基于Linux 操作系統(tǒng)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)

占華林 徐濤濤 陳亮亮 于子正 李明鑫

（江西科技師范大學(xué)，江西南昌 330013）

任何一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)都是系統(tǒng)中軟硬件共同努力的結(jié)果，沒(méi)有硬件的軟件是空中樓閣，而沒(méi)有軟件的硬件則只是一堆廢鐵。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)外部設(shè)備并與外部設(shè)備通信，依靠驅(qū)動(dòng)程序。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行在內(nèi)核空間，作為外部設(shè)備與應(yīng)用軟件橋梁。在所有嵌入式操作系統(tǒng)里，嵌入式Linux 系統(tǒng)相比于其他的系統(tǒng)，在嵌入式領(lǐng)域有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。首先是Linux 開(kāi)源免費(fèi)；然后是Linux 的內(nèi)核體積小且易于模塊化，適應(yīng)性和可配置性好適合各種平臺(tái)，它同時(shí)還支持多任務(wù)、多用戶；最后是Linux 有很多開(kāi)發(fā)論壇，提供豐富開(kāi)發(fā)資料，對(duì)開(kāi)發(fā)者而言是強(qiáng)大的技術(shù)外援。所以本論文是基于Linux 操作系統(tǒng)上開(kāi)發(fā)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

1 字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

1.1 基本原理

1.1.1 創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)。在Linux 操作系統(tǒng)中所有設(shè)備都當(dāng)作文件來(lái)處理，每個(gè)設(shè)備在/dev 目錄下都有一個(gè)設(shè)備文件與之相對(duì)應(yīng)，對(duì)設(shè)備的打開(kāi)、讀寫(xiě)、控制和關(guān)閉等所有操作都是通過(guò)/dev/目錄下對(duì)應(yīng)的文件進(jìn)行操作。設(shè)備節(jié)點(diǎn)有時(shí)會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建，可是字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)并不直接負(fù)責(zé)這一項(xiàng)操作。因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)時(shí)會(huì)需要手動(dòng)創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)，使用mknod 命令在文件系統(tǒng)上人工創(chuàng)建。除此之外Linux 中有一組函數(shù)可以用來(lái)在/ dev目錄下創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)，即class_create ( ) 和device_create ( )。1.1.2 主次設(shè)備號(hào)。Linux 管理的所有設(shè)備都有與之對(duì)應(yīng)的目錄，內(nèi)核通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序來(lái)識(shí)別設(shè)備。一般來(lái)說(shuō)驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)主設(shè)備號(hào)快速匹配外部設(shè)備，但同一類設(shè)備數(shù)量不只一個(gè)（或者說(shuō)一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序可以同時(shí)匹配多個(gè)設(shè)備），所以必須增加次設(shè)備號(hào)，它給驅(qū)動(dòng)程序提供了一種能從同一驅(qū)動(dòng)管理下的同類型設(shè)備分辨出目標(biāo)設(shè)備的方法。1.1.3 用戶空間和內(nèi)核空間。嵌入式系統(tǒng)屬于多用戶、多任務(wù)操作系統(tǒng)，不能因?yàn)槟硞€(gè)用戶或某個(gè)任務(wù)的非法操作造成死機(jī)現(xiàn)象，所以用程序運(yùn)行在用戶空間，而驅(qū)動(dòng)程序則運(yùn)行在內(nèi)核空間，內(nèi)核空間維護(hù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)全局穩(wěn)定性，驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行時(shí)受到內(nèi)核程序較多約束，因?yàn)樵趦?nèi)核中運(yùn)行任一程序出現(xiàn)問(wèn)題都會(huì)造成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)死機(jī)。而應(yīng)用程序運(yùn)行較“寬松”。1.1.4 應(yīng)用程序與硬件設(shè)備的訪問(wèn)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用程序通過(guò)運(yùn)行在內(nèi)核空間的驅(qū)動(dòng)程序來(lái)訪問(wèn)計(jì)算機(jī)外部設(shè)備。應(yīng)用程序按照如圖1 所示的流程對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行訪問(wèn)。首先是應(yīng)用程序調(diào)用操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)函數(shù)，從而訪問(wèn)內(nèi)核空間，然后內(nèi)核空間的結(jié)構(gòu)file_operations 來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序中的相關(guān)函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的訪問(wèn)。

圖1 應(yīng)用程序到硬件設(shè)備的訪問(wèn)

1.2 重要結(jié)構(gòu)file_operations

要實(shí)現(xiàn)用戶空間對(duì)內(nèi)核空間的調(diào)用，必須依賴Linux 操作系統(tǒng)內(nèi)核中一個(gè)非常重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：file_operations。此結(jié)構(gòu)存放在內(nèi)核include/linux/fs.h 文件中，所以用到此結(jié)構(gòu)的代碼都應(yīng)包含此頭文件#include ＜linux/fs.h＞。file_operations 結(jié)構(gòu)如下：

