[ARM筆記]設(shè)備驅(qū)動概述

　　1. 設(shè)備驅(qū)動和操作系統(tǒng)

　　1.1 無操作系統(tǒng)時的設(shè)備驅(qū)動

　　在沒有操作系統(tǒng)的情況下，設(shè)備驅(qū)動的接口直接提交給應(yīng)用軟件工程師，應(yīng)用軟件沒有跨越任何層次就可以直接訪問設(shè)備驅(qū)動的接口。驅(qū)動包含的接口函數(shù)也與硬件的功能直接吻合，沒有任何附加功能。

　　1.2 有操作系統(tǒng)時的設(shè)備驅(qū)動

　　沒有操作系統(tǒng)時，設(shè)備驅(qū)動直接被應(yīng)用程序調(diào)用，不與任何操作系統(tǒng)關(guān)聯(lián)。當系統(tǒng)中包含操作系統(tǒng)后，設(shè)備驅(qū)動會變得怎樣?

　　首先，無操作系統(tǒng)時設(shè)備驅(qū)動的硬件操作仍然是必不可少的，沒有這一部分，設(shè)備驅(qū)動不可能與硬件打交道，也就是說在無操作系統(tǒng)時驅(qū)動所做的工作，在有操作系統(tǒng)時也是要做的。

　　其次，我們還需要將設(shè)備驅(qū)動融入操作系統(tǒng)內(nèi)核。應(yīng)用程序是通過調(diào)用操作系統(tǒng)的API來實現(xiàn)對硬件的操作的，所以設(shè)備驅(qū)動需要融入到內(nèi)核中。為了實現(xiàn)這種融合，必須在所有的設(shè)備驅(qū)動中設(shè)計面向操作系統(tǒng)內(nèi)核的接口，這樣的接口由操作系統(tǒng)規(guī)定，對一類設(shè)備而言結(jié)構(gòu)一致，獨立于具體的設(shè)備。不同的操作系統(tǒng)中定義的設(shè)備驅(qū)動架構(gòu)是不一樣的，要將設(shè)備驅(qū)動融入系統(tǒng)內(nèi)核中，就需要按照操作系統(tǒng)給出的獨立于設(shè)備的接口架構(gòu)設(shè)計，如此這般，應(yīng)用程序就可以使用統(tǒng)一的系統(tǒng)調(diào)用接口來訪問各種設(shè)備。其中內(nèi)核的API 包括并發(fā)/同步控制、阻塞/喚醒、中斷底半部調(diào)度、內(nèi)存和I/O 訪問等。

　　由此可見，當系統(tǒng)中存在操作系統(tǒng)時，設(shè)備驅(qū)動變成了鏈接硬件和內(nèi)核的橋梁，操作系統(tǒng)的存在使得單一的“驅(qū)動硬件設(shè)備工作”變?yōu)椴僮飨到y(tǒng)與硬件交互的模塊，它對外呈現(xiàn)為操作系統(tǒng)API，不再給應(yīng)用軟件工程師直接提供接口。因此，驅(qū)動工程師不僅需要牢固的硬件基礎(chǔ)，如硬件的工作原理、寄存器設(shè)置等，還需要對驅(qū)動中所涉及的內(nèi)核知識有良好的掌握，包括內(nèi)核支持的API、內(nèi)核驅(qū)動架構(gòu)等，才能設(shè)計開發(fā)出好的設(shè)備驅(qū)動程序。也就是說設(shè)備驅(qū)動從無操作系統(tǒng)時的應(yīng)用程序和硬件設(shè)備之間的橋梁轉(zhuǎn)變成操作系統(tǒng)和硬件設(shè)備之間的溝通紐帶。

　　2. Linux設(shè)備驅(qū)動

　　2.1 Linux設(shè)備的分類及特點

　　驅(qū)動針對的對象是存儲器和外設(shè)(包括CPU內(nèi)部集成的存儲器和外設(shè))，而不是針對CPU核。Linux系統(tǒng)中將存儲器和外設(shè)分為3個基礎(chǔ)大類：字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

　　2.1.1 字符設(shè)備

　　概括的講，字符設(shè)備指那些必須以串行順序依次進行訪問的設(shè)備，如觸摸屏、磁帶驅(qū)動器、鼠標等。字符設(shè)備是一種可以當作一個字節(jié)流來存取的設(shè)備，字符驅(qū)動就負責實現(xiàn)這種行為。這樣的驅(qū)動常常至少實現(xiàn)open，close，read，和write系統(tǒng)調(diào)用。字符驅(qū)動很好地展

