嵌入式驅動開發(fā)流程

2012-10-30 16:52?1396人閱讀?評論(0)?收藏?舉報 ?分類： linux（7）?

版權聲明：本文為博主原創(chuàng)文章，未經博主允許不得轉載。

嵌入式系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)是通過各種驅動程序來駕馭硬件設備的。設備驅動程序是操作系統(tǒng)內核和硬件設備之間的接口，它為應用程序屏蔽了硬件的細節(jié)，這樣在應用程序看來，硬件設備只是一個設備文件，可以像操作普通文件一樣對硬件設備進行操作。設備驅動程序是內核的一部分，完成以下功能：
◇ 驅動程序的注冊和注銷。
◇ 設備的打開和釋放。
◇ 設備的讀寫操作。
◇ 設備的控制操作。
◇ 設備的中斷和輪詢處理。
Linux主要將設備分為三類：字符設備、塊設備和網絡設備。字符設備是指發(fā)送和接收數(shù)據以字符的形式進行，沒有緩沖區(qū)的設備；塊設備是指發(fā)送和接收數(shù)據以整個數(shù)據緩沖區(qū)的形式進行的設備；網絡設備是指網絡設備訪問的BSD socket 接口。下面以字符設備為例，寫出其驅動編寫框架：
一、 編寫驅動程序初始化函數(shù)
? 驅動程序的初始化在函數(shù)xxx_init()中完成，包括對硬件初始化、中斷函數(shù)、向內核注冊驅動程序等。
? 首先理解硬件結構，搞清楚其功能，接口寄存器以及CPU怎么訪問控制這些寄存器等。
? 其次向內核注冊驅動程序。設備驅動程序可以直接編譯進內核，在系統(tǒng)啟動的時候初始化，也可以在需要的時候以模塊的方式動態(tài)加載到內核中去。每個字符設備或是塊設備都是通過register_chrdev()函數(shù)注冊，調用該函數(shù)后就可以向系統(tǒng)申請主設備號，操作成功，設備名就會出現(xiàn)在/proc/devices里。
? 此外，在關閉設備時，需要先解除原先設備的注冊，需要有清除函數(shù)，在xxx_exit()中通過unregister_chrdev()函數(shù)在實現(xiàn)，此后設備就會從/proc/devices里消失。
? 當驅動程序被編譯成模塊時，使用insmod加載模塊，模塊的初始化函數(shù)xxx_init()被調用，向內核注冊驅動程序；使用rmmod卸載模塊，模塊的清除函數(shù)xxx_exit()被調用。
二、 構造file_operations結構中要用到的各個成員函數(shù)
? Linux操作系統(tǒng)將所有的設備都看成文件，以操作文件的方式訪問設備。應用程序不能直接操作硬件，使用統(tǒng)一的接口函數(shù)調用硬件驅動程序，這組接口被成為系統(tǒng)調用。每個系統(tǒng)調用中都有一個與之對應的函數(shù)（open、release、read、write、ioctl等），在字符驅動程序中，這些函數(shù)集合在一個file_operations類型的數(shù)據結構中。以一個鍵盤驅動程序為例：
struct file_operations Key7279_fops = ?
{
.open = Key7279_Open, ?
.ioctl = Key7279_Ioctl, ?
.release = Key7279_Close,
.read = Key7279_Read,
};
1、 設備的打開和釋放
? 打開設備是由open()函數(shù)來完成，在大部分設備驅動中open完成如下工作：
? ◇ 遞增計數(shù)器
? ◇ 檢查特定設備的特殊情況
? ◇ 初始化設備
? ◇ 識別次設備號
? 釋放設備由release()函數(shù)來完成。當一個進程釋放設備時，其它進程還能繼續(xù)使用該設備，只是該進程暫時停止對該設備的的使用，而當一個進程關閉設備時，其它進程必須重新打開此設備才能使用。Release完成如下工作：
◇ 遞減計數(shù)
◇ 在最后一次釋放設備操作時關閉設備
2、 設備的讀寫操作
