深入浅出Linux设备驱动编程.docx
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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（ApplicationSoftwareEngineer）：
主要利用C库函数和LinuxAPI进行应用软件的编写；
（2）Linux固件工程师（FirmwareEngineer）：
主要进行Bootloader、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JonathanCorbet、AlessandroRubini、GregKroah-Hartman编写的《LinuxDeviceDrivers》（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。
（《LinuxDeviceDrivers》中英文版封面）
本文将仍然秉承《LinuxDeviceDrivers》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《LinuxDeviceDrivers》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《LinuxDeviceDrivers》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Linux2.4，例子要在其他内核上运行只需要做少量的修改。
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RedHat。
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"）;
staticint__inithello_init（void）
{
printk（"Hellomoduleinit\n"）;
return0;
}
staticvoid__exithello_exit（void）
{
printk（"Hellomoduleexit\n"）;
}
module_init（hello_init）;
module_exit（hello_exit）;
分析上述程序，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-ohello.ohello.c
由此可见，Linux内核模块的编译需要给gcc指示-D__KERNEL__-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：
rmmodhello
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kfree（），其原型为：
void*kmalloc（unsignedintlen,intpriority）;
voidkfree（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）：
unsignedlongcopy_from_user（void*to,constvoid*from,unsignedlongn）;
unsignedlongcopy_to_user（void*to,void*from,unsignedlonglen）;
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intconsole_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[-max]]{b,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：
insmodmodnamevar=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备：
这个设备中只有一个4个字节的全局变量intglobal_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：
staticint__initgobalvar_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（）：
staticvoid__exitgobalvar_exit（void）
{
if（unregister_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）（structinode*,structfile*）;
其中参数inode为设备特殊文件的inode（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）（structinode*,structfile*）;
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）（structfile*,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（"Invalidargument，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"signedsize"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：
staticssize_tglobalvar_read（structfile*filp,char*buf,size_tlen,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）（structfile*,constchar*,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：
staticssize_tglobalvar_write（structfile*filp,constchar*buf,size_tlen,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）（structinode*,structfile*,unsignedint,unsignedlong）;
unsignedint参数为设备驱动程序要执行的命令的代码，由用户自定义，unsignedlong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，"Nosuchioctlfordevice，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）（structfile*,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：
unsignedint（*poll）（structfile*,structpoll_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"gobalvar"的基本入口点结构变量gobalvar_fops赋值如下：
structfile_operationsgobalvar_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"）;
#defineMAJOR_NUM254//主设备号
staticssize_tglobalvar_read（structfile*,char*,size_t,loff_t*）;
staticssize_tglobalvar_write（structfile*,constchar*,size_t,loff_t*）;
//初始化字符设备驱动的file_operations结构体
structfile_operationsglobalvar_fops=
{
read:
globalvar_read,write:
globalvar_write,
};
staticintglobal_var=0;//"globalvar"设备的全局变量
staticint__initglobalvar_init（void）
{
intret;
//注册设备驱动
ret=register_chrdev（MAJOR_NUM,"globalvar",&globalvar_fops）;
if（ret）
{
printk（"globalvarregisterfailure"）;
}
else
{
printk（"globalvarregistersuccess"）;
}
returnret;
}
staticvoid__exitglobalvar_exit（void）
{
intret;
//注销设备驱动
ret=unregister_chrdev（MAJOR_NUM,"globalvar"）;
if（ret）
{
printk（"globalvarunregisterfailure"）;
}
else
{
printk（"globalvarunregistersuccess"）;
}
}
staticssize_tglobalvar_read（structfile*filp,char*buf,size_tlen,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;
}
returnsizeof（int）;
}
staticssize_tglobalvar_write（structfile*filp,constchar*buf,size_tlen,loff_t *off）
{
//将用户空间的数据复制到内核空间的global_var
if（copy_from_user（&global_var,buf,sizeof（int）））
{
return-EFAULT;
}
returnsizeof（int）;
}
module_init（globalvar_init）;
module_exit（globalvar_exit）;
运行：
gcc-D__KERNEL__-DMODULE-DLINUX-I/usr/local/src/linux2.4/include-c-oglobalvar.oglobalvar.c
编译代码，运行：
inmodglobalvar.o
加载globalvar模块，再运行：
cat/proc/devices
发现其中多出了"254globalvar"一行，如下图：
接着我们可以运行：
mknod/dev/globalvarc2540
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（）
{
intfd,num;
//打开"/dev/globalvar"
fd=open（"/dev/globalvar",O_RDWR,S_IRUSR|S_IWUSR）;
if（fd!
=-1）
{
//初次读globalvar
read（fd,&num,sizeof（int））;
printf（"Theglobalvaris%d\n",num）;
//写globalvar
printf（"Pleaseinputthenumwrittentoglobalvar\n"）;
scanf（"%d",&num）;
write（fd,&num,sizeof（int））;
//再次读globalvar
read（fd,&num,sizeof（int））;
printf（"Theglobalvaris%d\n",num）;
//关闭"/dev/globalvar"
close（fd）;
}
else
{
printf（"Deviceopenfailure\n"）;
}
}
编译上述文件：
gcc-oglobalvartest.oglobalvartest.c
运行
./globalvartest.o
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