　　現(xiàn)了流的抽象，它通過文件系統(tǒng)結(jié)點來存取，也就是說，字符設(shè)備被當作普通文件來訪問。字符設(shè)備和普通文件之間唯一的不同就是：你可以在普通文件中移來移去，但是大部分字符設(shè)備僅僅是數(shù)據(jù)通道，你只能順序存取。然而，也存在看起來象數(shù)據(jù)區(qū)的字符設(shè)備，你可以在里面移來移去的訪問數(shù)據(jù)。例如，frame grabber經(jīng)常這樣，應(yīng)用程序可以使用mmap或者lseek 存取整個要求的圖像。

　　2.1.2 塊設(shè)備

　　塊設(shè)備是可以用任意順序訪問，以塊為單位進行操作，如硬盤、軟驅(qū)等。一般來說，塊設(shè)備和字符設(shè)備并沒有明顯的界限。如同字符設(shè)備，塊設(shè)備也是通過文件系統(tǒng)結(jié)點進行存取。一個塊設(shè)備是可以駐有一個文件系統(tǒng)的。Linux系統(tǒng)中允許應(yīng)用程序讀寫一個塊設(shè)備象一個字符設(shè)備一樣，它允許一次傳送任意數(shù)目的字節(jié)，當然也包括一個字節(jié)。塊和字符設(shè)備的區(qū)別僅僅在內(nèi)核在內(nèi)部管理數(shù)據(jù)的方式上，如字符設(shè)備不經(jīng)過系統(tǒng)的快速緩沖，而塊設(shè)備經(jīng)過系統(tǒng)的快速緩沖，并且在內(nèi)核/驅(qū)動的軟件接口上不同。雖然它們之間的區(qū)別對用戶是透明的，它們都使用文件系統(tǒng)的操作接口open()、close()、read()、write()等函數(shù)進行訪問，但是它們的驅(qū)動設(shè)計存在很大的差異。

　　2.1.3 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

　　網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是面向數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送而設(shè)計的，它與字符設(shè)備、塊設(shè)備不同，并不對應(yīng)于文件系統(tǒng)中的節(jié)點。內(nèi)核與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的通信和內(nèi)核與字符設(shè)備、塊設(shè)備的通信方式可以說是完全不同的。任何網(wǎng)絡(luò)事務(wù)都通過一個接口來進行，就是說，一個能夠與其他主機交換數(shù)據(jù)的設(shè)備。通常，一個接口是一個硬件設(shè)備，但是它也可能是一個純粹的軟件設(shè)備，比如環(huán)回接口，因此網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也可以稱為網(wǎng)絡(luò)接口。在內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的驅(qū)動下，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備負責發(fā)送和接收數(shù)據(jù)報文。網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動對單個連接一無所知，它只處理報文。

　　既然網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不是一個面向流的設(shè)備，一個網(wǎng)絡(luò)接口就不象字符設(shè)備、塊設(shè)備那么容易映射到文件系統(tǒng)的一個結(jié)點上。Linux提供的對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的存取方式仍然是通過給它們分配一個名字，但是這個名字在文件系統(tǒng)中沒有對應(yīng)的入口，其并不用read和write等函數(shù)，而是通過內(nèi)核調(diào)用和報文傳遞相關(guān)的函數(shù)來實現(xiàn)。

　　近年來，某些設(shè)備驅(qū)動類別也已經(jīng)添加到Linux內(nèi)核中，如FireWire驅(qū)動。與內(nèi)核處理USB和SCSI驅(qū)動相同的方式，內(nèi)核開發(fā)者集合了類別范圍內(nèi)的特性，并把它們輸出給驅(qū)動實現(xiàn)者，以避免重復工作，因此簡化和加強了編寫類似驅(qū)動的過程。

　　除了上面對設(shè)備的分類的方式之外，還有其他的劃分方式，與上面的設(shè)備類型是正交的。通常，某些類型的驅(qū)動與給定類型設(shè)備其他層的內(nèi)核支持函數(shù)一起工作。例如，你可以說USB模塊，串口模塊，SCSI模塊等等。每個USB設(shè)備由一個USB模塊驅(qū)動，與USB子系統(tǒng)一起工作，但是設(shè)備自身在系統(tǒng)中表現(xiàn)為一個字符設(shè)備(比如一個USB串口)，一個塊設(shè)備(一個USB內(nèi)存讀卡器)，或者一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(一個USB以太網(wǎng)接口)。

