Linux系統(tǒng)下的驅(qū)動程序開發(fā)

韓賢忠 胡業(yè)火

摘 要： 本文以PC-6325A板卡Linux系統(tǒng)下的驅(qū)動開發(fā)為例介紹了PC-6325A板卡信息及工作原理，linux內(nèi)核編譯加載、常用函數(shù)方法實(shí)現(xiàn)等基本編程技術(shù)?？蔀長inux系統(tǒng)下驅(qū)動程序開發(fā)人員提供一定參考。

關(guān)鍵詞： Linux；驅(qū)動程序

1 引言

由于Linux系統(tǒng)具有運(yùn)行安全穩(wěn)定、功能強(qiáng)大、獲取方便等眾多優(yōu)點(diǎn)，逐漸被眾多開發(fā)人員所使用。但市場上Linux發(fā)行版本多，很多硬件設(shè)備缺少對應(yīng)版本的驅(qū)動程序，需要自行開發(fā)。

本文以PC-6325A板卡開發(fā)為例，介紹了linux內(nèi)核編譯加載、常用函數(shù)方法實(shí)現(xiàn)等基本編程技術(shù)，在后續(xù)驅(qū)動程序開發(fā)中可以此為參考。

2 硬件設(shè)備分析

PC-6325A模入接口卡適用于具有ISA總線的PC系列微機(jī)，具有很好的兼容性，CPU從目前廣泛使用的64位處理器到早期的16為處理器均可使用，操作系統(tǒng)也適用于MS-DOS、Windows系列、Unix等多種操作系統(tǒng)以及專業(yè)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)labVIEW等軟件環(huán)境。以下對PC-6325A板卡進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 工作原理

PC-6325A板卡主要由模擬多路開關(guān)電路、放大器電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、接口控制邏輯電路、光電隔離電路及DC/DC電源電路組成。

2.1.1 模擬多路開關(guān)電路

模擬多路開關(guān)由4片8選1模擬開關(guān)芯片等組成，通過KJ1和KJ2跨接插座可以選擇32路單端或16路雙端輸入方式，并將選中的信號送入差分放大器處理。

2.1.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

PC-6325A卡選用新一代A/D器件ADS7808作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器件。ADS7808內(nèi)部自帶采保和精密基準(zhǔn)電源。A/D轉(zhuǎn)換可以由程序啟動，也可由外部觸發(fā)信號啟動。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志可以由程序查詢檢出，也可通過中斷方式通知CPU處理。

2.1.3 接口控制邏輯電路及光隔電路

接口控制邏輯電路用來產(chǎn)生與各種操作有關(guān)的控制信號。光隔電路采用6N137高速光耦對系統(tǒng)總線與模擬信號之間進(jìn)行光電隔離，以避免相互間的干擾。

2.1.4 DC/DC電源電路

DC/DC電源電路有電源模塊及相關(guān)的濾波元件組成。該電源模塊的輸入電壓為+5V，輸出電壓為與原邊隔離的±15V和+5V，原付邊之間隔離電壓可達(dá)1500V。

3 驅(qū)動程序設(shè)計(jì)

3.1 編譯內(nèi)核

設(shè)備驅(qū)動屬于linux內(nèi)核的部分在編寫Linux設(shè)備驅(qū)動前需要對Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行編譯。本次PC-6325板卡驅(qū)動開發(fā)調(diào)試采用2.6.23版本內(nèi)核。

編譯步驟如下：

1.下載并解壓Linux內(nèi)核一般內(nèi)核源碼放在/usr/src目錄下。

2.清除從前編譯內(nèi)核時(shí)殘留的.o文件和不必要的關(guān)聯(lián)：

cd /usr/src/linux

make mrproper

確保源代碼目錄下沒有不正確的.o文件和文件依賴關(guān)系，執(zhí)行該命令后，內(nèi)核選項(xiàng)會回到默認(rèn)的狀態(tài)下。如果為下載的內(nèi)核源碼，且為第一次編譯可跳過該步驟。

