嵌入式驱动开发流程

嵌入式系统中，操作系统是通过各种驱动程序来驾驭硬件设备的。设备驱动程序是操作系统内核和硬件设备之间的接口，它为应用程序屏蔽了硬件的细节，这样在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，可以像操作普通文件一样对硬件设备进行操作。设备驱动程序是内核的一部分，完成以下功能：
◇ 驱动程序的注册和注销。
◇ 设备的打开和释放。
◇ 设备的读写操作。
◇ 设备的控制操作。
◇ 设备的中断和轮询处理。
Linux主要将设备分为三类：字符设备、块设备和网络设备。字符设备是指发送和接收数据以字符的形式进行，没有缓冲区的设备；块设备是指发送和接收数据以整个数据缓冲区的形式进行的设备；网络设备是指网络设备访问的BSD socket 接口。下面以字符设备为例，写出其驱动编写框架：
一、 编写驱动程序初始化函数
  驱动程序的初始化在函数xxx_init()中完成，包括对硬件初始化、中断函数、向内核注册驱动程序等。
  首先理解硬件结构，搞清楚其功能，接口寄存器以及CPU怎么访问控制这些寄存器等。
  其次向内核注册驱动程序。设备驱动程序可以直接编译进内核，在系统启动的时候初始化，也可以在需要的时候以模块的方式动态加载到内核中去。每个字符设备或是块设备都是通过register_chrdev()函数注册，调用该函数后就可以向系统申请主设备号，操作成功，设备名就会出现在/proc/devices里。
  此外，在关闭设备时，需要先解除原先设备的注册，需要有清除函数，在xxx_exit()中通过unregister_chrdev()函数在实现，此后设备就会从/proc/devices里消失。
  当驱动程序被编译成模块时，使用insmod加载模块，模块的初始化函数xxx_init()被调用，向内核注册驱动程序；使用rmmod卸载模块，模块的清除函数xxx_exit()被调用。
二、 构造file_operations结构中要用到的各个成员函数
  Linux操作系统将所有的设备都看成文件，以操作文件的方式访问设备。应用程序不能直接操作硬件，使用统一的接口函数调用硬件驱动程序，这组接口被成为系统调用。每个系统调用中都有一个与之对应的函数（open、release、read、write、ioctl等），在字符驱动程序中，这些函数集合在一个file_operations类型的数据结构中。以一个键盘驱动程序为例：
struct file_operations Key7279_fops =  
{
.open = Key7279_Open,  
.ioctl = Key7279_Ioctl,  
.release = Key7279_Close,
.read = Key7279_Read,
};
1、 设备的打开和释放
  打开设备是由open()函数来完成，在大部分设备驱动中open完成如下工作：
  ◇ 递增计数器
  ◇ 检查特定设备的特殊情况
  ◇ 初始化设备
  ◇ 识别次设备号
  释放设备由release()函数来完成。当一个进程释放设备时，其它进程还能继续使用该设备，只是该进程暂时停止对该设备的的使用，而当一个进程关闭设备时，其它进程必须重新打开此设备才能使用。Release完成如下工作：
◇ 递减计数
◇ 在最后一次释放设备操作时关闭设备
2、 设备的读写操作
  读写设备的主要任务就是把内核空间的数据复制到用户空间，或者是从用户空间复制到内核空间，也就是将内核空间缓冲区里的数据复制到用户空间的缓冲区中或者相反。字符设备使用各自的read()函数和write()函数来进行数据读写。
3、 设备的控制操作
大部分设备除了读写能力，还可进行超出简单的数据传输之外的操作，所以设备驱动也必须具备进行各种硬件控制操作的能力. 这些操作常常通过 ioctl 方法来支持。与读写操作不同，ioctl()的用法与具体设备密切相关。以键盘Key7279_Ioctl为例：
static int Key7279_Ioctl(struct inode *inode,struct file *file,unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
switch(cmd)  
  {
  case Key7279_GETKEY:
return key7279_getkey();
  default:
  printk("Unkown Keyboard Command ID.\n");
  }
  return 0;
}
  cmd的取值及含义都与具体的设备有关，除了ioctl()，设备驱动程序还可能有其他控制函数，比如llseek()等。
  当应用程序使用open、release等函数打开某个设备时，设备驱动程序的file_operations结构中的相应成员就会被调用。
三、设备的中断和轮询处理
  对于不支持中断的设备，读写时需要轮询设备状态，以及是否需要继续进行数据传输。例如，打印机。如果设备支持中断，则可按照中断方式进行。
模块在使用中断前要先请求一个中断通道(或者 IRQ中断请求)，并在使用后释放它。通过request_irq()函数来注册中断，free_irq()函数来释放。
四、驱动程序的测试
  对驱动程序的调试可以通过打印的方式来进行，就是通过在驱动程序中添加printk()打印函数，来跟踪驱动程序的执行过程，以此来判断问题。
  以上是我根据自己的学习总结的，可能写的比较简单，对于比较复杂的驱动函数，会添加更多的函数，但是大体的框架就是这样了。
 