　　2.2 不同設(shè)備的驅(qū)動設(shè)計概述

　　上述的三類設(shè)備，除了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備外，字符設(shè)備與塊設(shè)備都被映射到Linux文件系統(tǒng)的文件和目錄，通過文件系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用接口open()、write()、read()、close()等函數(shù)訪問。塊設(shè)備比字符設(shè)備復雜，在它上面會有一個磁盤/Flash文件系統(tǒng)，該文件系統(tǒng)對存儲介質(zhì)上的文件和目錄進行規(guī)范化的組織。

　　2.2.1 字符設(shè)備驅(qū)動

　　Linux字符設(shè)備驅(qū)動的核心是file_operations結(jié)構(gòu)體，驅(qū)動的主體是實現(xiàn)其中的read()、write()、ioctl()、open()、release()等方法，這些方法將完成系統(tǒng)需要對設(shè)備進行的操作功能。

　　其結(jié)構(gòu)形式如下所示：

　　struct file_operations xxx_fops =

　　{

　　.owner = THIS_MODULE,

　　.read = xxx_read,

　　.write = xxx_write,

　　.ioctl = xxx_ioctl,

　　...

　　}

　　open()方法：該方法提供給驅(qū)動程序初始化設(shè)備的能力，從而為以后的設(shè)備操作做好準備，主要完成如下工作：檢查設(shè)備特定的錯誤(例如設(shè)備沒準備好，或者類似的硬件錯誤);如果它第一次打開，初始化設(shè)備;如果需要，更新file_operations指針;分配并填充要放進filp->private_data的任何數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。此外open操作一般還會遞增使用計數(shù)，用以防止文件關(guān)閉前模塊被卸載出內(nèi)核。

　　release()方法：與open方法相反，它主要是釋放由open分配的filp->private_data中的所有內(nèi)容;在最后一次關(guān)閉操作時關(guān)閉設(shè)備;使用計數(shù)減1等操作。

　　read()和write()方法：read方法完成將數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到應(yīng)用程序空間，write方法相反，將數(shù)據(jù)從應(yīng)用程序空間拷貝到內(nèi)核。

　　ioctl()方法：ioctl 方法主要用于對設(shè)備進行讀寫之外的其他控制，比如配置設(shè)備、進入或退出某種操作模式，這些操作一般都無法通過 read/write文件操作來完成。

　　2.2.2 塊設(shè)備驅(qū)動

　　Linux塊設(shè)備驅(qū)動并不直接實現(xiàn)file_operations成員函數(shù)，其主體變成處理實現(xiàn)block_device_operations成員函數(shù)以及處理上層下達的I/O請求。block_device_operations結(jié)構(gòu)體中包含了ioctl()、open()、release()方法，因為字符設(shè)備和塊設(shè)備的存取方法不同，其I/O處理請求可以看作是塊設(shè)備中的read()和write()方法。塊設(shè)備調(diào)用函數(shù)block_read( )和block_write( )來進行數(shù)據(jù)讀寫，這兩個函數(shù)將向設(shè)備請求表中Linux塊設(shè)備驅(qū)動并不直接實現(xiàn)file_operations成員函數(shù)，其主體變成處理實現(xiàn)block_device_operations成員函數(shù)以及處理上層下達的I/O請求。block_device_operations結(jié)構(gòu)體中包含了ioctl()、open()、release()方法，因為字符設(shè)備和塊設(shè)備的存取方法不同，其I/O處理請求可以看作是塊設(shè)備中的read()和write()方法。塊設(shè)備調(diào)用函數(shù)block_read( )和block_write( )來進行數(shù)據(jù)讀寫，這兩個函數(shù)將向設(shè)備請求表中增加讀寫請求，以便Linux內(nèi)核可以對請求順序進行優(yōu)化。由于是對內(nèi)存緩沖區(qū)而不是直接對設(shè)備進行操作的，因此很大程度上加快了讀寫速度。如果內(nèi)存緩沖區(qū)中沒有所要讀入的數(shù)據(jù)，或者需要執(zhí)行寫操作將數(shù)據(jù)寫入設(shè)備，那么就要執(zhí)行真正的數(shù)據(jù)傳輸。

　　處理I/O請求的典型流程如下所示：

　　static void xxx_request(request_queue_t *q)

　　{

　　struct request *req;

　　while ((req = elv_next_request(q)) != NULL)

　　{

　　struct xxx_dev *dev = req->rq_disk->private_data;

　　if (!blk_fs_request(req)) //不是文件系統(tǒng)請求

　　{

　　printk(KERN_NOTICE "Skip non-fs requestn");

　　end_request(req, 0);//通知請求處理失敗

　?。?/p>

　　continue;

　　}

　　xxx_transfer(dev, req->sector, req->current_nr_sectors, req->buffer,rq_data_dir(req)); //處理這個請求

　　end_request(req, 1); //通知成功完成這個請求

　　}