Linux是Unix操作系統(tǒng)的一種變種，在Linux下編寫驅(qū)動程序的原理和思想*類似于其他的Unix系統(tǒng)，但它dos或window環(huán)境下的驅(qū)動程序有很大的區(qū)別。在Linux環(huán)境下設(shè)計(jì)驅(qū)動程序，思想簡潔，操作方便，功能也很強(qiáng)大，但是支持函數(shù)少，只能依賴kernel中的函數(shù)，有些常用的操作要自己來編寫，而且調(diào)試也不方便。

以下的一些文字主要來源于khg，johnsonm的Write linux device driver，Brennan''''s Guide to Inline Assembly，The Linux A-Z，還有清華BBS上的有關(guān)device driver的一些資料。

一、Linux device driver 的概念

　　系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)內(nèi)核和應(yīng)用程序之間的接口，設(shè)備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機(jī)器硬件之間的接口。設(shè)備驅(qū)動程序?yàn)閼?yīng)用程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)，這樣在應(yīng)用程序看來，硬件設(shè)備只是一個(gè)設(shè)備文件，應(yīng)用程序可以象操作普通文件一樣對硬件設(shè)備進(jìn)行操作。設(shè)備驅(qū)動程序是內(nèi)核的一部分，它完成以下的功能:

　　1。對設(shè)備初始化和釋放。

　　2。把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù)。

　　3。讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)和回送應(yīng)用程序請求的數(shù)據(jù)。

　　4。檢測和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯(cuò)誤。

　　在Linux操作系統(tǒng)下有三類主要的設(shè)備文件類型，一是字符設(shè)備，二是塊設(shè)備，三是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。字符設(shè)備和塊設(shè)備的主要區(qū)別是:在對字符設(shè)備發(fā)出讀/寫請求時(shí)，實(shí)際的硬件I/O一般就緊接著發(fā)生了，塊設(shè)備則不然，它利用一塊系統(tǒng)內(nèi)存作緩沖區(qū)，當(dāng)用戶進(jìn)程對設(shè)備請求能滿足用戶的要求，就返回請求的數(shù)據(jù)，如果不能，就調(diào)用請求函數(shù)來進(jìn)行實(shí)際的I/O操作。塊設(shè)備是主要針對磁盤等慢速設(shè)備設(shè)計(jì)的，以免耗費(fèi)過多的CPU時(shí)間來等待。

　　已經(jīng)提到，用戶進(jìn)程是通過設(shè)備文件來與實(shí)際的硬件打交道。每個(gè)設(shè)備文件都都有其文件屬性（c/b），表示是字符設(shè)備還是塊設(shè)備?另外每個(gè)文件都有兩個(gè)設(shè)備號，*個(gè)是主設(shè)備號，標(biāo)識驅(qū)動程序，第二個(gè)是從設(shè)備號，標(biāo)識使用同一個(gè)設(shè)備驅(qū)動程序的不同的硬件設(shè)備，比如有兩個(gè)軟盤，就可以用從設(shè)備號來區(qū)分他們。設(shè)備文件的的主設(shè)備號必須與設(shè)備驅(qū)動程序在登記時(shí)申請的主設(shè)備號一致，否則用戶進(jìn)程將無法訪問到驅(qū)動程序。

　　zui后必須提到的是，在用戶進(jìn)程調(diào)用驅(qū)動程序時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入核心態(tài)，這時(shí)不再是搶先式調(diào)度。也就是說，系統(tǒng)必須在你的驅(qū)動程序的子函數(shù)返回后才能進(jìn)行其他的工作。如果你的驅(qū)動程序陷入死循環(huán)，不幸的是你只有重新啟動機(jī)器了，然后就是漫長的fsck。

　　讀/寫時(shí)，它首先察看緩沖區(qū)的內(nèi)容，如果緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)

　　如何編寫Linux操作系統(tǒng)下的設(shè)備驅(qū)動程序

　　二、實(shí)例剖析

我們來寫一個(gè)zui簡單的字符設(shè)備驅(qū)動程序。雖然它什么也不做，但是通過它可以了解Linux的設(shè)備驅(qū)動程序的工作原理。把下面的C代碼輸入機(jī)器，你就會獲得一個(gè)真正的設(shè)備驅(qū)動程序。

#define  __NO_VERSION__

#Include 

#Include 

　　kernel_version [] = UTS_RELEASE;

