Linux系统的硬件驱动程序编撰原理本文详尽地介绍怎么Linux系统的硬件驱动程序的编撰原理,强调什么内核解释器将会被调用、如何初始化驱动程序及怎样分配显存等等。你们一定对Linux操作系统有所了解了,在此本人也不再赘言了。好吧,下边简单地介绍一下设备驱动程序。顾名思义,驱动程序是拿来控制计算机外围设备的,Linux系统将所有的外围设备都高度地具象成一些字节的序列,但是以文件的方式来表示这种设备。我们可以来看一下Linux的I/O子系统(图1)。图1Linux的I/O子系统从图上我们可以看出,内核紧紧地包围在硬件周围,内核是一些软件包的组合,它们可以直接访问系统的硬件,包括处理器、内存和I/O设备。而用户进程则通过内核提供的用户服务来和内核通信,进而间接地控制系统硬件。我们可以通过图2来了解这种动作的具体情况。图2用户级、内核级和硬件级两者之间的通信图上显示了用户级的程序使用内核提供的标准系统调用来与内核通信,这种系统调用有:open(),read(),write(),ioctl(),close()等等。Linux的内核是一个有机的整体。每一个用户进程运行时都似乎有一份内核的拷贝,每每用户进程使用系统调用时,都手动地将运行模式从用户级转为内核级redhat linux,此时进程在内核的地址空间中运行。
图3Linux的I/O子系统Linux内核使用设备无关的I/O子系统来为所有的设备服务。每位设备都提供标准插口给内核,因而尽可能地隐藏了自己的特点。图3展示了用户程序使用一些基本的系统调用从设备读取数据但是将它们存入缓冲的反例。我们可以看见,每每一个系统调用被使用时,内核就转入相应的设备驱动类库来操纵硬件。每位设备在Linux系统上看上去都像一个文件,它们储存在/dev目录中并被称为特殊文件或是设备节点。你们可以使用ls-l/dev/lp*来得到以下的输出:crw-rw-rw1rootroot6,0April231994/dev/lp0这行输出表示lp0是一个字符设备(属性数组的第一个字符是c),主设备号是6,次设备号是0。主设备号拿来向内核表明这一设备节点所代表的驱动程序的类型(例如:主设备号是3的块设备是IDEc盘驱动程序,而主设备号为8的块设备是SCSIc盘驱动程序);每位驱动程序负责管理它所驱动的几个硬件实例,这种硬件实例则由次设备号来表示(比如:次设备号为0的SCSIc盘代表整个也可以说是第一个SCSIc盘,而次设备号为1到15的c盘代表此SCSIc盘上的15个分区)。
到此你们应当对Linux的设备有所了解了吧,下边就可以开始我们的题外话设备驱动程序。设备驱动程序是一组由内核中的相关子类库和数据组成的I/O设备软件插口。每每内核意识到要对某个设备进行特殊的操作时,它就调用相应的驱动类库。这就促使控制从用户进程转移到了驱动类库北京linux培训,当驱动类库完成后,控制又被返回至用户进程。图5就显示了以上的过程。图5设备驱动程序的作用每位设备驱动程序都具有以下几个特点:l具有一整套的和硬件设备通信的类库,但是提供给操作系统一套标准的软件插口;l具有一个可以被操作系统动态地调用和移除的自包含组件;l可以控制和管理用户程序和数学设备之间的数据流。接出来我们来了解一下字符设备和块设备,它们是Linux系统中两种主要的外围设备。我们常见的c盘是块设备,而终端和复印机是字符设备。块设备被用户程序通过系统缓冲来访问。非常是系统显存分配和管理进程就没有必要来充当从外设读写的数据传输者了。刚好与之相反的是,字符设备直接与用户程序进行通信,但是二者其实没有缓冲区。Linux的传输控制机制会依据用户程序的须要来正确地操纵显存和c盘等外设来取得数据。在Linux系统中字符设备驱动器被保存为/usr/src/linux/drivers/char目录中。
下边我们重点介绍字符设备驱动程序的开发方式。首先了解一下Linux的内核编程环境。我们晓得每位Linux用户进程都在一个独立的系统空间中运行着,与系统区和其他用户进程相隔离。这样就保护了一个用户进程的运行环境,以免被其他用户进程所破坏。与这些情况正相反的是,设备驱动程序运行在内核模式,它们具有很大的自由度。这种设备驱动程序都是被假定为正确和可靠的,它们是内核的一部份,可以处理系统中断恳求和访问外围设备,同时它们有效地处理中断恳求便于系统调度程序保持系统需求的平衡。所以设备驱动程序可以脱离系统的限制来使用系统区,例如系统的缓冲区等等。一个设备驱动程序同时包括中断和同步区域。其中中断区域处理实时风波而且被设备的中断所驱动;而同步区域则组成了设备的剩余部份,处理进程的同步风波。所以,当一个设备须要一些软件服务时,就发出一个中断,之后中断处理器得到形成中断的缘由同时进行相应的动作。一个Linux进程可能会在风波发生之前仍然等待下去。诸如,一个进程可能会在运行中等待一些写入硬件设备的信息的到来。其中一种方法是进程可以使用sleep()和wakeup()这两个系统调用,进程先使自己处于睡眠状态,等待风波的到来,一旦风波发生,进程即可被唤起。
