需要了解嵌入式Linux设备驱动的工作原理

摘要:计算机软件和集成电路技术的发展，为嵌入式产业带来了巨大的机遇和挑战，Linux以其稳定、高效、易定制、硬件广泛支持等特点，迅速崛起为当今计算机领域的一匹黑马。文章通过对与嵌入式Linux设备驱动程序相关内核源码进行分析，从设备驱动的体系结构和内核环境两方面入手，对嵌入式Linux设备驱动程序的工作原理进行剖析和阐述。
关键词: Linux；嵌入式系统；设备驱动；内核环境

0. 引 言
设备驱动程序在Linux内核中占有极其重要的位置，它是内核用于完成对物理设备的控制操作的功能模块。除了CPU、内存以及其他很少的几个部分以外，所有的设备控制操作都必须由与被控设备相关代码——驱动程序来完成。否则设备就无法在Linux下正常工作，这就是驱动程序开发成为Linux内核开发的主要工作的原因。
然而，在嵌入式Linux 系统中，内核提供保护机制，用户空间的进程一般不能直接访问硬件。进行嵌入式系统的开发，很大的工作量是为各种设备编写驱动程序，Linux 设备驱动程序在Linux 内核源代码中占有60%以上，从2.0、2.2 到2.4 版本的内核，源代码的长度日益增加，其实主要是设备驱动程序在增加。
文章通过对与设备驱动相关内核源码进行分析，从设备驱动的内部结构和内核环境两方面入手，对设备驱动程序的工作原理进行深入地剖析和阐述。

1. Linux I/O子系统的体系结构
1.1 I/O子系统的层次结构
Linux的I/O子系统分为上下两个层次：其下层是与设备有关的，即设备驱动程序，它直接控制设备完成具体的I/O操作，并且向上层提供一组访问接口；上层部分是与设备无关的，它根据进程的I/O请求设备驱动程序接口与设备进行通信。由于Linux把设备作为文件管理，所以I/O子系统的上层实际上就是实现文件管理功能的虚拟文件系统VFS，进程的I/O请求经过VFS的转换完成对设备的各种操作，而这些操作的具体实现是由设备驱动来完成的。（如图1所示）
1.2 I/O驱动软件的总体目标
I/O驱动软件的总体目标是将软件组织成一种层次结构，底层软件用来屏蔽具体设备硬件的细节；高层软件则为用户提供一个简洁的界面，从而实现I/O设计的设备无关性。（如图1所示）

2. 文件操作例程登记表
2.1 文件系统调用接口

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

2.2基本入口点函数结构
我们用以globar_read和read函数为例来对驱动底层软件结构是如何屏蔽设备硬件细节进行剖析。

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• 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);  
• }   

上述函数的任务是实现将数据从设备复制到用户空间，也就是将内核空间缓冲区里的数据复制其工作原理如图2所示：
 

 
用户程序读操作的入口点到用户空间的缓冲区中，

read和global_read函数之间的通信是靠字符设备驱动接口中的file_operations结构，基于Linux-2.4.20的的定义如下：

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• struct file_operations {  
• struct module *owner；  
• /* 指向拥有本结构的module，用于内核维护模块的引用技术 */  
• loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int)；  
• /* 改变当前文件的读/写位置并返回新位置，错误返回负数 */  
• ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t)；  
• /* 用来从设备接收数据，返回的非负数表示成功读取的字节数 */  
• ssize_t (*write) (struct file *,const char *, size_t, loff_t *)；  
• /* 用来往设备发数据，返回的非负数表示成功写入的字节数 */  
• int（readdir）)(struct inode *, struct file *, void *, filldir_t)；  
• /* 仅用于文件系统的目录读取，不用于设备驱动 */  
• int (*select)(struct inode *, struct file *, int, select table *)；  
• /* 用于查询设备是否可读、可写或处于特殊的状态 */  
• int (*ioctl)(struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned int )；　　  
• /* 用于给设备发送命令的接口函数。如驱动不提供，则所有调用失败，返回ENOTTY */   
• int (*mmap)(struct inode *, struct file *, struct vm_area_struct *)；  
• /* 用于请求将设备内存映射到进程空间。如果驱动不提供，则所有调用失败，返回ENODEV */  
• int (*open)(struct inode *, struct file *)；　　  
• /* 打开设备，通常是对设备的第一个操作函数 */  
• void (*release)(struct inode *, struct file *)；　  
• /* 关闭设备。只有当设备文件的所有备份都被释放时，才进行release调用，而不是每次调用close时都执行。 */  
• int (*fsync)(struct inode *, struct file *)；  
• /* 是系统调用fsync的背后支撑，用户可调用fsync来刷新缓存数据 */  
• }；  

3. Linux驱动工作原理
3.1 驱动程序工作原理图（如图3所示）
 

3.2 驱动程序工作原理剖析
3.2.1注册驱动程序
设备驱动是通过insmod命令加载到系统内核中，在内核里由加载模块Init_module()调用注册函数register_chrdev()来完成（如图3所示）。
注册函数格式为：

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

 major ：主设备号
 name ：设备名
 fops   ：驱动程序结构体的地址
 
当注册函数在执行时，首先从字符设备注册表chrdev[ ]的底部（实际是倒数第二个表项）开始向上依次查询各个表项（如图4所示），查到表项的成员项fops为null时，说明它是一个空表项。这时把参数给出的设备名和驱动程序指针集合分别赋予该表项device_struct结构体（也被称为设备描述符，在fs/device.c中）的成员项name和fops，如下所示：
 

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• 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注销驱动程序
驱动程序的注销是由rmmod命令调用cleanup_module卸载模块，此时注销函数unregister_chrdev()函数就会被调用执行（如图3所示）。当注销函数的参数给出了要注销设备的主设备号major和设备名name后，根据参数major检查注册表项中注册的设备名与参数给出的名字是否一致，若不同则不能注销并返回错误值；如果一致则把该表项的两个成员项都置为null然后返回0值，如下所示：

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

在Linux中由于设备管理是由内核实现的，所以设备管理的数据结构在内存的内核区，设备管理使用的函数都是内核函数。

4. 结束语
操作系统是通过各种驱动程序来驾驭硬件设备的，它为用户屏蔽了各种各样的设备，驱动硬件是操作系统最基本的功能，并且提供统一的操作方式。设备驱动程序是内核的一部分，硬件驱动程序是操作系统最基本的组成部分,因此熟悉驱动的编写是很重要的。