3.配置內(nèi)核，修改相關(guān)參數(shù)：

圖形界面下，make xconfig；

字符界面下， make menuconfig；

在內(nèi)核配置菜單中正確設(shè)置內(nèi)核選項(xiàng)保存退出。

4.正確設(shè)置關(guān)聯(lián)文件：

make dep

根據(jù)上一步所選擇的選項(xiàng)，建立文件的依賴關(guān)系。

5.編譯內(nèi)核：

對于大內(nèi)核，make bzlmage

對于小內(nèi)核，mkae zlmage

6.編譯模塊：

make modules

編譯可加載模塊（即內(nèi)核選項(xiàng)中選擇為M的選項(xiàng)）。

7.安裝模塊：

make modules_install

將編譯好的modules拷貝到/lib/modules下（該步驟需要管理員權(quán)限）。

3.2 編寫驅(qū)動程序

內(nèi)核編譯完成后就可以進(jìn)行驅(qū)動程序代碼編寫了，但在此之前需要了解一下Linux系統(tǒng)的一個(gè)基本概念，內(nèi)核空間和用戶空間。模塊運(yùn)行在內(nèi)核空間用于擴(kuò)展內(nèi)核功能，應(yīng)用程序運(yùn)行在用戶空間。內(nèi)核空間與用戶空間可理解為兩種運(yùn)行模式，有著不同的優(yōu)先級及自己的內(nèi)存映射。相應(yīng)的在代碼編寫中也會有內(nèi)核空間編程及用戶空間編程的區(qū)別。本文將以PC-6325A板卡驅(qū)動開發(fā)中的具體代碼為例對驅(qū)動程序中內(nèi)核空間及用戶空間較為常用的函數(shù)方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.2.1 初始化和關(guān)閉

1.初始化代碼如下：

static int __init pc6325_init （void）{

register_chrdev（MAJOR_NUM， "pc6325"， &pc6325;_fops）；

gPc6325Dev = kmalloc（sizeof（struct pc6325_dev）， GFP_KERNEL）；

init_MUTEX（&gPc6325Dev-;>sem）； /*初始化信號量*/

return 0；

}

module_init（pc6325_init）；

初始化函數(shù)聲明為static，該函數(shù)僅在初始化期間使用。模塊裝載之后，模塊裝載器將初始化函數(shù)丟掉，并釋放函數(shù)所占用的內(nèi)存。

module_init用于說明內(nèi)核初始化函數(shù)的位置。如果沒有這個(gè)定義，初始化函數(shù)將無法被調(diào)用。

2.清除函數(shù)代碼如下：

static void __exit pc6325_exit （void）{

unregister_chrdev（MAJOR_NUM， "pc6325"）；

}

module_exit（pc6325_exit）；

清除函數(shù)在模塊移除前注銷接口并返回系統(tǒng)中的所有資源。清除函數(shù)無返回值，聲明為void清除函數(shù)用于模塊卸載，在模塊卸載或者系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)調(diào)用。

3.2.2 數(shù)據(jù)讀取與發(fā)送

1.讀取數(shù)據(jù)代碼如下

static ssize_t pc6325_read（struct file *filp， char __user *buf， size_t size，loff_t *ppos）

{

unsigned long p = *ppos；

unsigned int count = size；

int ret = 0；

struct pc6325_dev *dev = filp->private_data； /*獲得設(shè)備結(jié)構(gòu)體指針*/

if （down_interruptible（&dev-;>sem）） /* 獲得信號量 */

{

return - ERESTARTSYS；

}

dev->mem[0]=inb（dev->address+p）；

copy_to_user（buf， &（dev->mem[0]）， count）；

up（&dev-;>sem）；

return ret；

}

該函數(shù)用來從設(shè)備讀取數(shù)據(jù)，函數(shù)指針被賦予NULL值時(shí)，將導(dǎo)致reed系統(tǒng)調(diào)用出錯(cuò)并返回-EINVAL（非法參數(shù)）。函數(shù)返回非負(fù)值表示成功讀取的字節(jié)數(shù)。對于該方法，參數(shù)filp是文件指針，參數(shù)count是請求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度。參數(shù)buff是用戶空間的指針，指向用戶空間的緩沖區(qū)，保存要寫入的數(shù)據(jù)，或者是一個(gè)存放新讀入數(shù)據(jù)的空緩沖區(qū)。最后的offp是一個(gè)指向長偏移量類型的對象指針，用于指明用戶在文件中進(jìn)行存取操作的位置。

2.發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)如下：

static ssize_t pc6325_write（struct file *filp， const char __user *buf，size_t size， loff_t *ppos）

