需要了解嵌入式Linux設備驅動的工作原理

摘要:計算機軟件和集成電路技術的發展，為嵌入式產業帶來了巨大的機遇和挑戰，Linux以其穩定、高效、易定制、硬件廣泛支持等特點，迅速崛起為當今計算機領域的一匹黑馬。文章通過對與嵌入式Linux設備驅動程序相關內核源碼進行分析，從設備驅動的體系結構和內核環境兩方面入手，對嵌入式Linux設備驅動程序的工作原理進行剖析和闡述。
關鍵詞: Linux；嵌入式系統；設備驅動；內核環境

0. 引言
設備驅動程序在Linux內核中占有極其重要的位置，它是內核用于完成對物理設備的控制操作的功能模塊。除了CPU、內存以及其他很少的幾個部分以外，所有的設備控制操作都必須由與被控設備相關代碼——驅動程序來完成。否則設備就無法在Linux下正常工作，這就是驅動程序開發成為Linux內核開發的主要工作的原因。
然而，在嵌入式Linux 系統中，內核提供保護機制，用戶空間的進程一般不能直接訪問硬件。進行嵌入式系統的開發，很大的工作量是為各種設備編寫驅動程序，Linux 設備驅動程序在Linux 內核源代碼中占有60%以上，從2.0、2.2 到2.4 版本的內核，源代碼的長度日益增加，其實主要是設備驅動程序在增加。
文章通過對與設備驅動相關內核源碼進行分析，從設備驅動的內部結構和內核環境兩方面入手，對設備驅動程序的工作原理進行深入地剖析和闡述。

1. Linux I/O子系統的體系結構
1.1 I/O子系統的層次結構
Linux的I/O子系統分為上下兩個層次：其下層是與設備有關的，即設備驅動程序，它直接控制設備完成具體的I/O操作，并且向上層提供一組訪問接口；上層部分是與設備無關的，它根據進程的I/O請求設備驅動程序接口與設備進行通信。由于Linux把設備作為文件管理，所以I/O子系統的上層實際上就是實現文件管理功能的虛擬文件系統VFS，進程的I/O請求經過VFS的轉換完成對設備的各種操作，而這些操作的具體實現是由設備驅動來完成的。（如圖1所示）
1.2 I/O驅動軟件的總體目標
I/O驅動軟件的總體目標是將軟件組織成一種層次結構，底層軟件用來屏蔽具體設備硬件的細節；高層軟件則為用戶提供一個簡潔的界面，從而實現I/O設計的設備無關性。（如圖1所示）

2. 文件操作例程登記表
2.1 文件系統調用接口

[cpp]?view plain?copy

struct?file_operations?IOdriver_fops?=???
{??
??read??:?IOdriver_read,??
??write?:?IOdriver_write,??
};??

2.2基本入口點函數結構
我們用以globar_read和read函數為例來對驅動底層軟件結構是如何屏蔽設備硬件細節進行剖析。

[cpp]?view plain?copy

static?ssize_t?globar_read(struct?file?*file,?char?*buf,?size_t?len,?loff_t?*off)??
{??
if(__copy_to_user(buf,&globar_var,?sizeof(int)))??
{??
????return?–EFAULT;??
}??
return?sizeof(int);??
}???

上述函數的任務是實現將數據從設備復制到用戶空間，也就是將內核空間緩沖區里的數據復制其工作原理如圖2所示：
?