? 讀寫設備的主要任務就是把內核空間的數(shù)據復制到用戶空間，或者是從用戶空間復制到內核空間，也就是將內核空間緩沖區(qū)里的數(shù)據復制到用戶空間的緩沖區(qū)中或者相反。字符設備使用各自的read()函數(shù)和write()函數(shù)來進行數(shù)據讀寫。
3、 設備的控制操作
大部分設備除了讀寫能力，還可進行超出簡單的數(shù)據傳輸之外的操作，所以設備驅動也必須具備進行各種硬件控制操作的能力. 這些操作常常通過 ioctl 方法來支持。與讀寫操作不同，ioctl()的用法與具體設備密切相關。以鍵盤Key7279_Ioctl為例：
static int Key7279_Ioctl(struct inode *inode,struct file *file,unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
switch(cmd) ?
? {
? case Key7279_GETKEY:
return key7279_getkey();
? default:
? printk("Unkown Keyboard Command ID.\n");
? }
? return 0;
}
? cmd的取值及含義都與具體的設備有關，除了ioctl()，設備驅動程序還可能有其他控制函數(shù)，比如llseek()等。
? 當應用程序使用open、release等函數(shù)打開某個設備時，設備驅動程序的file_operations結構中的相應成員就會被調用。
三、設備的中斷和輪詢處理
? 對于不支持中斷的設備，讀寫時需要輪詢設備狀態(tài)，以及是否需要繼續(xù)進行數(shù)據傳輸。例如，打印機。如果設備支持中斷，則可按照中斷方式進行。
模塊在使用中斷前要先請求一個中斷通道(或者 IRQ中斷請求)，并在使用后釋放它。通過request_irq()函數(shù)來注冊中斷，free_irq()函數(shù)來釋放。
四、驅動程序的測試
? 對驅動程序的調試可以通過打印的方式來進行，就是通過在驅動程序中添加printk()打印函數(shù)，來跟蹤驅動程序的執(zhí)行過程，以此來判斷問題。
? 以上是我根據自己的學習總結的，可能寫的比較簡單，對于比較復雜的驅動函數(shù)，會添加更多的函數(shù)，但是大體的框架就是這樣了。
?
?
基于操作系統(tǒng)的驅動就是在無操作系統(tǒng)下的硬件接口函數(shù)加上操作系統(tǒng)外套
實現(xiàn)一個嵌入式Linux設備驅動程序的大致流程如下:
(l)查看原理圖，理解設備的工作原理。
(2)定義主設備號。設備由一個主設備號和一個次設備號來標識。主設備號唯一標識了設
備類型，即設備驅動程序類型，它是塊設備表或字符設備表中設備表項的索引。次設備號僅
由設備驅動程序解釋，區(qū)分被一個設備驅動控制下的某個獨立的設備。
(3)實現(xiàn)初始化函數(shù)。在驅動程序中實現(xiàn)驅動的注冊和卸載。
(4)設計所要實現(xiàn)的文件操作，定義file--operations結構。
(5)實現(xiàn)所需的文件操作調用，如read，write等。
(6)實現(xiàn)中斷服務，并用request--irq向內核注冊，中斷并不是每個設備驅動所必需的。
(7)編譯該驅動程序到內核中，或者用insmod命令加載模塊。
(8)測試該設備，編寫應用程序，對驅動程序進行測試。
典型字符設備驅動編寫框架：
1 編寫硬件接口函數(shù)
2 建立文件系統(tǒng)與設備驅動程序間的接口，如：struct file_operations結構體
3 注冊設備到chrdevfs全局數(shù)組中，注冊或注銷設備可以在任何時候，但一般在模塊加載時注冊設備，在模塊退出時注銷設備。（module_init（）；module_exit（）；）
4 以模塊方式編譯驅動源碼，并將其加載到內核中
5 創(chuàng)建設備節(jié)點，mknode

