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Linux作為一種開源的操作系統(tǒng)，一直以來被廣泛地使用。它的優(yōu)點有很多，其中之一就是其穩(wěn)定性。為了讓Linux系統(tǒng)更加強大和穩(wěn)定，必須理解它的基礎——設備驅(qū)動。而在Linux系統(tǒng)中，設備驅(qū)動起到了至關重要的作用。在本文中，我們將。
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一、Linux設備驅(qū)動的概念
Linux設備驅(qū)動是一些軟件程序，用來控制硬件設備的行為，讓硬件能夠和操作系統(tǒng)協(xié)同工作。Linux系統(tǒng)中，所有的硬件設備都由設備驅(qū)動程序控制，包括打印機、鍵盤、鼠標、網(wǎng)絡卡、存儲設備等等。在使用Linux操作系統(tǒng)時，我們需要為每個設備安裝對應的驅(qū)動程序，這樣才能讓設備正確地工作。
Linux設備驅(qū)動可以分為四個層次。
1. 應用程序?qū)樱哼@一層包括應用程序和共享庫，是用戶執(zhí)行的程序，用戶可以通過它們調(diào)用驅(qū)動程序中提供的設備操作函數(shù)。
2. 標準設備接口層：這一層包括字符設備接口、塊設備接口、網(wǎng)絡設備接口三個子層，它們是系統(tǒng)調(diào)用和驅(qū)動程序之間的接口層，負責進行數(shù)據(jù)傳輸和錯誤檢測，同時為驅(qū)動程序提供一些簡單的操作接口。
3. 設備驅(qū)動核心層：這一層是設備驅(qū)動程序的骨干，包括了所有設備驅(qū)動程序中都需要用到的核心函數(shù)和接口，負責設備驅(qū)動程序與硬件之間的通信。
4. 硬件接口層：這一層是設備與硬件的接口，負責硬件設備操作的實際實現(xiàn)。
二、Linux設備驅(qū)動的原理
Linux設備驅(qū)動的原理可以分為兩個方面：驅(qū)動程序和硬件之間的通信、驅(qū)動程序與操作系統(tǒng)之間的交互。
在驅(qū)動程序和硬件之間的通信方面，Linux設備驅(qū)動都是通過內(nèi)存映射實現(xiàn)的。驅(qū)動程序會在內(nèi)核空間中把硬件設備的寄存器等映射到內(nèi)存地址空間中，然后通過讀寫內(nèi)存的方式和硬件進行通信。
在驅(qū)動程序與操作系統(tǒng)之間的交互方面，Linux設備驅(qū)動通常使用了標準設備接口。標準設備接口對驅(qū)動程序提供了一些通用的接口，例如open()、read()、write()等函數(shù)，驅(qū)動程序通過這些接口與操作系統(tǒng)交互。
Linux設備驅(qū)動程序通常需要具備以下特點：
1. 安全：Linux設備驅(qū)動程序在進行硬件訪問時必須保證安全，防止用戶非法地訪問。
2. 穩(wěn)定：Linux設備驅(qū)動程序必須非常穩(wěn)定，能夠承受各種負載和壓力，不會出現(xiàn)死機和崩潰等問題。
3. 高效：Linux設備驅(qū)動程序要盡可能高效，以確保設備能夠及時響應用戶的操作。
三、Linux設備驅(qū)動的編寫
Linux設備驅(qū)動的編寫需要掌握以下技能：
1. C語言編程技能：Linux設備驅(qū)動程序是用C語言編寫的，因此需要掌握C語言編程技能。
2. Linux內(nèi)核編程技能：Linux設備驅(qū)動程序是在內(nèi)核空間中運行的，因此需要掌握Linux內(nèi)核編程技能。
3. 設備驅(qū)動編程技能：為了編寫好Linux設備驅(qū)動程序，還需要掌握設備驅(qū)動編程技能，學會如何控制設備、操作寄存器等。
4. 設備驅(qū)動架構設計思路：為了使設備驅(qū)動程序更加可靠和高效，需要掌握設備驅(qū)動架構設計思路，考慮如何把設備驅(qū)動程序劃分為幾個模塊，以及這些模塊之間如何進行通信和協(xié)作。
Linux設備驅(qū)動是一個非常復雜而龐大的系統(tǒng)，需要理解其結(jié)構和原理，并且具備較強的編程能力才能夠編寫出良好的設備驅(qū)動程序。希望本文能夠幫助大家更好地理解linux設備驅(qū)動的結(jié)構與原理。
相關問題拓展閱讀：
- Linux驅(qū)動程序的工作原理
Linux驅(qū)動程序的工作原理
「秒懂百科」一分鐘讀懂《LINUX設襲爛備驅(qū)動程畢雹序》拍數(shù)漏
由于你的問題太長我只好轉(zhuǎn)載別人的手打的太累不好意思~~~
Linux是Unix***作系統(tǒng)的一種變種,在Linux下編寫驅(qū)動程序的原理和
思想完全類似于其他的Unix系統(tǒng),但它dos或window環(huán)境下的驅(qū)動程序有很大的
區(qū)別.在Linux環(huán)境下設計驅(qū)動程序,思想簡潔,***作方便,功芤埠芮看?但是
支持函數(shù)少,只能依賴kernel中的函數(shù),有些常用的***作要自己來編寫,而且調(diào)
試也不方便.本人這幾周來為實驗室自行研制的一塊多媒體卡編制了驅(qū)動程序,
獲得了一些經(jīng)驗,愿與Linux fans共享,有不當之處,請予指正.
