嵌入式Ｌｉｎｕｘ的設(shè)備驅(qū)動(dòng)研究與開發(fā)

摘要：首先介紹了嵌入式Linux環(huán)境下設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)流程，詳細(xì)描述了Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的體系結(jié)構(gòu)和Linux設(shè)備文件的概念。然后通過一個(gè)例子描述了如何設(shè)計(jì)和編寫Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，并解釋了其中的核心代碼。最后構(gòu)建一個(gè)Glade工程來調(diào)用這個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，完成測(cè)試工作。

關(guān)鍵詞：嵌入式Linux；設(shè)備文件；設(shè)備驅(qū)動(dòng)；Glade

0 引言

Linux是開放源代碼的操作系統(tǒng)，由于其高效穩(wěn)定、執(zhí)行速度快、實(shí)現(xiàn)了真正的多任務(wù)、多用戶環(huán)境、強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能、較好的可裁減性與移植性等特點(diǎn)，在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域獲得了飛速發(fā)展。針對(duì)ARM體系結(jié)構(gòu)CPU開發(fā)的，具有MMU功能的嵌入式Linux操作系統(tǒng)無疑是ARM平臺(tái)上操作系統(tǒng)的最佳選擇。本文主要研究了在Linux下開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序并構(gòu)建一個(gè)GUI程序來使用這個(gè)驅(qū)動(dòng)程序的一般流程。

1 Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

Linux支持三類硬件設(shè)備：字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。字符設(shè)備是指無須緩存直接按字節(jié)讀寫的設(shè)備。塊設(shè)備以塊為單位進(jìn)行讀寫，能夠進(jìn)行隨機(jī)訪問。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在Linux里有專門的處理，它沒有被映射到文件系統(tǒng)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)，對(duì)它的訪問采用socket機(jī)制。字符設(shè)備與塊設(shè)備的主要區(qū)別是：在對(duì)字符設(shè)備發(fā)出讀／寫請(qǐng)求時(shí)，實(shí)際的硬件I／O一般緊接著發(fā)生；塊設(shè)備是利用一塊系統(tǒng)內(nèi)存作緩沖區(qū)來進(jìn)行實(shí)際的I／O操作。

圖1 設(shè)備驅(qū)動(dòng)流程

在Linux中，幾乎所有的內(nèi)容都是文件，對(duì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的訪問也是以文件操作的方式實(shí)現(xiàn)。無論是字符設(shè)備還是塊設(shè)備，用戶對(duì)沒備的操作都是通過虛擬文件系統(tǒng)(VFS)轉(zhuǎn)化為設(shè)備驅(qū)動(dòng)與硬件操作例程的交互(見圖1)。即使是訪問網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的socket接口，也是通過VFS實(shí)現(xiàn)的。Linux通過VFS為用戶提供了一個(gè)統(tǒng)一的設(shè)備訪問接口，使用戶能夠透明地訪問設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。所有的硬件設(shè)備都可以使用和操作系統(tǒng)調(diào)用接口來打開、關(guān)閉、讀寫和I／O控制，而驅(qū)動(dòng)程序的主要任務(wù)就是實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。Linux系統(tǒng)中的所有硬件設(shè)備都使用一種特殊的設(shè)備文件來表示。每個(gè)設(shè)備文件都有兩個(gè)設(shè)備號(hào)：一個(gè)是主設(shè)備號(hào)，它用來標(biāo)識(shí)該設(shè)備的種類，也標(biāo)識(shí)該設(shè)備使用的驅(qū)動(dòng)程序；另一個(gè)是次設(shè)備號(hào)，用來標(biāo)識(shí)使用同一設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的不同硬件設(shè)備。

實(shí)現(xiàn)一個(gè)嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)的大致流程如下：

(1)定義主、次設(shè)備號(hào)；也可以動(dòng)態(tài)獲取。

(2)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)初始化和清除函數(shù)，如果驅(qū)動(dòng)程序采用模塊方式，則要實(shí)現(xiàn)模塊初始化和清除函數(shù)。