　　這一段定義了一些版本信息，雖然用處不是很大，但也*。Johnsonm說所有的驅(qū)動程序的開頭都要包含，一般來講使用。

　　由于用戶進(jìn)程是通過設(shè)備文件同硬件打交道，對設(shè)備文件的操作方式不外乎就是一些系統(tǒng)調(diào)用，如 open，read，write，close…， 注意，不是fopen， fread，但是如何把系統(tǒng)調(diào)用和驅(qū)動程序關(guān)聯(lián)起來呢?這需要了解一個(gè)非常關(guān)鍵的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

struct file_operations

{

int （＊seek） （struct inode ＊ ，struct file ＊， off_t ，int）;
int （＊read） （struct inode ＊ ，struct file ＊， ，int）;
int （＊write） （struct inode ＊ ，struct file ＊， off_t ，int）;
int （＊readdir） （struct inode ＊ ，struct file ＊， struct dirent ＊ ，int）;
int （＊select） （struct inode ＊ ，struct file ＊， int ，select_table ＊）;
int （＊ioctl） （struct inode ＊ ，struct file ＊， unsined int ，unsigned long）;
int （＊mmap） （struct inode ＊ ，struct file ＊， struct vm_area_struct ＊）;
int （＊open） （struct inode ＊ ，struct file ＊）;
int （＊release） （struct inode ＊ ，struct file ＊）;
int （＊fsync） （struct inode ＊ ，struct file ＊）;
int （＊fasync） （struct inode ＊ ，struct file ＊，int）;
int （＊check_media_change） （struct inode ＊ ，struct file ＊）;
int （＊revalidate） （dev_t dev）;
}
 

　　這個(gè)結(jié)構(gòu)的每一個(gè)成員的名字都對應(yīng)著一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用。用戶進(jìn)程利用系統(tǒng)調(diào)用在對設(shè)備文件進(jìn)行諸如read/write操作時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用通過設(shè)備文件的主設(shè)備號找到相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序，然后讀取這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相應(yīng)的函數(shù)指針，接著把控制權(quán)交給該函數(shù)。這是linux的設(shè)備驅(qū)動程序工作的基本原理。既然是這樣，則編寫設(shè)備驅(qū)動程序的主要工作就是編寫子函數(shù)，并填充file_operations的各個(gè)域。

　　下面就開始寫子程序。

#Include
#Include
#Include
#Include
#Include
unsigned int test_major = 0;

static int read_test（struct inode ＊node，struct file ＊file，＊buf，int count）

{

int left;

if （verify_area（VERIFY_WRITE，buf，count） == -EFAULT ）

return -EFAULT;

for（left =; left > 0 ; left--）
{
__put_user（1，buf，1）;
buf++;
}
return count;
}
 

這個(gè)函數(shù)是為read調(diào)用準(zhǔn)備的。當(dāng)調(diào)用read時(shí)，read_test（）被調(diào)用，它把用戶的緩沖區(qū)全部寫1。buf 是read調(diào)用的一個(gè)參數(shù)。它是用戶進(jìn)程空間的一個(gè)地址。但是在read_test被調(diào)用時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入核心態(tài)。所以不能使用buf這個(gè)地址，必須用__put_user（），這是kernel提供的一個(gè)函數(shù)，用于向用戶傳送數(shù)據(jù)。另外還有很多類似功能的函數(shù)。請參考，在向用戶空間拷貝數(shù)據(jù)之前，必須驗(yàn)證buf是否可用。這就用到函數(shù)verify_area。

static int write_tibet（struct inode ＊inode，struct file ＊file，const ＊buf，int count）
{

return count;

}

static int open_tibet（struct inode ＊inode，struct file ＊file ）
{

MOD_INC_USE_COUNT;

return 0;

}

static void release_tibet（struct inode ＊inode，struct file ＊file ）
{

MOD_DEC_USE_COUNT;

}

　　這幾個(gè)函數(shù)都是空操作。實(shí)際調(diào)用發(fā)生時(shí)什么也不做，他們僅僅為下面的結(jié)構(gòu)提供函數(shù)指針。

struct file_operations test_fops = {
NULL，
read_test，
write_test，
NULL， /＊ test_readdir ＊/
NULL，
NULL， /＊ test_ioctl ＊/
NULL， /＊ test_mmap ＊/
open_test，
release_test，

