Linux设备驱动程序 04 05 2006 应忍冬内容

Linux设备驱动程序 04/05/2006 应忍冬

内容 • • • 设备分类设备驱动程序的框架字符型设备网络设备文件系统 – User Space File System • • USB设备 Frame. Buffer例子和使用 Debug原理和Debug方法常用设备/fb/ram/loopback/zero

设备驱动程序的任务 • • 设备初始化硬件操作和管理外部硬件和内核空间的数据传递内核空间和用户空间的数据传递

设备驱动程序的功能用户空间内核空间用户程序存储缓冲设备驱动程序外部硬件

用户态程序 vs 内核态程序用户程序 • 权限受限 • 虚拟运行环境 –逻辑地址 –关键资源访问受监管 • 函数调用由用户控制内核程序 • 最高权限 • 实际的运行环境 –物理地址 –可访问所有资源 • 函数由内核直接调用可以运行驱动程序

地址映射与物理地址访问用户进程1 用户进程2 用户进程3 虚拟地址映射物理地址空间用户利用指针访问的是虚地址，不是物理地址， IO设备的物理地址可能是用户进程不可触及的

直接访问内核内存(/dev/kmem) kmfd = open("/dev/kmem", O_RDONLY ); lseek( kmfd, offset, SEEK_SET ); read( kmfd, byte. Array. Len ); close(kmfd); • 直接访问内核地址（内核态的虚地址） • 一般内核地址起始于0 x. C 0000000

直接访问物理地址(/dev/mem) mem_fd = open("/dev/mem", O_RDONLY ); b=mmap(0, 0 x 10000, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, mem_fd, 0 x. A 0000) … close(memfd); mmap将文件中的数据映射成数组 Pointer b 这里是将物理内存（由特殊文件/dev/mem访问）映射成指针b指向的数组。注意，指针b的值不一定是 0 x. A 0000，它是和物理地址 0 x. A 0000对应的用户态的虚拟地址 Linux中/dev/mem主要是用于设备内存的访问(比如显卡内存)，而不是普通存储器 0 x. A 0000 0 x. B 0000

直接访问IO端口(/dev/port) port_fd = open("/dev/port", O_RDWR); lseek(port_fd, port_addr, SEEK_SET); read(port_fd, …); write(port_fd, …); close(port_fd); • 注意：不能用fopen/fread/fwrite/fclose因为它们有数据缓冲，对读写操作不是立即完成的

outb()/outw()/inb()/inw()函数 • outb(value, port); inb(port); // 8 -bit • outw(value, port); inw(port); // 16 -bit • 访问时间大约 1 us #include <stdio. h> #include <unistd. h> #include <asm/io. h> #define BASEPORT 0 x 378 // printer int main() { ioperm(BASEPORT, 3, 1)); // get access permission outb(0, BASEPORT); usleep(100000); printf("status: %dn", inb(BASEPORT + 1)); ioperm(BASEPORT, 3, 0)); // give up exit(0); • ioperm(from, num, turn_on) • 用ioperm申请的操作端口地址在 0 x 000~0 x 3 FF，利用 } iopl()可以申请所有的端口地址 • 必须以root运行 • 用 “gcc -02 –o xxx. elf xxx. c” 编译

设备驱动程序内访问设备地址 • 设备驱动程序可以通过指针访问设备地址 • 设备驱动程序接触到的还是虚拟地址，但对于外界设备有固定的设备地址映射（设备的地址在移植Linux时候确定）设备驱动程序虚拟地址映射物理内存地址空间设备地址映射设备地址空间

直接访问IO端口 vs 设备驱动程序 • • IO直接访问用户态程序编写/调试简单查询模式，响应慢设备共享管理困难 • • 设备驱动访问核心态编程调试困难可用中断模式访问、快设备共享管理简单（由内核帮助完成）

设备分类 • 字符设备 –鼠标、串口、游戏杆 • 块设备 –磁盘、打印机 • 网络设备 –由BSD Socket访问

字符设备 vs 块设备字符设备 • 字符设备发出读/写请求时，对应的硬件I/O 一般立即发生。 • 数据缓冲可有可无 • ADC/DAC、按钮、LED、传感器等块设备 • 利用一块系统内存作缓冲区，一般读写由缓冲区直接提供，尽量减少IO操作 • 针对磁盘等慢速设备