{

unsigned long p = *ppos；

unsigned int count = size；

int ret = 0；

unsigned char vData=0；

struct pc6325_dev *dev = filp->private_data； /* 獲得設(shè)備結(jié)構(gòu)體指針 */

if（ count<3 ）{

return；

}

if （down_interruptible（&dev-;>sem）） /* 獲得信號量 */

{

return - ERESTARTSYS；

}

copy_from_user（dev->mem+p，buf，count）；

if（ count==3 && dev->mem[0]==0xED ）{

dev->address=dev->mem[1]*0x100+dev->mem[2]；

pc6325_set_base_address（dev->address）；

}else if（ count==3 && dev->mem[0]==0xCD ）{

dev->offset=dev->mem[1]；

vData=dev->mem[2]；

outb（vData，dev->address+dev->offset）；

}

up（&dev-;>sem）； /* 釋放信號量 */

return ret；

}

向設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。如果返回值非負(fù)，則表示成功寫入的字節(jié)數(shù)。其用法及參數(shù)與read方法一致，在此不再贅述。

3.2.3 open和release方法

1.open方法：

int pc6325_open（struct inode *inode， struct file *filp）

{

filp->private_data = gPc6325Dev；

return 0；

}

Open方法提供給驅(qū)動程序初始化的能力，從而為以后的操作完成初始化的準(zhǔn)備。在多數(shù)驅(qū)動程序中，open完成如下工作：

a）檢查設(shè)備特定的錯(cuò)誤；

b）如果設(shè)備是首次打開，則對其進(jìn)行初始化；

c）必要時(shí)，更新f_op指針；

d）非配并填寫置于filp->private_data里的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[1]。

2.release方法：

int pc6325_release（struct inode *inode， struct file *filp）

{

struct pc6325_dev *dev = filp->private_data；

pc6325_release_base_address（dev->address）；

//printk（KERN_ALERT "address release"）；

return 0；

}

release方法的作用于open正好相反。該方法通常完成以下任務(wù)。

a）釋放有open分配的、保存在filp->private_data中的所有內(nèi)容；

b）在最后一次關(guān)閉操作時(shí)關(guān)閉設(shè)備。

3.2.4 file_operations結(jié)構(gòu)

代碼如下：

struct file_operations pc6325_fops={

read： pc6325_read，

write： pc6325_write，

open： pc6325_open，

release： pc6325_release，

owner： THIS_MODULE，

}；

file_operations結(jié)構(gòu)用于建立驅(qū)動程序與設(shè)備編號之間的連接。主要用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用。結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)字段都指向驅(qū)動程序中特定操作的函數(shù)，對于不支持的操作，對應(yīng)的字段可設(shè)置為NULL值。

3.2.5 模塊加載與卸載

1. 模塊加載

# Create the device nodes （up to 10 by default）

echo -n "Creating device nodes........... "

rm -f ${path}/${name}*

mknod ${path}/${name} c $major 226

#mknod ${path}/${name} c 226 0

# Create additional nodes for non-service driver

if [ "${bServiceDriver}" == "0" ]； then

mknod ${path}/${name}-0 c $major 000

mknod ${path}/${name}-1 c $major 001

mknod ${path}/${name}-2 c $major 002

mknod ${path}/${name}-3 c $major 003

mknod ${path}/${name}-4 c $major 004

mknod ${path}/${name}-5 c $major 005

mknod ${path}/${name}-6 c $major 006

mknod ${path}/${name}-7 c $major 007

mknod ${path}/${name}-8 c $major 008

mknod ${path}/${name}-9 c $major 009

fi

chmod 777 $path

上述代碼中rm -f ${path}/${name}*的作用為卸載之前的模塊以釋放空間在模塊卸載中也會用到，之后的代碼為進(jìn)行模塊加載。其中mknod命令用于創(chuàng)建設(shè)備文件。最后的chmod 777 $path表示賦予讀、寫以及運(yùn)行的權(quán)限。

2.模塊卸載

echo -n "Clear existing device nodes..... "

rm -f $path/${name}*

echo "Ok （${path}/${name}）"

卸載模塊代碼較為簡單使用rm -f $path/${name}*指令卸載即可。

4.結(jié)論

Linux系統(tǒng)對于開發(fā)人員而言有著眾多的優(yōu)點(diǎn)，但市場上Linux發(fā)行版本多，很多硬件設(shè)備缺少對應(yīng)版本的驅(qū)動程序，需要自行開發(fā)。本文以PC-6325A板卡驅(qū)動開發(fā)為例介紹了PC-6325A板卡信息及工作原理，linux內(nèi)核編譯加載、常用函數(shù)方法實(shí)現(xiàn)等基本編程技術(shù)。可為Linux系統(tǒng)驅(qū)動開發(fā)人員提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]LINUX設(shè)備驅(qū)動程序第三版，中國電力出版社，2006年1月，魏永明，耿岳，鐘書毅 譯.

[2]PC-6325A板卡用戶手冊.