6 編寫應用程序訪問底層設備

二、實例剖析

　　我們來寫一個最簡單的字符設備驅動程序。雖然它什么也不做，但是通過它可以了解Linux的設備驅動程序的工作原理.把下面的C代碼輸入機器，你就會獲得一個真正的設備驅動程序.不過我的kernel是2.0.34，在低版本的kernel上可能會出現(xiàn)問題，我還沒測試過.//xixi

　　#define __NO_VERSION__?
　　#include <linux/modules.h>?
　　#include <linux/version.h>

　　char kernel_version [] = UTS_RELEASE;

　　這一段定義了一些版本信息，雖然用處不是很大，但也必不可少.Johnsonm說所有的驅動程序的開頭都要包含<linux/config.h>，但我看倒是未必.

　　由于用戶進程是通過設備文件同硬件打交道，對設備文件的操作方式不外乎就是一些系統(tǒng)調用，如 open，read，write，close....， 注意，不是fopen， fread，但是如何把系統(tǒng)調用和驅動程序關聯(lián)起來呢?這需要了解一個非常關鍵的數(shù)據結構:

struct file_operations {

int (*seek) (struct inode * ，struct file *， off_t ，int);?
int (*read) (struct inode * ，struct file *， char ，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);?
}?
?

　　這個結構的每一個成員的名字都對應著一個系統(tǒng)調用.用戶進程利用系統(tǒng)調用在對設備文件進行諸如read/write操作時，系統(tǒng)調用通過設備文件的主設備號找到相應的設備驅動程序，然后讀取這個數(shù)據結構相應的函數(shù)指針，接著把控制權交給該函數(shù).這是linux的設備驅動程序工作的基本原理.既然是這樣，則編寫設備驅動程序的主要工作就是編寫子函數(shù)，并填充file_operations的各個域.

　　相當簡單，不是嗎?

　　下面就開始寫子程序.

#include <linux/types.h>?
#include <linux/fs.h>?
#include <linux/mm.h>?
#include <linux/errno.h>?
#include <asm/segment.h>?
unsigned int test_major = 0;

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

int left;

if (verify_area(VERIFY_WRITE，buf，count) == -EFAULT )?
return -EFAULT;

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

　　這個函數(shù)是為read調用準備的.當調用read時，read_test()被調用，它把用戶的緩沖區(qū)全部寫1.buf 是read調用的一個參數(shù).它是用戶進程空間的一個地址.但是在read_test被調用時，系統(tǒng)進入核心態(tài).所以不能使用buf這個地址，必須用__put_user()，這是kernel提供的一個函數(shù)，用于向用戶傳送數(shù)據.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)據之前，必須驗證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 char *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;?
}?
?

　　這幾個函數(shù)都是空操作.實際調用發(fā)生時什么也不做，他們僅僅為下面的結構提供函數(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 */?
};?

　　設備驅動程序的主體可以說是寫好了。現(xiàn)在要把驅動程序嵌入內核。驅動程序可以按照兩種方式編譯。一種是編譯進kernel，另一種是編譯成模塊(modules)，如果編譯進內核的話，會增加內核的大小，還要改動內核的源文件，而且不能動態(tài)的卸載，不利于調試，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入內存時，init_module 函數(shù)被調用。在這里，init_module只做了一件事，就是向系統(tǒng)的字符設備表登記了一個字符設備。register_chrdev需要三個參數(shù)，參數(shù)一是希望獲得的設備號，如果是零的話，系統(tǒng)將選擇一個沒有被占用的設備號返回。參數(shù)二是設備文件名，參數(shù)三用來登記驅動程序實際執(zhí)行操作的函數(shù)的指針。

　　如果登記成功，返回設備的主設備號，不成功，返回一個負值。

void cleanup_module(void)?
{?
unregister_chrdev(test_major， "test");?
}?

　　在用rmmod卸載模塊時，cleanup_module函數(shù)被調用，它釋放字符設備test在系統(tǒng)字符設備表中占有的表項。

　　一個極其簡單的字符設備可以說寫好了，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就是一個設備驅動程序。

　　如果設備驅動程序有多個文件，把每個文件按上面的命令行編譯，然后

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

　　驅動程序已經編譯好了，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備test，并可以看到它的主設備號。

要卸載的話，運行

　　$ rmmod test

　　下一步要創(chuàng)建設備文件。

　　mknod /dev/test c major minor

　　c 是指字符設備，major是主設備號，就是在/proc/devices里看到的。

　　用shell命令

　　$ cat /proc/devices | awk "}"

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

　　minor是從設備號，設置成0就可以了。

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

#include <stdio.h>?
#include <sys/types.h>?
#include <sys/stat.h>?
#include <fcntl.h>

main()?
{?
int testdev;?
int i;?
char 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);?
}?
?