可装卸的设备驱动程序和静态连接到内核的设备驱动程序 • 静态连接到内核的设备驱动程序 –修改配置文件、重新编译和安装内核 • 可装卸的设备驱动程序 – insmod – rmmod – lsmod 装载卸载查询

Linux对硬件设备的抽象设备文件 • Open/Close/Read/Write • 例子 –/dev/mouse –/dev/lp 0

驱动程序与设备文件用open/read/write/close 等命令访问用户程序设备文件用mknod 命令创建通过主设备号找到设备驱动程序用insmod命令安装，或直接编译到内核中

驱动程序注册与注销驱动程序代码结构设备文件的操作函数 (*open)() (*write)() (*flush)() (*llseek)() … 中断服务程序

LED设备驱动程序的例子 CPU

$struct file_operations LED_fops = { read: LED_read, write: LED_write, open: LED_open, release: LED_release, };$

struct file_operations LED_fops = { read: LED_read, write: LED_write, open: LED_open, release: LED_release, }; 程序列表（1） int LED_init_module(void) { SET_MODULE_OWNER(&LED_fops); LED_major = register_chrdev(0, "LED", &LED_fops); LED_off(); LED_status=0; return 0; } void LED_cleanup_module(void) { unregister_chrdev(LED_major, "LED"); } module_init(LED_init_module); module_exit(LED_cleanup_module);

$程序列表（2） int LED_open(struct inode *inode, struct file *filp) { printk("LED_open()n"); MOD_INC_USE_COUNT; return 0;$

程序列表（2） int LED_open(struct inode *inode, struct file *filp) { printk("LED_open()n"); MOD_INC_USE_COUNT; return 0; } int LED_release(struct inode *inode, struct file *filp) { printk(“LED_release()n“); MOD_DEC_USE_COUNT; return 0; }

$程序列表（3） ssize_t LED_read (struct file *filp, char *buf, size_t count, loff_t *f_pos) {$

程序列表（3） ssize_t LED_read (struct file *filp, char *buf, size_t count, loff_t *f_pos) { int i; for (i=0; i<count; i++) *((char*)(buf+i)) = LED_Status; return count; } ssize_t LED_write(struct file *filp, const char *buf, size_t count, loff_t *f_pos) { int i; for (i=0; i<count; i++) if (*((char*)(buf+i))) Data->LED_on(); else Data->LED_off(); return count; } (*((volatile unsigned int *)(0 x. XXXX))) |= MASK; (*((volatile unsigned int *)(0 x. XXXX))) &=~MASK;

#ifndef __KERNEL__ #define __KERNEL__ #endif #ifndef MODULE #define MODULE #endif #include <linux/config. h> #include <linux/module. h> #include <linux/sched. h> #include <linux/kernel. h> #include <linux/malloc. h> #include <linux/errno. h> #include <linux/types. h> #include <linux/interrupt. h> #include <linux/in. h> #include <linux/netdevice. h> #include <linux/etherdevice. h> #include <linux/ip. h> #include <linux/tcp. h> #include <linux/skbuff. h> #include <sysdep. h> #include <linux/ioctl. h> #include <linux/in 6. h> #include <asm/checksum. h> MODULE_AUTHOR("Rendong Ying"); int LED_major, LED_status; 程序列表（4）头文件

程序编译（Makefile） CC = arm-elf-linux-gcc LD = arm-elf-linux-ld INCLUDE = /usr/local/src/bsp. Linux/include LIB_INC = /usr/local/lib/gcc-lib/arm-elf-linux/2. 95. 3/include CFLAGS = -O 6 -Wall -DCONFIG_KERNELD -DMODULE -D__KERNEL__ -DLinux -nostdinc -I- -I. -I$(INCLUDE) -idirafter $(LIB_INC) LED. o: LED. c $(CC) $(CFLAGS) -c LED. c clean: rm -f LED. o 生成o文件

设备装载和设备文件建立 • chmod +x /tmp/LED. o • /sbin/insmod -f. /LED. o • cat /proc/devices得到装入内核的主设备号 • mknod /dev/Lamp c Num 1 Num 2 Num 1为主设备号 Num 2为次设备号强制安装，忽略版本检查