?
用戶程序讀操作的入口點到用戶空間的緩沖區中，

read和global_read函數之間的通信是靠字符設備驅動接口中的file_operations結構，基于Linux-2.4.20的的定義如下：

[cpp]?view plain?copy

struct?file_operations?{??
struct?module?*owner；??
/*?指向擁有本結構的module，用于內核維護模塊的引用技術?*/??
loff_t?(*llseek)?(struct?file?*,?loff_t,?int)；??
/*?改變當前文件的讀/寫位置并返回新位置，錯誤返回負數?*/??
ssize_t?(*read)?(struct?file?*,?char?*,?size_t,?loff_t)；??
/*?用來從設備接收數據，返回的非負數表示成功讀取的字節數?*/??
ssize_t?(*write)?(struct?file?*,const?char?*,?size_t,?loff_t?*)；??
/*?用來往設備發數據，返回的非負數表示成功寫入的字節數?*/??
int（readdir）)(struct?inode?*,?struct?file?*,?void?*,?filldir_t)；??
/*?僅用于文件系統的目錄讀取，不用于設備驅動?*/??
int?(*select)(struct?inode?*,?struct?file?*,?int,?select?table?*)；??
/*?用于查詢設備是否可讀、可寫或處于特殊的狀態?*/??
int?(*ioctl)(struct?inode?*,?struct?file?*,?unsigned?int,?unsigned?int?)；　　??
/*?用于給設備發送命令的接口函數。如驅動不提供，則所有調用失敗，返回ENOTTY?*/???
int?(*mmap)(struct?inode?*,?struct?file?*,?struct?vm_area_struct?*)；??
/*?用于請求將設備內存映射到進程空間。如果驅動不提供，則所有調用失敗，返回ENODEV?*/??
int?(*open)(struct?inode?*,?struct?file?*)；　　??
/*?打開設備，通常是對設備的第一個操作函數?*/??
void?(*release)(struct?inode?*,?struct?file?*)；　??
/*?關閉設備。只有當設備文件的所有備份都被釋放時，才進行release調用，而不是每次調用close時都執行。?*/??
int?(*fsync)(struct?inode?*,?struct?file?*)；??
/*?是系統調用fsync的背后支撐，用戶可調用fsync來刷新緩存數據?*/??
}；??

3. Linux驅動工作原理
3.1 驅動程序工作原理圖（如圖3所示）
?

3.2 驅動程序工作原理剖析
3.2.1注冊驅動程序
設備驅動是通過insmod命令加載到系統內核中，在內核里由加載模塊Init_module()調用注冊函數register_chrdev()來完成（如圖3所示）。
注冊函數格式為：

[cpp]?view plain?copy

int?register_chrdev(unsigned?int?major,?const?char?*name,?struct?file_operation?*fops);??

??major ：主設備號
??name ：設備名
??fops ? ：驅動程序結構體的地址
?
當注冊函數在執行時，首先從字符設備注冊表chrdev[ ]的底部（實際是倒數第二個表項）開始向上依次查詢各個表項（如圖4所示），查到表項的成員項fops為null時，說明它是一個空表項。這時把參數給出的設備名和驅動程序指針集合分別賦予該表項device_struct結構體（也被稱為設備描述符，在fs/device.c中）的成員項name和fops，如下所示：
?

[cpp]?view plain?copy

if?(major?==?0)??
for?(major=MAX_CHRDEV-1;?major>0;?major--)??
{if?(chrdev[major].fops?==?NULL)??
{chrdev[major].name?=?name;??
?chrdev[major].fops?=?fops;??
?return?major;}??
return?–EBUSY;??
}??

3.2.2注銷驅動程序
驅動程序的注銷是由rmmod命令調用cleanup_module卸載模塊，此時注銷函數unregister_chrdev()函數就會被調用執行（如圖3所示）。當注銷函數的參數給出了要注銷設備的主設備號major和設備名name后，根據參數major檢查注冊表項中注冊的設備名與參數給出的名字是否一致，若不同則不能注銷并返回錯誤值；如果一致則把該表項的兩個成員項都置為null然后返回0值，如下所示：

[cpp]?view plain?copy

if?(strcmp(chrdev[major].name,?name))??
???reture?–EINVAL;??
else??
???{?chrdev[major].name?=?NULL;??
?????chrdev[major].fops?=?NULL;??
??return?0;}??

在Linux中由于設備管理是由內核實現的，所以設備管理的數據結構在內存的內核區，設備管理使用的函數都是內核函數。

4. 結束語
操作系統是通過各種驅動程序來駕馭硬件設備的，它為用戶屏蔽了各種各樣的設備，驅動硬件是操作系統最基本的功能，并且提供統一的操作方式。設備驅動程序是內核的一部分，硬件驅動程序是操作系統最基本的組成部分,因此熟悉驅動的編寫是很重要的。

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