 
基于操作系统的驱动就是在无操作系统下的硬件接口函数加上操作系统外套
实现一个嵌入式Linux设备驱动程序的大致流程如下:
(l)查看原理图，理解设备的工作原理。
(2)定义主设备号。设备由一个主设备号和一个次设备号来标识。主设备号唯一标识了设
备类型，即设备驱动程序类型，它是块设备表或字符设备表中设备表项的索引。次设备号仅
由设备驱动程序解释，区分被一个设备驱动控制下的某个独立的设备。
(3)实现初始化函数。在驱动程序中实现驱动的注册和卸载。
(4)设计所要实现的文件操作，定义file--operations结构。
(5)实现所需的文件操作调用，如read，write等。
(6)实现中断服务，并用request--irq向内核注册，中断并不是每个设备驱动所必需的。
(7)编译该驱动程序到内核中，或者用insmod命令加载模块。
(8)测试该设备，编写应用程序，对驱动程序进行测试。
典型字符设备驱动编写框架：
1 编写硬件接口函数
2 建立文件系统与设备驱动程序间的接口，如：struct file_operations结构体
3 注册设备到chrdevfs全局数组中，注册或注销设备可以在任何时候，但一般在模块加载时注册设备，在模块退出时注销设备。（module_init（）；module_exit（）；）
4 以模块方式编译驱动源码，并将其加载到内核中
5 创建设备节点，mknode

6 编写应用程序访问底层设备

二、实例剖析

　　我们来写一个最简单的字符设备驱动程序。虽然它什么也不做，但是通过它可以了解Linux的设备驱动程序的工作原理.把下面的C代码输入机器，你就会获得一个真正的设备驱动程序.不过我的kernel是2.0.34，在低版本的kernel上可能会出现问题，我还没测试过.//xixi

　　#define __NO_VERSION__ 
　　#include <linux/modules.h> 
　　#include <linux/version.h>

　　char kernel_version [] = UTS_RELEASE;

　　这一段定义了一些版本信息，虽然用处不是很大，但也必不可少.Johnsonm说所有的驱动程序的开头都要包含<linux/config.h>，但我看倒是未必.

　　由于用户进程是通过设备文件同硬件打交道，对设备文件的操作方式不外乎就是一些系统调用，如 open，read，write，close....， 注意，不是fopen， fread，但是如何把系统调用和驱动程序关联起来呢?这需要了解一个非常关键的数据结构:

struct file_operations {

int (*seek) (struct inode * ，struct file *， off_t ，int); 
int (*read) (struct inode * ，struct file *， char ，int); 
int (*write) (struct inode * ，struct file *， off_t ，int); 
int (*readdir) (struct inode * ，struct file *， struct dirent * ，int); 
int (*select) (struct inode * ，struct file *， int ，select_table *); 
int (*ioctl) (struct inode * ，struct file *， unsined int ，unsigned long); 
int (*mmap) (struct inode * ，struct file *， struct vm_area_struct *); 
int (*open) (struct inode * ，struct file *); 
int (*release) (struct inode * ，struct file *); 
int (*fsync) (struct inode * ，struct file *); 
int (*fasync) (struct inode * ，struct file *，int); 
int (*check_media_change) (struct inode * ，struct file *); 
int (*revalidate) (dev_t dev); 
} 
 

　　这个结构的每一个成员的名字都对应着一个系统调用.用户进程利用系统调用在对设备文件进行诸如read/write操作时，系统调用通过设备文件的主设备号找到相应的设备驱动程序，然后读取这个数据结构相应的函数指针，接着把控制权交给该函数.这是linux的设备驱动程序工作的基本原理.既然是这样，则编写设备驱动程序的主要工作就是编写子函数，并填充file_operations的各个域.

　　相当简单，不是吗?

　　下面就开始写子程序.