以下的一些文字主要來源于khg,johnsonm的Write linux device driver,
Brennan’s Guide to Inline Assembly,The Linux A-Z,還有清華BBS上的有關
device driver的一些資料. 這些資料有的已經(jīng)過時,有的還有一些錯誤,我依
據(jù)自己的試驗結(jié)果進祥讓行了修正.
一. Linux device driver 的概念
系統(tǒng)調(diào)用是***作系統(tǒng)內(nèi)核和應用程序之間的接口,設備驅(qū)動程序是***作系統(tǒng)
內(nèi)核和機器硬件之間的接口.設備驅(qū)動程序為應用程序屏蔽了硬件的細節(jié),這樣
在應用程序看來,硬件設備只是一個設備文件, 應用程序可以象***作普通文件
一樣對硬件設備進行***作.設備驅(qū)動程序是內(nèi)核的一部分,它完成以下的功能:
1.對設備初始化和釋放.
2.把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù).
3.讀取應用程序傳送給設備文件的數(shù)據(jù)和回送應用程序請求的數(shù)據(jù).
4.檢測和處理設備出現(xiàn)的錯誤.
在Linux***作系統(tǒng)下有兩類主要的設備文件類型,一種是字符設備,另一種是
塊設備.字符設備和塊設備的主要區(qū)別是:在對字符設備發(fā)出讀/寫請求時,實際
的硬件I/O一般就緊接著發(fā)生了,塊設備則不然,它利用一塊系統(tǒng)內(nèi)存作緩沖區(qū),
當用戶進程對設備請求能滿足用戶的要求,就返回請求的數(shù)據(jù),如果不能,就調(diào)用請求函數(shù)來進行實際
的I/O***作.塊設備是主要針對磁盤等慢速設備設計的,以免耗費過多的CPU時間
來等待.
已經(jīng)提到,用戶進程是通過設備文件來與實際的硬件打交道.每個設備文件都
都有其文件屬性(c/b),表示是字符設備還蔤強檣璞?另外每個文件謹李局都有兩個設
備號,之一個是主設備號,標識驅(qū)動程序,第二個是從設備號,標識使用同一個
設備驅(qū)動程序的不同的硬件設備,比如有兩個軟盤,就可以用從設備號來區(qū)分
他們.設備文件的的主設備號必須與設備驅(qū)動程序在登記時申請的主設備號
一致,否則用戶進程將無法訪問到驅(qū)動程序.