Linux 使用 file_operations 訪問(wèn)驅(qū)動(dòng)中的函數(shù)時(shí),file_operations 中存儲(chǔ)著對(duì)設(shè)備進(jìn)行各種操作的函數(shù)指針f_ops，file_operations 中每一個(gè)成員名都對(duì)應(yīng)一個(gè)調(diào)用函數(shù)，如：file_open( )、file_allocate( )、file_read( )、file_write( )、file_ioctl( )、file_close( )等。比如在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)存取的時(shí)候，系統(tǒng)通過(guò)設(shè)備的設(shè)備號(hào)來(lái)找到驅(qū)動(dòng)，然后讀取驅(qū)動(dòng)，開(kāi)始執(zhí)行函數(shù)。例如：應(yīng)用程序要對(duì)某個(gè)外部設(shè)備進(jìn)行如open 操作時(shí)，這時(shí)匹配該外部設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序就會(huì)執(zhí)行對(duì)應(yīng)的fopen 函數(shù)。

2 字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)

字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)涉及到知識(shí)點(diǎn)較多，開(kāi)發(fā)起來(lái)顯得有點(diǎn)復(fù)雜。但規(guī)律可循，總結(jié)如下流程：

第一步：編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序文件

準(zhǔn)備工作（定義設(shè)備名稱、定義主次設(shè)備號(hào)）、設(shè)備注冊(cè)、定義結(jié)構(gòu)體file_operations、實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)體內(nèi)的功能函數(shù)、設(shè)備注銷等。具體下來(lái)有以下工作：a.初始化外部設(shè)備的相關(guān)寄存器。包括定時(shí)寄存器、中斷寄存器、串口寄存器；b.初始化硬件設(shè)備參數(shù)；c.注冊(cè)設(shè)備。通過(guò)主次設(shè)備號(hào)與次設(shè)備號(hào)將驅(qū)動(dòng)程序與設(shè)備關(guān)聯(lián)起來(lái)，內(nèi)核會(huì)調(diào)用函數(shù)register_chrdev 來(lái)注冊(cè)匹配的外部設(shè)備；d.注冊(cè)外部設(shè)備中斷函數(shù)。內(nèi)核會(huì)調(diào)用函數(shù)request_irq( )來(lái)注冊(cè)匹配的外部設(shè)備的中斷函數(shù)；

第二步：驅(qū)動(dòng)程序放進(jìn)Linux 內(nèi)核

將編輯好驅(qū)動(dòng)程序源文件和頭文件放置內(nèi)核相對(duì)應(yīng)的文件下./kernel/drivers/char，同時(shí)修改Linux 內(nèi)核配置文件***.config，在使用make menuconfig 命令時(shí)在配置頁(yè)面里出現(xiàn)相應(yīng)的配置選項(xiàng)，使用空格鍵選中，保存后退出，再使用預(yù)安裝好的交叉編譯工具鏈進(jìn)行交叉編譯。需要說(shuō)明的，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序編譯有兩種方法，一種是編譯進(jìn)內(nèi)核，另一種是編譯成模塊。一般來(lái)說(shuō)，調(diào)試階段編譯成模塊形式，驅(qū)動(dòng)程序穩(wěn)定后，編譯進(jìn)內(nèi)核。修改內(nèi)核配置文件如下：

a.修改Makefile 文件。

在kernel/drivers/char 目錄下

的Makefile 文件中填加如下代碼，編譯后會(huì)生成DEVICE_DRIVER.o 文件：

DEVICE_DRIVER.o

b.修改配置菜單

在Linux 內(nèi)核對(duì)應(yīng)的目錄下kernel/drivers/char 修改配置文件config.in。在comment 'Character devices' 下面添加。運(yùn)行make menuconfig 命令時(shí)，選中support for DEVICE_DRIVER，編譯后則選中的驅(qū)動(dòng)程序就會(huì)編譯進(jìn)內(nèi)核：

bool'supportforDEVICE_DRIVER'CONFIG_DEVICE_DRIVER

第三步：交叉編譯

在kernel/目錄下使用如下命令進(jìn)行交叉編譯。

make dep

make clean

Make zImage

第四步：下載燒錄

使用相關(guān)應(yīng)用軟件將新的內(nèi)樣鏡像文件下載燒錄到板載Flash 內(nèi)，或?qū)Ⅱ?qū)動(dòng)程序模塊鏡像使用插入的方法到嵌入式平臺(tái)。插入命令：insmod device_driver.o。再使用命令創(chuàng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)：mknod /dev/device_name c 50 0。

3 字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序舉例

在Linux 環(huán)境下，以鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序?yàn)槔M(jìn)行說(shuō)明。硬件基本情況是：S3C2410+HD7279(鍵盤(pán)數(shù)碼管模塊）。

3.1 編寫(xiě)鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序

a.編寫(xiě)file_operations 結(jié)構(gòu)。

d.初始化鍵盤(pán)硬件函數(shù)。

3.2 測(cè)試鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序

設(shè)備驅(qū)動(dòng)編譯后，接著編寫(xiě)測(cè)試程序kbd.c 用來(lái)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)程序的效果。

fd = open("/dev/Kbd7279", 0)

結(jié)束語(yǔ)

本論文講述了字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)的基本原理及編寫(xiě)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的方法?；赟3C2410+HD7279 平臺(tái)上，演示了鍵盤(pán)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)并進(jìn)行了驗(yàn)證。本文可認(rèn)為是字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)范例，為初學(xué)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)提供參考。