举个反例来说:interruptible_sleep_on(dev_wait_queue)函数使进程睡眠而且将此进程的进程号加到进程睡眠列表dev_wait_queue中,一旦设备打算好后,设备发出一个中断,因而造成设备驱动程序中相应的类库被调用,这个驱动程序类库处理完一些设备要求的事宜后会发出一个唤起进程的讯号,一般使用wake_up_interruptible(dev_wait_queue)函数linux 硬件驱动,它可以唤起dev_wait_queue所示列表中的所有进程。非常要注意的是,假如两个和两个以上的进程共享一些公共数据区时,我们必须将之视为临界区,临界区保证了进程间互斥地访问公共数据。在Linux系统中我们可以使用cli()和sti()两个内核类库来处理这些互斥,当一个进程在访问临界区时可以使用cli()来关掉中断,离开时则使用sti()再将中断打开,如同下边的写法:cli()临界区sti()不仅以上这种,我们还得了解一下虚拟文件系统交换(VFS)的概念。图6虚拟文件系统交换图6中的文件操作结构在/usr/include/linux/fs.h文件中定义,此结构包含了驱动程序中的函数列表。
图上的初始化解释器xxx_init()依据VFS和设备的主设备号来注册文件操作结构。下边是一些设备驱动程序的支撑函数(具体使用方式详见Linux编程指南,使用man命令):add_timer()定时间一过,可以引起函数的执行;cli()关掉中断,制止中断的捕获;end_request()当一个恳求被完成或被撤消时被执行;free_irq()释放一个原本被request_irq()和irqaction()捕获的的中断恳求;get_fs*()容许一个设备驱动程序访问用户区数据(一块不属于内核的显存区);inb(),inb_p()从一个端口读取一个字节,其中inb_p()会仍然阻塞直至从端口得到字节为止;irqaction()注册一个中断;IS_*(inode)测试inode是否在一个被mount了的文件系统上;kfree*()放原本被kmalloc()分配的显存区;kmalloc()分配小于4096个字节的大块显存区;MAJOR()返回设备的主设备号;MINOR()返回设备的次设备号;memcpy_*fs()在用户区和内核区之间复制大块的显存;outb(),outb_p()向一个端口写一个字节,其中outb_p()仍然阻塞直至写字节成功为止;printk()内核使用的printf()版本;put_fs*()容许设备驱动程序将数据写入用户区;register_*dev()在内核中注册一个设备;request_irq()向内核申请一个中断恳求IRQ,假如成功则安装一个中断恳求处理器;select_wait()将一个进程加到相应select_wait队列中;*sleep_on()使进程睡眠以等待风波的到来,但是将wait_queue入口点加到列表中便于风波到来时将进程唤起;sti()和cti()相对应,恢复中断捕获;sys_get*()系统调用,得到进程的有关信息;wake_up*()唤起原本被*sleep_on()睡眠的进程;Linux的用户进程不能直接访问系统数学显存。
每位用户进程都有自己的显存空间(用户虚拟地址空间,开始于虚拟0地址)。同样内核也具有自己特定的显存空间--系统虚拟地址空间。每每用户使用系统调用read()或write()时,设备驱动程序就在内核地址空间和用户程序地址空间之间拷贝数据。许多Linux类库,例如memcpy_*fs()和put_fs*()可以使设备驱动程序穿越用户-系统边界来传输数据。并且数据可以是字节、字或任意宽度的数据块。诸如,memcpy_fromfs()可以从用户显存空间传输任意宽度的数据块到设备,而get_fs_byte()则只从用户显存空间传输一个字节;相同的memcpy_tofs()和put_fs_byte()也是这么,只不过它们是写数据到用户显存空间。但是,在内核可访问显存空间和设备本身之间传输数据则要视不同的计算机而定。一些计算机须要使用一些特殊CPU输入输出指令来完成这项工作,这一般被称为DMA(直接显存访问)。而另一种方案则是使用显存映射I/O来解决,一般使用系统提供的I/O函数,例如inb()和outb()来分别地从I/O地址(即端口)读取和向I/O地址输出一单字节,可以使用以下的句子:unsignedcharinb(intport)outb(chardata,intport)好,下边就可以来瞧瞧字符设备驱动程序的基本结构。
如图6所示xxx_write()类库协程设备是否早已打算好接收数据,假如打算好了,则将指定宽度的字符串从用户显存空间发送到字符设备。另外还可以使用中断来通知设备是否打算好,这样就不须要程序为了协程而等待,因而提升CPU的借助率。xxx_table[]是一个结构的链表linux 硬件驱动,它包含好多成员变量,包括xxx_wait_queue和bytes_xfered(二者都被用于读写操作)。xxx_open()使用request_irq()或irqaction()来调用xxx_interrupt()类库。为了使设备驱动程序被正确地初始化,每每系统启动时,xxx_init()类库必须被调用。为了确保这一操作,须要将句子mem_start=xxx_init(mem_start);加到/usr/src/linux/driver/char/mem.c文件的chr_drv_init()函数末。接出来的工作就是将驱动设备安装到内核中去了(注意:字符设备驱动程序只能被安装在/usr/src/linux/drivers/char/char.a库文件中)。