#include <linux/types.h> 
#include <linux/fs.h> 
#include <linux/mm.h> 
#include <linux/errno.h> 
#include <asm/segment.h> 
unsigned int test_major = 0;

static int read_test(struct inode *node，struct file *file， 
char *buf，int count) 
{

int left;

if (verify_area(VERIFY_WRITE，buf，count) == -EFAULT ) 
return -EFAULT;

for(left = count ; left > 0 ; left--) 
{ 
__put_user(1，buf，1); 
buf++; 
} 
return count; 
} 
 

　　这个函数是为read调用准备的.当调用read时，read_test()被调用，它把用户的缓冲区全部写1.buf 是read调用的一个参数.它是用户进程空间的一个地址.但是在read_test被调用时，系统进入核心态.所以不能使用buf这个地址，必须用__put_user()，这是kernel提供的一个函数，用于向用户传送数据.另外还有很多类似功能的函数.请参考.在向用户空间拷贝数据之前，必须验证buf是否可用。

 
　这就用到函数verify_area.

static int write_tibet(struct inode *inode，struct file *file， 
const char *buf，int count) 
{ 
return count; 
}

static int open_tibet(struct inode *inode，struct file *file ) 
{ 
MOD_INC_USE_COUNT; 
return 0; 
}

static void release_tibet(struct inode *inode，struct file *file ) 
{ 
MOD_DEC_USE_COUNT; 
} 
 

　　这几个函数都是空操作.实际调用发生时什么也不做，他们仅仅为下面的结构提供函数指针。

struct file_operations test_fops = { 
NULL， 
read_test， 
write_test， 
NULL， /* test_readdir */ 
NULL， 
NULL， /* test_ioctl */ 
NULL， /* test_mmap */ 
open_test， 
release_test， NULL， /* test_fsync */ 
NULL， /* test_fasync */ 
/* nothing more， fill with NULLs */ 
}; 

　　设备驱动程序的主体可以说是写好了。现在要把驱动程序嵌入内核。驱动程序可以按照两种方式编译。一种是编译进kernel，另一种是编译成模块(modules)，如果编译进内核的话，会增加内核的大小，还要改动内核的源文件，而且不能动态的卸载，不利于调试，所以推荐使用模块方式。

int init_module(void) 
{ 
int result;

result = register_chrdev(0， "test"， &test_fops);

if (result < 0) { 
printk(KERN_INFO "test: can't get major number\n"); 
return result; 
}

if (test_major == 0) test_major = result; /* dynamic */ 
return 0; 
} 
 

　　在用insmod命令将编译好的模块调入内存时，init_module 函数被调用。在这里，init_module只做了一件事，就是向系统的字符设备表登记了一个字符设备。register_chrdev需要三个参数，参数一是希望获得的设备号，如果是零的话，系统将选择一个没有被占用的设备号返回。参数二是设备文件名，参数三用来登记驱动程序实际执行操作的函数的指针。

　　如果登记成功，返回设备的主设备号，不成功，返回一个负值。

void cleanup_module(void) 
{ 
unregister_chrdev(test_major， "test"); 
} 

　　在用rmmod卸载模块时，cleanup_module函数被调用，它释放字符设备test在系统字符设备表中占有的表项。

　　一个极其简单的字符设备可以说写好了，文件名就叫test.c吧。

　　下面编译

　　$ gcc -O2 -DMODULE -D__KERNEL__ -c test.c

　　得到文件test.o就是一个设备驱动程序。

　　如果设备驱动程序有多个文件，把每个文件按上面的命令行编译，然后

　　ld -r file1.o file2.o -o modulename.

　　驱动程序已经编译好了，现在把它安装到系统中去。

　　$ insmod -f test.o

　　如果安装成功，在/proc/devices文件中就可以看到设备test，并可以看到它的主设备号。

要卸载的话，运行

　　$ rmmod test

　　下一步要创建设备文件。

　　mknod /dev/test c major minor

　　c 是指字符设备，major是主设备号，就是在/proc/devices里看到的。

　　用shell命令

　　$ cat /proc/devices | awk "}"

　　就可以获得主设备号，可以把上面的命令行加入你的shell script中去。

　　minor是从设备号，设置成0就可以了。

　　我们现在可以通过设备文件来访问我们的驱动程序。写一个小小的测试程序。

#include <stdio.h> 
#include <sys/types.h> 
#include <sys/stat.h> 
#include <fcntl.h>

main() 
{ 
int testdev; 
int i; 
char buf[10];

testdev = open("/dev/test"，O_RDWR);

if ( testdev == -1 ) 
{ 
printf("Cann't open file \n"); 
exit(0); 
}

read(testdev，buf，10);

for (i = 0; i < 10;i++) 
printf("%d\n"，buf[i]);

close(testdev); 
} 
 

　　编译运行，看看是不是打印出全1 ？

　　以上只是一个简单的演示。真正实用的驱动程序要复杂的多，要处理如中断，DMA，I/O port等问题。这些才是真正的难点。请看下节，实际情况的处理。

　　如何编写Linux操作系统下的设备驱动程序

　　三、设备驱动程序中的一些具体问题

　　1. I/O Port.

　　和硬件打交道离不开I/O Port，老的ISA设备经常是占用实际的I/O端口，在linux下，操作系统没有对I/O口屏蔽，也就是说，任何驱动程序都可对任意的I/O口操作，这样就很容易引起混乱。每个驱动程序应该自己避免误用端口。

