嵌入式设备驱动

嵌入式设备驱动 陈文智 wzchen@cad.zju.edu.cn 浙江大学计算机学院 2005年4月

提纲 • 1、Linux下设备驱动程序简介 • 2、设备驱动程序结构 • 3、设备驱动实验 • 实验一：编写一个简单的驱动程序 • 实验二：设计和实现一个KED&LED驱动程序 • 实验三：静态编译驱动程序，连接到内核 • 实验四：使用中断方式的驱动程序设计

1、Linux下设备驱动程序简介 • 系统调用是操作系统内核和应用程序之间的接口 • 设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间的接口 • Linux设备驱动的特点是可以以模块的形式加载各种设备类型 • 因为嵌入式设备往往具有大量的独有外设，开发人员需要把很多精力放在设备驱动方面

1.1 Linux设备的分类 • 字符设备 • 以字节为单位逐个进行I/O操作 • 字符设备中的缓存是可有可无 • 不支持随机访问 • 如串口设备/dev/cua0和/dev/cua1 • 块设备 • 块设备的存取是通过buffer、cache来进行 • 可以进行随机访问 • 例如IDE硬盘设备/dev/hda • 可以支持可安装文件系统 • 网络设备 • 通过BSD套接口访问

1.2 Linux设备文件 • Linux抽象了对硬件的处理，所有的硬件设备都可以作为普通文件一样来看待 • 可以使用和操作文件相同的、标准的系统调用接口来完成打开、关闭、读写和I/O控制操作 • 对用户来说，设备文件与普通文件并无区别

1.3 主设备号和次设备号 • 主设备号：标识该设备的种类，也标识了该设备所使用的驱动程序 • 次设备号：标识使用同一设备驱动程序的不同硬件设备 • 所有已经注册（即已经加载了驱动程序）的硬件设备的主设备号可以从/proc/devices文件中得到

1.4 Linux设备驱动代码的分布 • ～/block • ～/char • ～/cdrom • ～/pci • ～/scsi • ～/net • ～/sound 注：IDE接口的CD驱动位于drivers/block/ide-cd.c中，而SCSI CD驱动位于drivers/scsi/scsi.c中

1.5 Linux设备驱动程序的特点 • 设备驱动是内核的一部分，影响内核稳定 • 为内核或其从属子系统提供一个标准接口 • 使用标准的内核服务如内存分配、中断和等待队列等 • 大多数Linux设备驱动可以动态可加载 • Linux设备驱动程序可配置 • 驱动程序维护其控制的设备，该设备即使不存在也不影响系统的运行，此时设备驱动只是占用少量系统内存，不会对系统造成什么危害

2、设备驱动程序结构 • Linux的设备驱动程序与外界的接口可以分成三部分： • 与操作系统内核的接口 • 与系统引导的接口 • 与设备的接口 • Linux设备驱动程序的代码结构大致可以分为如下几个部分： • 驱动程序的注册与注销、设备的打开与释放、设备的读写操作、设备的控制操作、设备的中断和轮询处理。

2.1驱动程序的注册与注销 • 注册 • register_chrdev( )；//在～fs/devices.c • register_blkdev( )；//在～fs/block_dev.c • 注销 • unregister_chrdev( ) • unregister_blkdev( )

2.2 打开、释放、读、写、控制等

Linux内核将通过file_operations结构访问驱动程序提供的函数 • 字符设备的读写直接使用函数read( )和write( ) • 块设备需要调用函数block_read( )和block_write( ) • ioctl( )的用法与具体设备密切关联，因此需要根据设备的实际情况进行具体分析

2.3 设备的轮询和中断处理 • 轮询 • 内核定期对设备的状态进行查询 • 消耗不少的内核资源 • 如果设备驱动被连接进入内核，这时使用轮询方式将会带来灾难性的后果 • 中断 • 设备驱动向内核注册其使用的中断 • 内核负责把硬件产生的中断传递给相应的设备驱动 • 设备驱动在其中断处理过程中做得越少越好

