嵌入式系統(tǒng)驅動程序研究及應用

羅志娟

(長沙航空職業(yè)技術學院，湖南 長沙 410124)

嵌入式系統(tǒng)是電子技術及計算機技術完美結合的產物。Linux因可應用于多種硬件平臺、內核高效穩(wěn)定、軟件資源豐富、源代碼開放、網絡通信和文件管理機制完善等特點，已成為最具優(yōu)勢的嵌入式操作系統(tǒng)。［1］在嵌入式Linux操作系統(tǒng)中，出于對內核的保護，用戶一般不能直接訪問物理硬件資源，需要調用驅動程序實現(xiàn)對外設的控制。嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，重點和難點就在于驅動程序的開發(fā)，設備驅動程序的不同正是各內核版本之間的主要區(qū)別。

1 嵌入式驅動程序

設備驅動程序作為機器硬件和操作系統(tǒng)內核之間的接口，屏蔽掉硬件的細節(jié)，而應用程序通過系統(tǒng)調用與操作系統(tǒng)內核連接，將硬件設備看成是一個設備文件，操作硬件設備時就像操作普通文件一樣，如圖1所示。

圖1 兩種不同形式的生命教育體系

Linux操作系統(tǒng)下主要有塊設備和字符設備兩種設備文件類型。［2］當字符設備發(fā)出讀/寫請求時，實際的硬件I/O設備緊接著發(fā)生，如鼠標、鍵盤;而塊設備不同，它利用一塊系統(tǒng)內存作為緩沖區(qū)，只有當用戶進程能滿足用戶對設備的請求，才會返回請求的數(shù)據(jù)，否則將調用請求函數(shù)來進行實際的輸入輸出操作，如硬盤。

Linux操作系統(tǒng)中，所有的設備文件都有文件屬性、主設備號和從設備號。［3］其中文件屬性用來區(qū)分設備類型(c表示字符設備，b表示塊設備);主設備號用來標識驅動程序，從設備號標識同設備驅動程序下的不同硬件設備。值得注意的是，主設備號必須與登記設備驅動程序時申請的主設備號一致，否則用戶進程無法訪問驅動程序。用戶進程通過設備文件就可以與實際的硬件通信了。

進行嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，只要用到操作系統(tǒng)，編寫設備驅動程序就必不可少。嵌入式設備硬件種類異常豐富，雖然Linux內核源代碼中已包含了很多的設備驅動程序，但仍不可能包括所有設備驅動，對于所需要的驅動程序，用戶可以在硬件生產廠家或Internet上尋找，若找不到就要根據(jù)相近硬件的驅動程序來改寫或重新編寫。

2 驅動程序設計框架

2.1 驅動程序的基本工作原理

用戶進程要與硬件打交道必須通過設備文件，而操作設備文件就是進行系統(tǒng)調用，數(shù)據(jù)結構file_operations在驅動程序與系統(tǒng)調用的關聯(lián)過程中起著關鍵作用。［4］不同的內核版本，file_operations 結構存在著差異，file_operations的典型結構如下所示:

linux的設備驅動程序就是通過file_operations結構完成工作的。［5］它中間的每個成員都與一個系統(tǒng)調用相對應。當用戶進程要操作設備文件時，系統(tǒng)調用利用其主設備號找到與之對應的驅動程序，同時獲得file_operations中相應的函數(shù)指針，使該函數(shù)獲得控制權。［6］因此，驅動程序開發(fā)的主要工作就是根據(jù)設備的需求，不斷完善file_operations中的各個子函數(shù)。

2.2 驅動程序實例

給出一個簡單的字符設備驅動程序(test_driver.c)實例，介紹字符設備驅動程序實現(xiàn)全過程。該設備名稱為 test，主設備號為 240，驅動在Linux2.6內核中成功加載，并在長沙佳程科技公司提供的 VCM－L600稅控收款機(采用三星S3C44B0芯片)上編寫測試程序，調試成功。

2.2.1 主體程序編寫

主體程序的編寫實際上就是實現(xiàn)數(shù)據(jù)結構file_operations中某些子函數(shù)。本例中，當調用read時，函數(shù)read_test將被調用，它的作用是把1寫進用戶的緩沖區(qū)。其中，buf是用戶進程空間的一個地址，read函數(shù)的一個參數(shù)，當read_test被調用時，系統(tǒng)進入了核心態(tài)，buf這個地址是不能直接使用的，要使用kernel提供的函數(shù)__put_user()把數(shù)據(jù)傳送給用戶。而且在向用戶空間拷貝數(shù)據(jù)之前，還要利用verify_area函數(shù)驗證buf是否可用。函數(shù)read_test具體實現(xiàn)如下:

2.2.2 模塊加載與卸載

驅動程序可以按照動態(tài)加載編譯成模塊(modules)或靜態(tài)編譯進內核(kernel)兩種方式編譯。靜態(tài)編譯進內核時，內核一旦啟動，驅動程序即將自動加載，這樣不僅會增加內核大小，也會使得內核的源文件被改動，設備也無法動態(tài)卸載，極不利于調試。故一般最基本的核心代碼編譯進內核中，而其他的編譯為內核的模塊文件。為了方便設備的卸載，通常采用動態(tài)編譯的方式。在動態(tài)編譯過程中使用insmod命令將模塊動態(tài)加載到正在運行的內核，不需要時使用rmmod命卸載模塊。