NULL， /＊ test_fsync ＊/
NULL， /＊ test_fasync ＊/
/＊ nothing more， fill with NULLs ＊/
}; 

　　設(shè)備驅(qū)動程序的主體可以說是寫好了。現(xiàn)在要把驅(qū)動程序嵌入內(nèi)核。驅(qū)動程序可以按照兩種方式編譯。一種是編譯進(jìn)kernel，另一種是編譯成模塊（modules），如果編譯進(jìn)內(nèi)核的話，會增加內(nèi)核的大小，還要改動內(nèi)核的源文件，而且不能動態(tài)的卸載，不利于調(diào)試，所以推薦使用模塊方式。

int init_module（void）
{
int result;

result = register_chrdev（0， "test"， &test_fops）;

if （result < 0） {
printk（KERN_INFO "test: can''''t get major number\n"）;
return result;
}

if （test_major == 0） test_major = result; /＊ dynamic ＊/
return 0;
}
 

　　在用insmod命令將編譯好的模塊調(diào)入內(nèi)存時(shí)，init_module 函數(shù)被調(diào)用。在這里，init_module只做了一件事，就是向系統(tǒng)的字符設(shè)備表登記了一個(gè)字符設(shè)備。register_chrdev需要三個(gè)參數(shù)，參數(shù)一是希望獲得的設(shè)備號，如果是零的話，系統(tǒng)將選擇一個(gè)沒有被占用的設(shè)備號返回。參數(shù)二是設(shè)備文件名，參數(shù)三用來登記驅(qū)動程序?qū)嶋H執(zhí)行操作的函數(shù)的指針。

　　如果登記成功，返回設(shè)備的主設(shè)備號，不成功，返回一個(gè)負(fù)值。

void cleanup_module（void）

{

unregister_chrdev（test_major，"test"）;

} 

　　在用rmmod卸載模塊時(shí)，cleanup_module函數(shù)被調(diào)用，它釋放字符設(shè)備test在系統(tǒng)字符設(shè)備表中占有的表項(xiàng)。

　　一個(gè)極其簡單的字符設(shè)備可以說寫好了，文件名就叫test.c吧。

　　下面編譯 :

　　$ gcc -O2 -DMODULE -D__KERNEL__ -c test.c

　　得到文件test.o就是一個(gè)設(shè)備驅(qū)動程序。

　　如果設(shè)備驅(qū)動程序有多個(gè)文件，把每個(gè)文件按上面的命令行編譯，然后

　　ld  -r  file1.o  file2.o  -o  modulename。

　　驅(qū)動程序已經(jīng)編譯好了，現(xiàn)在把它安裝到系統(tǒng)中去。

　　$ insmod  –f  test.o

如果安裝成功，在/proc/devices文件中就可以看到設(shè)備test，并可以看到它的主設(shè)備號。要卸載的話，運(yùn)行 :

$ rmmod test

　　下一步要創(chuàng)建設(shè)備文件。

　　mknod /dev/test c major minor

　　c 是指字符設(shè)備，major是主設(shè)備號，就是在/proc/devices里看到的。

　　用shell命令

　　$ cat /proc/devices

　　就可以獲得主設(shè)備號，可以把上面的命令行加入你的shell script中去。

　　minor是從設(shè)備號，設(shè)置成0就可以了。

　　我們現(xiàn)在可以通過設(shè)備文件來訪問我們的驅(qū)動程序。寫一個(gè)小小的測試程序。

#Include
#Include
#Include
#Include

main（）
{
int testdev;
int i;
buf[10];

testdev = open（"/dev/test"，O_RDWR）;

if （ testdev == -1 ）
{
printf（"Cann''''t open file \n"）;
exit（0）;
}

read（testdev，buf，10）;

for （i = 0; i < 10;i++）

printf（"%d\n"，buf[i]）;

close（testdev）;

}

　　編譯運(yùn)行，看看是不是打印出全1 ？

　　以上只是一個(gè)簡單的演示。真正實(shí)用的驅(qū)動程序要復(fù)雜的多，要處理如中斷，DMA，I/O port等問題。這些才是真正的難點(diǎn)。請看下節(jié)，實(shí)際情況的處理。

