嵌入式Linux驱动程序开发要点
在Linux操作系统下有3类主要的设备文件类型：块设备、字符设备和网络设备。 这种分类方法可以将控制输入/输出设备的驱动程序与其他操作系统软件分离开 来。|
字符设备与块设备的主要区别是：在对字符设备发出读 /写请求时，实际的硬件
I/O 一般紧接着发生。块设备则不然，它利用一块系统内存作为缓冲区，若用户 进程
对设备的请求能满足用户的要求， 就返回请求的数据；否则，就调用请求函数来
进行实际的I/O操作。块设备主要是针对磁盘等慢速设备设计的，以免耗费过多 的
CPU时间用来等待。网络设备可以通过 BSD套接口访问数据。
每个设备文件都有其文件属性(c/b),表示是字符设备还是块设备。另外每个文件 都
有2个设备号，第一个是主设备号，标识驱动程序；第二个是从设备号，标识使 用同一个设备驱动程序的、不同的硬件设备。设备文件的主设备号必须与设备驱 动程
序在登记时申请的主设备号一致，否则用户进程将无法访问驱动程序。
系统调用时操作系统内核与应用程序之间的接口， 设备驱动程序是操作系统内核
与机器硬件之间的接口。设备驱动程序是内核的一部分，它完成以下功能：
•对设备初始化和释放
•把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据
•读取应用程序传送给设备文件的数据和回送应用程序请求的数据
•佥测和处理设备出现的错误
MTD(Memory
Tech no logy
Device )设备是闪存芯片、小型闪存卡、记忆棒之类的设备，它们在嵌入式设备 中的使用正在不断增加。MTD驱动程序是在Linux下专门为嵌入式环境 开发的新的一类驱动程序。相对于常规块设备驱动程序，使用 MTD驱动程序的
优点在于他们能更好的支持、管理给予闪存设备，有基于扇区的擦除和读 /写操
作的
更好的接口。
驱动程序结构
Linux的设备驱动程序可以分为3个主要组成部分：
1. 自动配置和初始化子程序，负责监测所要驱动的硬件设备是否存在和能否正 常工作。如果该设备正常，则对这个设备及其相关的设备驱动程序需要的软件状 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.
服务于I/O请求的子程序，又称为驱动程序的上半部分。调用这部分程序是由于 系统调用的结果。这部分程序在执行时，系统仍认为是与进行调用的进程属于同 个进程，只是由用户态变成了核心态，具有进行此系统调用的用户程序的运行环 境，因而可以在其中调用sleep()等与进行运行环境有关的函数。
3.
中断服务子程序，又称为驱动程序的下半部分。在 Linux系统中，并不是直接从
中断向量表中调用设备驱动程序的中断服务子程序，而是由 Linux系统来接
收硬件中断，再由系统调用中断服务子程序。中断可以在任何一个进程运行时产
生，因而在中断服务程序被调用时，不能依赖于任何进程的状态，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， 所以一般在系统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。
在系统内部，I/O设备的存/取通过一组固定的入口点来进行， 这组入口点是由每
个设备的驱动程序提供的。具体到Linux系统，设备驱动程序所提供的这组入口
点由一个文件操作结构来向系统进行说明。 file_operation结构定义于linux/fs.h
文件中。
struct file_operati on{
int (*lseek)(struct inode *inode, struct file *filp, off_t off, int pos);
int (*read)(struct inode *ino de, struct file *filp, char *buf, i nt coun t);
int (*write)(struct inode *ino de, struct file *filp, const char *buf, i nt coun t);
int (* †readdir)(struct inode *ino de, struct file *filp, struct dire nt *dire nt, int coun
t);
int (*select)(struct inode *ino de, struct file *filp, i nt sel type, select table *wait);
int (*ioctl)(struct inode *inode, struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned int arg);
int (*mmap)(void);
int (*open)(struct inode *inode, struct file *filp);
int (*release)(struct inode *inode, struct file *filp);
用户自己的驱动程序中，首先要根据驱动程序的功能，完成 file_operation结构
中函数实现。不需要的函数接口可以直接在
int (*fasync)(struct inode *inode, struct file *filp);
};
file_operation结构中的成员几乎全部是函数指针，所以实质上就是函数跳转表。
每个进程对设备的操作都会根据 major、mi nor设备号，转换成对file_operation
结构的访问。
常用的操作包括以下几种：
• lseek移动文件指针的位置，只能用于可以随机存取的设备。
• read,进行读操作，参数buf为存放读取结果的缓冲区，count为所要读取的数 据长度。返回值为负表示读取操作发生错误；否则，返回实际读取的字节数。对
于字符型，要求读取的字节数和返回的实际读取字节数都必须是 in ode-i_blksize
的倍数。
• write,进行写操作，与read类似
• readdir,取得下一个目录入口点，只有与文件系统相关的设备程序才使用。
• select进行选择操作。如果驱动程序没有提供select入口，select操作会认为设 备已经准备好进行任何I/O操作。
† ioctl,进行读、写以外的其他操作，参数 cmd为自定义的命令
• mmap,用于把设备的内容映射到地址空间，一般只有块设备驱动程序使用
• open,打开设备准备进行I/O操作。返回0表示打开成功，返回负数表示失败。 如果驱动程序没有提供open入口，则只要/dev/driver文件存在就认为打开成功。
• release即 close 操作。
在
void kfree(void *obj);
参数len为希望申请的字节数；obj为要释放的内存指针；priority为分配内存操 作的优先级，即在没有足够空闲内存时如何操作，一般用 GFP_KERNEL。 file_operatio n结构中初始化为 NULL。file_operatio n变量会在驱动程序初始化时
注册到系统内部。当操作系统对设备操作时,
会调用驱动程序注册的file_operation结构中的函数指针。
Linux对中断的处理
在Linux系统里，对中断的处理是属于系统核心部分， 因而如果设别与系统之间
以中断方式进行数据交换，就必须把该设备的驱动程序作为系统核心的一部分。
设备驱动程序通过调用request_irq函数来申请中断，通过free_irq来释放中断。 它们被定义为：
# i nelude
int request_irq (un sig ned int irq,
void (*ha ndler)(i nt irq, void dev_id, struct pt_regs *regs),
un sig ned long flags,
const char *device,
void *dev_id);
void free_irq(un sig ned int irq, void *dev_id);
参
数irq表示所要申请的硬件中断号；handler为向系统登记的中断处理子程序， 中
断产生时由系统来调用，调用时所带参数 irq为中断号；dev_id
为申请时告诉系统的设备标识；regs为中断发生时的寄存器内容；device为设备
名，将会出现在/proc/interrupts文件里；flag是
申请时的选项，它决定中断处理程序的一些特性， 其中最重要的是中断处理程序
是快速处理程序还是慢速处理程序。快速处理程序运行时，所有中断都被屏蔽， 而慢
速处理程序运行时，除了正在处理的中断外，其他中断都没有被屏蔽。在 Linux
系统中，中断可以被不同的中断处理程序共享。
作为系统核心的一部分，设备驱动程序在申请和释放内存时不是调用 malloc和
free,而代之以调用kmalloc和kfree，它们被定义为：
#
i nclude
void *kmalloc(unsigned int len, int priority);