　　編譯運行，看看是不是打印出全1 ？

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

　　如何編寫Linux操作系統(tǒng)下的設備驅動程序

　　三、設備驅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設備經常是占用實際的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。每個驅動程序應該自己避免誤用端口。

　　有兩個重要的kernel函數(shù)可以保證驅動程序做到這一點。

　　1）check_region(int io_port， int off_set)

　　這個函數(shù)察看系統(tǒng)的I/O表，看是否有別的驅動程序占用某一段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，已經被占用。

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

　　如果這段I/O端口沒有被占用，在我們的驅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設備中，I/O端口被映射到一段內存中去，要訪問這些端口就相當于訪問一段內存。經常性的，我們要獲得一塊內存的物理地址。在dos環(huán)境下，（之所以不說是dos操作系統(tǒng)是因為我認為DOS根本就不是一個操作系統(tǒng)，它實在是太簡單，太不安全了）只要用段：偏移就可以了。在window95中，95ddk提供了一個vmm 調用 _MapLinearToPhys，用以把線性地址轉化為物理地址。但在Linux中是怎樣做的呢？

　　2.內存操作

　　在設備驅動程序中動態(tài)開辟內存，不是用malloc，而是kmalloc，或者用get_free_pages直接申請頁。釋放內存用的是kfree，或free_pages. 請注意，kmalloc等函數(shù)返回的是物理地址！而malloc等返回的是線性地址！關于kmalloc返回的是物理地址這一點本人有點不太明白：既然從線性地址到物理地址的轉換是由386cpu硬件完成的，那樣匯編指令的操作數(shù)應該是線性地址，驅動程序同樣也不能直接使用物理地址而是線性地址。但是事實上kmalloc返回的確實是物理地址，而且也可以直接通過它訪問實際的RAM，我想這樣可以由兩種解釋，一種是在核心態(tài)禁止分頁，但是這好像不太現(xiàn)實；另一種是linux的頁目錄和頁表項設計得正好使得物理地址等同于線性地址。我的想法不知對不對，還請高手指教。

　　言歸正傳，要注意kmalloc最大只能開辟128k-16，16個字節(jié)是被頁描述符結構占用了。kmalloc用法參見khg.

　　內存映射的I/O口，寄存器或者是硬件設備的RAM(如顯存)一般占用F0000000以上的地址空間。在驅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)內存用作DMA傳送。這塊內存需要一直駐留在內存，不能被交換到文件中去。但是kmalloc最多只能開辟128k的內存。

　　這可以通過犧牲一些系統(tǒng)內存的方法來解決。

　　具體做法是：比如說你的機器由32M的內存，在lilo.conf的啟動參數(shù)中加上mem=30M，這樣linux就認為你的機器只有30M的內存，剩下的2M內存在vremap之后就可以為DMA所用了。

　　請記住，用vremap映射后的內存，不用時應用unremap釋放，否則會浪費頁表。

　　3.中斷處理

　　同處理I/O端口一樣，要使用一個中斷，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 char *device);

irq: 是要申請的中斷。

handle：中斷處理函數(shù)指針。

flags：SA_INTERRUPT 請求一個快速中斷，0 正常中斷。

device：設備名。
?

　　如果登記成功，返回0，這時在/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，有時時序很重要。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行優(yōu)化，這樣時序就錯掉了。如果用匯編寫呢，gcc同樣會對匯編代碼進行優(yōu)化，除非你用volatile關鍵字修飾。最保險的辦法是禁止優(yōu)化。這當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)驅動程序根本無法裝載。這是因為在編譯驅動程序時要用到gcc的一些擴展特性，而這些擴展特性必須在加了優(yōu)化選項之后才能體現(xiàn)出來。

?

總結

以上是生活随笔為你收集整理的嵌入式驱动开发流程的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。