　　有两个重要的kernel函数可以保证驱动程序做到这一点。

　　1）check_region(int io_port， int off_set)

　　这个函数察看系统的I/O表，看是否有别的驱动程序占用某一段I/O口。

　　参数1：io端口的基地址，

　　参数2：io端口占用的范围。

　　返回值：0 没有占用， 非0，已经被占用。

　　2）request_region(int io_port， int off_set，char *devname)

　　如果这段I/O端口没有被占用，在我们的驱动程序中就可以使用它。在使用之前，必须向系统登记，以防止被其他程序占用。登记后，在/proc/ioports文件中可以看到你登记的io口。

　　参数1：io端口的基地址。

　　参数2：io端口占用的范围。

　　参数3：使用这段io地址的设备名。

　　在对I/O口登记后，就可以放心地用inb()， outb()之类的函来访问了。

　　在一些pci设备中，I/O端口被映射到一段内存中去，要访问这些端口就相当于访问一段内存。经常性的，我们要获得一块内存的物理地址。在dos环境下，（之所以不说是dos操作系统是因为我认为DOS根本就不是一个操作系统，它实在是太简单，太不安全了）只要用段：偏移就可以了。在window95中，95ddk提供了一个vmm 调用 _MapLinearToPhys，用以把线性地址转化为物理地址。但在Linux中是怎样做的呢？

　　2.内存操作

　　在设备驱动程序中动态开辟内存，不是用malloc，而是kmalloc，或者用get_free_pages直接申请页。释放内存用的是kfree，或free_pages. 请注意，kmalloc等函数返回的是物理地址！而malloc等返回的是线性地址！关于kmalloc返回的是物理地址这一点本人有点不太明白：既然从线性地址到物理地址的转换是由386cpu硬件完成的，那样汇编指令的操作数应该是线性地址，驱动程序同样也不能直接使用物理地址而是线性地址。但是事实上kmalloc返回的确实是物理地址，而且也可以直接通过它访问实际的RAM，我想这样可以由两种解释，一种是在核心态禁止分页，但是这好像不太现实；另一种是linux的页目录和页表项设计得正好使得物理地址等同于线性地址。我的想法不知对不对，还请高手指教。

　　言归正传，要注意kmalloc最大只能开辟128k-16，16个字节是被页描述符结构占用了。kmalloc用法参见khg.

　　内存映射的I/O口，寄存器或者是硬件设备的RAM(如显存)一般占用F0000000以上的地址空间。在驱动程序中不能直接访问，要通过kernel函数vremap获得重新映射以后的地址。

　　另外，很多硬件需要一块比较大的连续内存用作DMA传送。这块内存需要一直驻留在内存，不能被交换到文件中去。但是kmalloc最多只能开辟128k的内存。

　　这可以通过牺牲一些系统内存的方法来解决。

　　具体做法是：比如说你的机器由32M的内存，在lilo.conf的启动参数中加上mem=30M，这样linux就认为你的机器只有30M的内存，剩下的2M内存在vremap之后就可以为DMA所用了。

　　请记住，用vremap映射后的内存，不用时应用unremap释放，否则会浪费页表。

　　3.中断处理

　　同处理I/O端口一样，要使用一个中断，必须先向系统登记。

int request_irq(unsigned int irq ，

void(*handle)(int，void *，struct pt_regs *)，

unsigned int long flags，

const char *device);

irq: 是要申请的中断。

handle：中断处理函数指针。

flags：SA_INTERRUPT 请求一个快速中断，0 正常中断。

device：设备名。
 

　　如果登记成功，返回0，这时在/proc/interrupts文件中可以看你请求的中断。

　　4.一些常见的问题。

　　对硬件操作，有时时序很重要。但是如果用C语言写一些低级的硬件操作的话，gcc往往会对你的程序进行优化，这样时序就错掉了。如果用汇编写呢，gcc同样会对汇编代码进行优化，除非你用volatile关键字修饰。最保险的办法是禁止优化。这当然只能对一部分你自己编写的代码。如果对所有的代码都不优化，你会发现驱动程序根本无法装载。这是因为在编译驱动程序时要用到gcc的一些扩展特性，而这些扩展特性必须在加了优化选项之后才能体现出来。