(3)設(shè)計(jì)所要實(shí)現(xiàn)的文件操作，定義file_operations結(jié)構(gòu)。

(4)實(shí)現(xiàn)所需的文件操作調(diào)用，如read、write等。

(5)實(shí)現(xiàn)中斷服務(wù)函數(shù)，并用request_irq向內(nèi)核注冊(cè)。中斷并不是每個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)所需要。

(6)將驅(qū)動(dòng)編譯到內(nèi)核或編譯成模塊，用insmod命令加載。

(7)生成設(shè)備節(jié)點(diǎn)文件。

下面以一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來說明設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)，這個(gè)驅(qū)動(dòng)程序用來控制目標(biāo)板上的一組LED燈。led_fops結(jié)構(gòu)體定義了該設(shè)備需要的操作接口。它的成員全部是函數(shù)指針，所以實(shí)質(zhì)上就是函數(shù)跳轉(zhuǎn)表。

struct file_operations led_fops={

open：led_open，

/*打開設(shè)備操作*/

read：led_read，

/*讀設(shè)備操作*/

write：led_write，

/*寫設(shè)備操作*/

ioctl：led_ioctl，

/*控制模塊的設(shè)置*/

release：led_release /*釋放設(shè)備操作*/

}：

ssize_t led_read(struct nIe*flip，char*Putbuf，size_t length，

loff__t*f_pos)

{unsigned short BottonStatus；

unsigned char Bottontmp＝0；

int i；

BottonStatus=(KEY_CSOxff)；/*獲取當(dāng)前8個(gè)按鍵的狀態(tài)*/

for(i=0：i<8：++i)

{if(((BottonStatus>>i)＆1)==0)

Bottontmp=i+1；

}

copy_to user(Putbuf，Bottontmp，length)；

/*將內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)復(fù)制到用戶空間*/

return length；

}

ssize_t led_write(struct file *filp，const char *Getbuf，

size_t length，loff-t *f_pos)

{int num；

unsigned char UsrWantLed；

copy_from_user(UsrWantLed，Getbuf，length)；

/*將用戶空間的寫入到設(shè)備文件的內(nèi)容傳送到內(nèi)核空間*／

num=((UsrWantLed)0xff)；

LED_CS=-(1<<(num-1))；

/*通過對(duì)LED_CS地址賦值來控制LED的亮滅*/

return(0)；

}

int led_ioctl(struct inode *inode，struct file*filp，

unsigned int cmd，unsigned long arg)

{switch(cmd)/*利用cmd和arg參數(shù)可以完成有些復(fù)雜的I/O

操作*/

{ case LED_SHOW：

{if(arg)

led_off_on()；

break；

}

}return 0：

}

static int inn keypad_init(void)

{int result；

result=register_chrdev(Led_MAJOR．“l(fā)ed”，led_fops)；

/*這個(gè)函數(shù)是向內(nèi)核注冊(cè)設(shè)備，Led_MAJOR是驅(qū)動(dòng)的主設(shè)備

號(hào)，led是驅(qū)動(dòng)名，led_fops是驅(qū)動(dòng)所執(zhí)行的操作*/

printk(“％s％sinitialized．＼n”，KEYPAD_NAME，KEYPAD_VERSION)；

return 0；

}

static void_exit keypad_exit(void)

{unregister_chrdev(Led_MAJOR，“l(fā)ed”)；/*向內(nèi)核注銷設(shè)備*/

led_off_on()；

}

module_init(keypad_init)；

module_exit(keypad_exit)；

module_init()和module_exit()這對(duì)宏是對(duì)程序模塊的初始化和退出函數(shù)名稱進(jìn)行記錄。它能顯式地命名模塊的注冊(cè)和注銷函數(shù)并保證內(nèi)核中驅(qū)動(dòng)名的惟一性。

