile*file,char*buf,size_tcount,loff_t*offset)/*检查是否已有线程在读数据,返回error*/DEMO_RD_LOCK;printk(KERN_CRIT“DEMO:demo is reading,demo_param=%dn”,demo_param);/DEMO_RD_UNLOCK;/*通常返回成功读到的数据*/return 0;static intdemo_ioctl(struct inode*inode,structfile*file,unsig

16、ned intcmd,unsigned long arg)if(cmd= =COMMAND1)printk(KERN_CRIT“DEMO:set command COMMAND1n”);return 0;3253期肖杰,等:基于嵌入式Linux设备驱动程序的开发中的每一个设备都用一个特殊的文件来表示。所有的硬件设备都像普通的文件一样看待,使用与操作系统相同的标准系统来进行打开、读写和关闭。2. 1设备与驱动程序的分类uClinux是由标准Linux派生而来,它们的设备驱动开发基本相似,但标准Linux支持模块化,设备驱动都写成模块的形式,而且要求可以在不同的体系结构上安装。uClinux是可以

17、支持模块功能的,在编译内核的时候可以选择支持或不支持模块功能,但嵌入式系统是针对具体的应用,而且嵌入式系统中内存空间资源比较紧张,所以在编译内核时,一般选择不支持模块功能,这样uClinux的驱动程序都是直接编译到内核中的。在Linux操作系统下有3类主要的设备文件系统:块设备、字符设备和网络设备。其中字符设备没有缓冲区,数据的处理是以字节为单位按顺序进行的,它不支持随机读写,也不允许查找操作。系统的串口以及终端,是常见的字符设备,嵌入式系统中简单的按键、触摸屏、手写板也属于字符设备。块设备是指那些在输入输出时数据处理以块为单位的设备,采用了缓冲技术,支持数据的随机读写,块设备可以通过它们的设

18、备做特殊文件访问,但是更常见的是通过文件系统访问。只有块设备上可以安装文件系统,Linux的文件系统只有建立在块设备上。典型的块设备有硬盘、CD-ROM等。而网络设备不同于字符设备和块设备,它面向的上一层不是文件系统而是网络协议层,是通过BSD套接口访问数据。设备之间的分类不是绝对的,有些设备可以做字符设备,也可以做块设备,如磁盘。并不是每个驱动程序都控制一台物理设备,通过设备驱动程序接口可以创建一些伪设备,它们可以完成某些特殊的功能。只要把需要加入内核的功能做成伪设备驱动程序,就可以将其加入内核,而不需要将内核重新定做。与设备相对应的是三类设备驱动程序,字符设备驱动程序、块设备驱动程序、网络

19、设备驱动程序,系统调用是内核和应用程序之间的接口,而设备驱动程序是内核和机器硬件之间的接口,设备驱动程序可以分成以下三个主要组成部分。(1)自动配置和初始化子程序负责检测所需驱动的硬件设备是否存在以及是否能正常工作。如果设备正常,则对设备及其驱动程序所需的相关软件状态进行初始化,这部分驱动程序仅在初始化时被调用一次。(2)服务I /O请求的子程序是驱动程序的上半部分,调用这部分是系统调用的结果。系统认为这部分程序在执行时即可进行调用的进程,由用户态变成了内核态,并具有进行此系统调用的用户程序的运行环境。(3)中断服务程序又称驱动程序的下半部分,设备在I /O请求结束或其他状态改变时产生中断。中

20、断可以产生在任何一个进程运行时,因此中断服务程序被调用时不能依赖于任何进程状态,因而也就不能调用任何与进程运行环境有关的函数。因为设备驱动程序一般支持同一类型的若干设备,所以调用中断服务子程序时都带有一个或多个参数,以唯一标识请求服务的设备3。2. 2设备驱动程序的file_operations结构应用程序只有通过对设备文件的open、release、read、write、ioctl等才能访问硬件设备。在uClinux源代码uClinux -dist/linux /include /linux /fs. h中定义了uClinux驱动程序中必须使用的file_operations结构,每个设备驱

21、动都实现这个接口所定义的部分或全部函数。随着内核的不断升级,file_operations结构也越来越大,不同的版本的内核会稍有不同。file_operations定义如下:struct file_operationsint(*lseek)(struct inode* ,struct file* ,off_t,int);int(*read)(struct inode* ,struct file* ,char* ,int);int(*write)(struct inode* ,struct file* ,const char* ,int);int(*readdir)(struct inode*

22、,struct file* ,void* ,dilldir);int(*select)(struct inode*,struct file*,int,select_table*);int(*ioctl)(struct inode* ,struct file* ,unsigned int,unsignedlong);int(*mmap)(struct inode* ,struct file* ,structvm_area_struct*);int(*open)(struct inode* ,struct file*);int(*release)(struct inode* ,struct fil