如何編寫Linux操作系統(tǒng)下的設(shè)備驅(qū)動程序

　三、設(shè)備驅(qū)動程序中的一些具體問題

　　1。 I/O Port。

　　和硬件打交道離不開I/O Port，老的ISA設(shè)備經(jīng)常是占用實(shí)際的I/O端口，在linux下，操作系統(tǒng)沒有對I/O口屏蔽，也就是說，任何驅(qū)動程序都可對任意的I/O口操作，這樣就很容易引起混亂。每個(gè)驅(qū)動程序應(yīng)該自己避免誤用端口。

　　有兩個(gè)重要的kernel函數(shù)可以保證驅(qū)動程序做到這一點(diǎn)。

　　1）check_region（int io_port， int off_set）

　　這個(gè)函數(shù)察看系統(tǒng)的I/O表，看是否有別的驅(qū)動程序占用某一段I/O口。

　　參數(shù)1：io端口的基地址，

　　參數(shù)2：io端口占用的范圍。

　　返回值：0 沒有占用， 非0，已經(jīng)被占用。

　　2）request_region（int io_port， int off_set，＊devname）

　　如果這段I/O端口沒有被占用，在我們的驅(qū)動程序中就可以使用它。在使用之前，必須向系統(tǒng)登記，以防止被其他程序占用。登記后，在/proc/ioports文件中可以看到你登記的io口。

　　參數(shù)1：io端口的基地址。

　　參數(shù)2：io端口占用的范圍。

　　參數(shù)3：使用這段io地址的設(shè)備名。

　　在對I/O口登記后，就可以放心地用inb（）， outb（）之類的函來訪問了。

在一些pci設(shè)備中，I/O端口被映射到一段內(nèi)存中去，要訪問這些端口就相當(dāng)于訪問一段內(nèi)存。經(jīng)常性的，我們要獲得一塊內(nèi)存的物理地址。

　　2。內(nèi)存操作
　　在設(shè)備驅(qū)動程序中動態(tài)開辟內(nèi)存，不是用malloc，而是kmalloc，或者用get_free_pages直接申請頁。釋放內(nèi)存用的是kfree，或free_pages。 請注意，kmalloc等函數(shù)返回的是物理地址！

　　注意，kmalloczui大只能開辟128k-16，16個(gè)字節(jié)是被頁描述符結(jié)構(gòu)占用了。

　　內(nèi)存映射的I/O口，寄存器或者是硬件設(shè)備的RAM（如顯存）一般占用F0000000以上的地址空間。在驅(qū)動程序中不能直接訪問，要通過kernel函數(shù)vremap獲得重新映射以后的地址。

　　另外，很多硬件需要一塊比較大的連續(xù)內(nèi)存用作DMA傳送。這塊程序需要一直駐留在內(nèi)存，不能被交換到文件中去。但是kmalloczui多只能開辟128k的內(nèi)存。

　　這可以通過犧牲一些系統(tǒng)內(nèi)存的方法來解決。

　　3。中斷處理

　　同處理I/O端口一樣，要使用一個(gè)中斷，必須先向系統(tǒng)登記。

int request_irq（unsigned int irq ，void（＊handle）（int，void ＊，struct pt_regs ＊），

unsigned int long flags， const ＊device）;

irq: 是要申請的中斷。

handle：中斷處理函數(shù)指針。

flags：SA_INTERRUPT 請求一個(gè)快速中斷，0 正常中斷。

device：設(shè)備名。
 
　　如果登記成功，返回0，這時(shí)在/proc/interrupts文件中可以看你請求的中斷。

　　4。一些常見的問題。

　　對硬件操作，有時(shí)時(shí)序很重要。但是如果用C語言寫一些低級的硬件操作的話，gcc往往會對你的程序進(jìn)行優(yōu)化，這樣時(shí)序會發(fā)生錯(cuò)誤。如果用匯編寫呢，gcc同樣會對匯編代碼進(jìn)行優(yōu)化，除非用volatile關(guān)鍵字修飾。zui保險(xiǎn)的辦法是禁止優(yōu)化。這當(dāng)然只能對一部分你自己編寫的代碼。如果對所有的代碼都不優(yōu)化，你會發(fā)現(xiàn)驅(qū)動程序根本無法裝載。這是因?yàn)樵诰幾g驅(qū)動程序時(shí)要用到gcc的一些擴(kuò)展特性，而這些擴(kuò)展特性必須在加了優(yōu)化選項(xiàng)之后才能體現(xiàn)出來。