问题： • 如何查看设备驱动所对应的中断号及类型？

3、设备驱动试验 • 实验一：编写一个简单的驱动程序 • 实验二：设计和实现一个KED&LED实验 • 实验三：动态加载和静态编译驱动到内核 • 实验四：使用中断方式的驱动程序设计

实验一：编写简单的驱动程序（1） • 1) 任务：在XSBase开发板上编写一个简单的字符设备驱动程序。该字符设备具备4个基本操作：xsbase_open()、xsbase_write()、 xsbase_read() 、xsbase_release()，实现向这个新建的字符设备先写入一些数据，然后再从这个设备中读取这些数据。

实验一：编写简单的驱动程序（2） • 2)主要数据结构和全局变量 • 系统～fs/devices.c的struc device_struct结构 • 创建一个xsbase.c文件，其中包含一些必要的头文件、宏和全局变量

实验一：编写简单的驱动程序（3） • 主要接口函数 • file_operations{ }结构的实例注：这种结构的声明方法是一种标记化格式声明，便于移植。

实验一：编写简单的驱动程序（4） • xsbase_open()和xsbase_release()

实验一：编写简单的驱动程序（5） • xsbase_read()

实验一：编写简单的驱动程序（6） • xsbase_write()

实验一：编写简单的驱动程序（7） • 3)模块加载:是两种将驱动加入内核的方式之一 • 编写init_module() …… res = register_chrdev(0, "xsbase", &chr_fops); …… if(xsbase_major == 0) xsbase_major = res; • 编写cleanup_module() …… unregister_chrdev(xsbase_major, "xsbase"); ……

实验一：编写简单的驱动程序（8） • 4)驱动安装过程 • 新建xsbase.c文件，实现主要数据结构和函数接口。 • 编译生成xsbase.o • 把目标文件加载到内核 • 在Minicom中使用ZMODEM协议发送文件 • 执行

实验一：编写简单的驱动程序（9） • 创建一个设备文件 • 测试 • OVER

实验二：编写KED&LED驱动（1） • 在这个实验中，通过设计和实现一个KED&LED驱动程序，来控制目标板上的一组LED灯，在安装完驱动后，运行测试程序，就能点亮LED灯。

实验二：编写KED&LED驱动（2）

实验三：静态编译驱动到内核（1） • 在确定自己代码位置的前提下，建立自己的源码目录、文件、Makefile、Config.in等。 • 修改上层的config.in文件，把自己的驱动加入到内核配置系统中。 • 修改上层Makefile，把自己的程序加入到内核编译系统中。 • 确保自己的初始化函数被调用。 • drivers/char/mem.c中的chr_dev_init() 或drivers/block/ll_rw_blk.c中的blk_dev_init() • 用宏module_init来申明你的初始化函数

实验三：静态编译驱动到内核（2） • 驱动位置和目录结构

实验三：静态编译驱动到内核（3） • 修改配置文件 • 1）drivers/xsbase/Config.in

实验三：静态编译驱动到内核（4） • 2） arch/arm/config.in • 编写Makefile • 1）drivers/xsbase/Makefile

实验三：静态编译驱动到内核（5） • 2）drivers/Makefile • 3）Makefile

实验四：中断方式的驱动程序（1） • 注册中断处理程序 • 什么叫中断信号线（IRQ号）？ • 何时请求IRQ号更合适？ • 初始化时 • 设备第一次打开时

实验四：中断方式的驱动程序（2） • 编写中断处理程序

实验四：中断方式的驱动程序（3） • 中断处理机制的实现

实验四：中断方式的驱动程序（4） • 中断控制这些函数更新可编程中断控制器（PIC）中指定中断的掩码，因而，这样就可以在所有的处理器上禁止或者启动 IRQ。对这些函数的调用是可以嵌套的——如果 disable_irq() 被成功调用两次，在 IRQ 真正重新打开之前，需要执行两次 enable_irq() 调用。

驱动设计中涉及的一些具体问题 • 用户空间和内核空间 • /proc文件系统

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