23、e*);int(*fsync)(struct inode* ,struct file*);324科学技术与工程6卷摘要嵌入式系统的研究与开发成为当前的一个热点,Linux由于其优势成为很多厂家开发嵌入式应用的操作系统。驱动程序的开发己成为嵌入式系统开发的关键。介绍了嵌入式Linux的特点,设备驱动程序的概念,简述了基于uClinux下设备驱动程序的开发方法及过程,最后简述了字符设备驱动程序的开发的实例。关键词嵌入式系统驱动程序嵌入式LinuxuClinux2005年9月16日收到第一作者简介:肖杰,男,1974年生,湖南大学工学硕士研究生,研究方向:嵌入式系统、计算机网络。湖南第一师范学校信息

24、技术系,邮编:410002,随着Internet的普及与发展,进入了后PC时代,嵌入式系统的应用进入了一个全新的时期。多年以来嵌入式设备中没有操作系统,但随着硬件的发展,嵌入式系统变得越来越复杂,有些功能必须由操作系统提供,这样就出现了嵌入式操作系统。目前主要的商业嵌入式操作系统有Vxworks、Win-dowsCE、pSoS,但其价格昂贵、封闭的源代码以及产品版税等限制了其普及和广泛应用。嵌入式Linux以其可应用于多种硬件平台、内核高效稳定、源码开放、软件丰富、网络通信和文件管理机制完善等优良特性而正在被广泛采用。嵌入式Linux系统的软件开发涉及的内容很多。如网络、实时多任务、GUI系统

25、、文件系统等,本文基于嵌入式Linux操作系统下设备程序的开发,阐述相关技术及设计方法。1嵌入式Linux操作系统基于开放源代码的特性,Linux操作系统已经日益成为一个成熟的操作系统,获得了广泛的使用与认可,现在Linux广泛应用于各类计算,其中包括微型Linux腕表、手持设备、因特网装置、瘦客户机、防火墙等。虽然大多数Linux系统运行于PC平台上,但Linux的这些特点决定它同样适合于嵌入式系统应用。嵌入式系统所具有的特殊要求包括:嵌入式系统有不同程度实时性要求,嵌入式在体积、功耗等方面受具体工作环境和开发生产成本的限制。嵌入式系统的操作系统应根据这些环境有很好的可移植性、可配置性和可剪

26、裁性,把Linux用于嵌入式环境就必须修改Linux满足嵌入式的要求。修改Linux使其嵌入式化,主要集中在两方面:一是体积,二是实时性。针对这两方面,国外一些公司和研究机构开发各具特色的嵌入式Linux版本。如:RTLinux、KURT_Linux、uClinux、Xlinux和Embedix等。本文选用的嵌入式Linux为uClinux. uClinux是专为无MMU的微处理器打造的嵌入式Linux操作系统,由Linux2. 0 /2. 4内核派生而来。现在uClinux越来越受到业界的青睐,被移植到更多的无MMU芯片上1。2设备驱动程序设备驱动程序是内核的一部分,是操作系统内核和机器硬件

27、之间的接口,它由一组函数和一些私有数据组成,是连接应用程序与具体硬件的桥梁。Linux的一个基本特点是它对硬件设备的管理抽象化,系统if(cmd= =COMMAND2)printk(KERN_CRIT“DEMO:set command COMMAND2n”);return 0;printk(KERN_CRIT“DEMO:set commandWRONGn”);return 0;struct file_operations demo_fops=open:demo_open,read:demo_read,release:demo_release,ioctl:demo_ioctl,;static v

28、oid demo_cleanup(void)/*确保要清掉的模块是已初始化的*/if(demo_initialized= =1)/*禁止中断*/*释放该模块的中断服务程序*/unregister_chrdev(DEMO_MAJOR, “demo_drv”);demo_initialized= =0;printk(KERN_CRIT“DEMO:demo device is cleanup /n”);return;/*驱动程序初始化函数*/static intdemo_init(void)int i;/*确定模块以前未初始化*/if(demo_initialized= =1)return 0;/*

29、分配并初始化所有数据结构为缺省状态*/i=register_chrdev(DEMO_MAJOR, “demo_drv”,demo_fops);if(i0)printk(KERN_CRIT“DEMO:i=%dn”,i)returnEIO;printk(KERN_CRIT“demo_drv registered successfully:)=n);/*请求中断*/demo_initialized=1;return 0;4结束语本文基于嵌入式Linux下的设备驱动程序的开发,并例举一个字符设备驱动程序的实例,简述了驱动程序的开发过程,熟悉了基本的流程,然后就可以在其上开发各种各样的设备驱动程序了。参

30、考文献1杜威,慕春棣.基于uClinux的触摸屏软硬件设计与关键技术分析.计算机工程与设计,2005;26(4):9159172李祥兵,郑扣根. Linux中I2C总线驱动程序的开发.计算机工程与设计,2005;26(1):41433慕春棣.嵌入式系统的构建.北京:清华大学出版社,20044冯军,杨艳姿等.嵌入式Linux下网络设备驱动程序的开发.江南大学学报(自然科学版),2004;3(5):4604625田志刚.嵌入式Linux系统及其应用研究.微计算机应用,2003;24(5):2902956郑伟,王钦若. Linux内核空间设备驱动程序的开发.微计算机信息,2003;19(12):8597Developing Device Driver Program Based onEmbedded LinuxXIAO Jie,LIRenfa1,XUCheng1(Software