设备的测试和使用 • 命令行开启printk，也可以从/var/log/messages看printk的记录 echo 8 > /proc/sys/kernel/printk cat /dev/Lamp cat > /dev/Lamp • 程序 void main() { int fd=open(“/dev/Lamp, O_RDWR); write(fd, &data, 1); close(fd); }

设备卸载 /sbin/rmmod LED rm -f /dev/Lamp Function of MOD_INC_USE_COUNT; MOD_DEC_USE_COUNT;

复杂的设备驱动程序用户数据空间内核数据缓冲区驱动程序注册与注销（注册/注销设备、中断）设备文件的操作函数 (*open)() (*write)() (*flush)() (*llseek)() … 中断服务程序

复杂设备驱动程序的例子 (USB Device) 中断资源申请和释放 • if (request_irq(USB_INTR_SOURCE 1, usb_ep 1_int, SA_INTERRUPT, "USB EP 1", 0) < 0) printk("Int. req. failed !n"); • free_irq(USB_INTR_SOURCE 0, 0); cat /proc/interrupts

中断服务程序 • 没有返回参数 • 简短快速 void usb_ep 1_int(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs) { //… }

$数据接收中断服务程序 void usb_ep 1_int(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs) { read_data_from_hardware_FIFO(); put_data_into_data_buffer(); }$

数据接收中断服务程序 void usb_ep 1_int(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs) { read_data_from_hardware_FIFO(); put_data_into_data_buffer(); }

$数据发送中断服务程序 void usb_ep 2_int(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs) { read_data_from_buffer(); send_data_hardware_FIFO ();$

数据发送中断服务程序 void usb_ep 2_int(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs) { read_data_from_buffer(); send_data_hardware_FIFO (); }

$设备文件接口函数(read) ssize_t usb_ep 1_read (struct file *filp, char *buf, size_t count, loff_t *f_pos) {$

设备文件接口函数(read) ssize_t usb_ep 1_read (struct file *filp, char *buf, size_t count, loff_t *f_pos) { if (data_buffer_empty()) return 0; else copy_data_to_user_space(); return data_copyed; } copy_to_user(user_buf, device_driver_buf, size);

设备文件接口函数 (read, blocking mode) ssize_t usb_ep 1_read (struct file *filp, char *buf, size_t count, loff_t *f_pos) { while(device_driver_buf_empty()) { if (wait_event_interruptible(q_ep 2, device_driver_buf_not_empty)) return -ERESTARTSYS; } copy_data_to_user_space(); return data_copyed; } wait_queue_head_t rq_EP 2; init_waitqueue_head(&rq_EP 2);

$设备文件接口函数(write) ssize_t usb_ep 2_write (struct file *filp, char *buf, size_t count, loff_t *f_pos) {$

设备文件接口函数(write) ssize_t usb_ep 2_write (struct file *filp, char *buf, size_t count, loff_t *f_pos) { if (data_buffer_full()) return 0; else copy_data_to_device_driver_buf(); if (no_transmission_now) send_1 st_data(); return data_copyed; } copy_from_user(device_driver_buf, user_buf, size);

内存申请 • malloc ? X • kmalloc • kfree • vmalloc • vfree

$禁止设备打开多次 int LED_flag; int LED_init_module(void) { LED_flag=0; … } int LED_open(struct inode *inode, struct$

禁止设备打开多次 int LED_flag; int LED_init_module(void) { LED_flag=0; … } int LED_open(struct inode *inode, struct file *filp) { if (LED_flag=0) { LED_flag=1; MOD_INC_USE_COUNT; return 0; } else } return -ENODEV; int LED_release(struct inode *inode, struct file *filp) { LED_flag=0; MOD_DEC_USE_COUNT; return 0; }

同一设备驱动管理几个接口应用程序 Serial Port Device Driver UART 0

$同一设备驱动管理几个接口 int dev_open(struct inode *inode, struct file *filp) { int minor = MINOR(inode->i_rdev); filp->private_data=sub_dev_dat[minor];$

同一设备驱动管理几个接口 int dev_open(struct inode *inode, struct file *filp) { int minor = MINOR(inode->i_rdev); filp->private_data=sub_dev_dat[minor]; … } ssize_t dev_write(struct file *filp, const char *buf, size_t count, loff_t *f_pos) { switch(*(filp->private_data)) { … } }

Linux设备驱动程序 04 05 2006 应忍冬 内容

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