2 嵌入式LInux的GUI

Tiny-X是由XFree86核心小組的成員Keith Packard一手設(shè)計(jì)的。它能夠在配有IMB以下內(nèi)存的系統(tǒng)上，建立起標(biāo)準(zhǔn)的X系統(tǒng)，是一個(gè)性能相當(dāng)出色并且免費(fèi)的嵌入式圖形界面GUI。在嵌入式系統(tǒng)中，使用Tiny-X圖形界面開發(fā)產(chǎn)品，上層的應(yīng)用程序編寫將會(huì)很方便?？梢酝ㄟ^GTK的集成開發(fā)環(huán)境——Glade完成界面布局并生成原始代碼(界面圖如圖2)，再通過文本編輯工具添加事件響應(yīng)程序。 在程序控制硬件設(shè)備之前要打開設(shè)備文件，所以要在執(zhí)行g(shù)tk_main()前調(diào)用設(shè)備打開函數(shù)。這個(gè)函數(shù)主要用于打開設(shè)備文件并獲得主設(shè)備號(hào)。關(guān)鍵代碼如下： int fd_keypad；

static char*dev_keypad=“／dev／keypad”；

fd_keypad=open(dev_keypad，O_RDWR)；

return fd_keypad；

圖2 Glade工程界面

然后對(duì)每個(gè)button添加click響應(yīng)事件。對(duì)buttonl的click響應(yīng)事件編寫控制函數(shù)如下：

write(fd_keypad，(const char*)lednum，sizeof((const char)

lednum))；

進(jìn)入該工程目錄，使用命令：#./autogen．sh配置相應(yīng)的程序以及生成所需的Makefiles文件，然后修改Makefile文件，把自行編寫的C文件添加到編譯表中，主要是在參數(shù)Led_SOURCE和Led_OBJECTS中。然后執(zhí)行下面的命令：

#exportCC=arm-linux-gcc

/*通過設(shè)置環(huán)境變量．指定編譯工具為arm-linux-gcc*／

#．／configure host=arm build=i686

target=armwith-gtk-exec-prefix=usr／Iocal／arm-linux

/*設(shè)置生成二進(jìn)制文件的工作環(huán)境為arm，并指定Linux內(nèi)核所

在的目錄*/

#make

/*在／src編譯生成二進(jìn)制代碼，下載到開發(fā)平臺(tái)上即可運(yùn)行*／

用戶程序的開發(fā)調(diào)試主要有兩種方式：一是在主機(jī)上編寫用戶程序，將其直接編譯入內(nèi)核，整體下載入目標(biāo)板，再進(jìn)行調(diào)試；二是在主機(jī)上通過交叉編譯器編譯用戶程序，生成能在目標(biāo)板上執(zhí)行的二進(jìn)制文件，通過串口或網(wǎng)絡(luò)將用戶程序下載到目標(biāo)板上，進(jìn)行調(diào)試。第一種方式由于每次更改程序都需要編譯入內(nèi)核、下載到目標(biāo)板，顯得靈活性較低，且十分繁瑣。而第二種開發(fā)方式每次只用下載用戶程序即可調(diào)試，非常方便，因此筆者在驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)中使用了第二種方式。

3 結(jié)束語

在Linux中，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，而設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序就是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機(jī)器硬件之間的接口。內(nèi)核利用驅(qū)動(dòng)程序的接口完成對(duì)設(shè)備的初始化和釋放，在系統(tǒng)內(nèi)核和硬件、設(shè)備文件和應(yīng)用程序之間傳送數(shù)據(jù)，并時(shí)刻檢測(cè)和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯(cuò)誤。當(dāng)操作系統(tǒng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作時(shí)，會(huì)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序注冊(cè)的file_operations結(jié)構(gòu)中的函數(shù)指針，找到相應(yīng)的功能函數(shù)。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。