在動態(tài)編譯過程中，若要將模塊調入內存，則需使用insmod命令調用函數(shù)module_init，向系統(tǒng)的字符設備表登記一個字符設備test。Linux系統(tǒng)中若要在系統(tǒng)中登記字符型設備，則要調用內核函數(shù)register_chrdev。它含有三個參數(shù):第一個設備號，用戶可以根據(jù)需要指定，本例中指定為240，若為0，系統(tǒng)返回一個尚未被占用的設備號，第二個設備文件名，第三個為該驅動入口點的文件操作結構指針。如果登記成功，返回設備的主設備號，設備名將會出現(xiàn)在/proc/devices文件里;否則返回一個負值。若要卸載模塊，則要用rmmod命令調用函數(shù)module_exit，內核函數(shù)unregister_chrdev會將字符設備test在系統(tǒng)字符設備表中占有的表項釋放。

3 驅動程序的添加與測試

3.1 驅動程序的添加

設備驅動程序編寫完成后，下一步就要將該驅動程序添加至內核中。要將驅動成功添加至內核就必須修改Linux的源代碼，然后將內核重新編譯。驅動程序嵌入內核可分為以下六個步驟:

1)將驅動源文件(test_driver.c)復制到linux2.4drivercharvcmdrv目錄下。該目錄保存了Linux下字符設備的驅動程序。

2)修改上述目錄下的makefile文件，在文件中添加語句:

obj－$(config_vcm600_TEST)+=vcmdrv/test_driver.o

在配置Linux內核時若選擇了支持新定義的設備，該語句可使得編譯內核時將源文件test_driver.c 編譯成目標文件 test_driver.o。

3)修改該目錄下的config.in文件，在comment character devices?語句后添加語句:

bool‘VCM －L600 test driver’CONFI6_VCM600_TEST

4)打開 vendors/Samsung/44B0/下 makefile文件，添加節(jié)點:

Test，C，240，0

5)修改vendors/Samsung/44B0/下 rc文件，實現(xiàn)掛載

6)編譯內核，利用make menuconfig將驅動程序的目標文件(test_driver.o)生成于內核目錄driver/char/vcmdrv下。

至此驅動程序被加載進內核，若在/romfs/dev目錄中看到@test?.C.240.0，說明該驅動已成功加載。

3.2 測試

為進一步驗證驅動程序成功加載進內核，可編寫一應用程序調用該驅動。應用程序(test_apply.c)如下，該程序打開設備test，即調入test的驅動程序，通過驅動程序中定義的read函數(shù)讀取10個1存入buf中，最后在終端打印buf中的數(shù)據(jù)。

#include ＜stdio.h＞ //stdio.h標準I/O 庫，提供了帶緩沖的文件操作功能

#include ＜sys/types.h＞//types.h中定義基本系統(tǒng)數(shù)據(jù)類型

#include ＜sys/stat.h＞ //stat.h 提供文件狀態(tài)

#include ＜fcntl.h ＞ //fcntl.h定義了一組基于C的非緩沖的文件操作函數(shù)，實現(xiàn)對文件的控制

應用程序編寫好后，需將源文件編譯為目標文件，通常有兩種方法:①利用編譯命令arm－elfgcc －elf2flt －o test_driver test_driver.c，將源程序編譯為目標文件;②寫好makefile文件放在與驅動程序相同目錄下，在命令行輸入make命令編譯。這里采用第二種方法，makefile文件如下:

執(zhí)行make命令調用makefile文件，生成應用程序test_apply.c的目標文件 test_apply.o。Makefile文件中，將應用程序的目標文件放在了nfs中，便于實現(xiàn)掛載。

重新編譯內核后，將加載了新驅動的內核打包并利用tftp命令下載至目標機中，即可進入minicom終端，運行程序，查看結果。

4 結論

通過介紹嵌入式Linux設備驅動程序的工作原理，以字符設備驅動程序為實例，簡述了字符設備驅動程序開發(fā)的基本流程。雖然驅動程序的種類隨著設備的增加而日益繁多，而且某些設備驅動程序的開發(fā)還需要中斷服務，但驅動程序和內核之間有嚴格定義、管理的接口，所以其基本的結構和開發(fā)過程都是建立在規(guī)范的基礎上的，各種驅動程序的結構和開發(fā)過程是一致的，熟悉了驅動開發(fā)的基本流程后，就可進行各種設備驅動程序的開發(fā)了。

［1］李俊.嵌入式 Linux設備驅動開發(fā)詳解［M］.北京:人民郵電出版社，2008.

［2］張威，黃沖.嵌入式Linux設備驅動的設計方法研究［J］.江西師范大學學報(自然科學版)，2007，(7).

［3］戴明華，李長云，等.嵌入式Linux驅動程序框架研究綜述［J］.長沙大學學報，2012，(3).

［4］曹穎鵬.基于嵌入式Linux驅動程序的研究與設計［D］.西安:西安電子科技大學，2010.

［5］如何編寫 Linux設備驅動程序［EB/OL］.http://bbs.chinaunix.net/thread－2047152－1 －1.html

［6］王驍俊.RMLinux在嵌入式設備上的移植及驅動開發(fā)［D］上海:上海交通大學，2008.