最后必須提到的是,在用戶進程調(diào)用驅(qū)動程序時,系統(tǒng)進入核心態(tài),這時不再是
搶先式調(diào)度.也就是說,系統(tǒng)必須在你的驅(qū)動程序的子函數(shù)返回后才能進行其他
的工作.如果你的驅(qū)動程序陷入死循環(huán),不幸的是你只有重新啟動機器了,然后就
是漫長的fsck.//hehe
(請看下節(jié),實例剖析)
讀/寫時,它首先察看緩沖區(qū)的內(nèi)容,如果緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)
如何編寫Linux***作系統(tǒng)下的設備驅(qū)動程序
Roy G
二.實例剖析
我們來寫一個最簡單的字符設備驅(qū)動程序.雖然它什么也不做,但是通過它
可以了解Linux的設備驅(qū)動程序的工作原理擾迅.把下面的C代碼輸入機器,你就會
獲得一個真正的設備驅(qū)動程序.不過我的kernel是2.0.34,在低版本的kernel
上可能會出現(xiàn)問題,我還沒測試過.//xixi
#define __NO_VERSION__
#include
#include
char kernel_version = UTS_RELEASE;
這一段定義了一些版本信息,雖然用處不是很大,但也必不可少.Johnsonm說所
有的驅(qū)動程序的開頭都要包含,但我看倒是未必.
由于用戶進程是通過設備文件同硬件打交道,對設備文件的***作方式不外乎就
是一些系統(tǒng)調(diào)用,如 open,read,write,close…., 注意,不是fopen, fread.,
但是如何把系統(tǒng)調(diào)用和驅(qū)動程序關聯(lián)起來呢?這需要了解一個非常關鍵的數(shù)據(jù)
結(jié)構:
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);
}
這個結(jié)構的每一個成員的名字都對應著一個系統(tǒng)調(diào)用.用戶進程利用系統(tǒng)調(diào)用
在對設備文件進行諸如read/write***作時,系統(tǒng)調(diào)用通過設備文件的主設備號
找到相應的設備驅(qū)動程序,然后讀取這個數(shù)據(jù)結(jié)構相應的函數(shù)指針,接著把控制
權交給該函數(shù).這是linux的設備驅(qū)動程序工作的基本原理.既然是這樣,則編寫
設備驅(qū)動程序的主要工作就是編寫子函數(shù),并填充file_operations的各個域.
相當簡單,不是嗎?
下面就開始寫子程序.
#include
#include
#include
#include
#include
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;
}
這個函數(shù)是為read調(diào)用準備的.當調(diào)用read時,read_test()被調(diào)用,它把用戶的
緩沖區(qū)全部寫1.
buf 是read調(diào)用的一個參數(shù).它是用戶進程空間的一個地址.但是在read_test
被調(diào)用時,系統(tǒng)進入核心態(tài).所以不能使用buf這個地址,必須用__put_user(),
這是kernel提供的一個函數(shù),用于向用戶傳送數(shù)據(jù).另外還有很多類似功能的
函數(shù).請參考.在向用戶空間拷貝數(shù)據(jù)之前,必須驗證buf是否可用.
這就用到函數(shù)verify_area.
static int write_(struct inode *inode,struct file *file,
const char *buf,int count)
{
return count;
}
static int open_(struct inode *inode,struct file *file )
{
MOD_INC_USE_COUNT;
return 0;
} static void release_(struct inode *inode,struct file *file )
{
MOD_DEC_USE_COUNT;
}
這幾個函數(shù)都是空***作.實際調(diào)用發(fā)生時什么也不做，他們僅僅為下面的結(jié)構
提供函數(shù)指針。
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 */
};
設備驅(qū)動程序的主體可以說是寫好了?，F(xiàn)在要把驅(qū)動程序嵌入內(nèi)核。驅(qū)動程序
可以按照兩種方式編譯。一種是編譯進kernel，另一種是編譯成模塊(modules),
如果編譯進內(nèi)核的話，會增加內(nèi)核的大小，還要改動內(nèi)核的源文件，而且不能
動態(tài)的卸載，不利于調(diào)試，所以推薦使用模塊方式。
int init_module(void)
{
int result;
result = register_chrdev(0, “test”, &test_fops);
if (result
printk(KERN_INFO “test: can’t get major number “);
return result;
}
if (test_major == 0) test_major = result; /* dynamic */
return 0;
}
在用inod命令將編譯好的模塊調(diào)入內(nèi)存時，init_module 函數(shù)被調(diào)用。在
這里，init_module只做了一件事，就是向系統(tǒng)的字符設備表登記了一個字符
設備。register_chrdev需要三個參數(shù)，參數(shù)一是希望獲得的設備號，如果是
零的話，系統(tǒng)將選擇一個沒有被占用的設備號返回。參數(shù)二是設備文件名，
參數(shù)三用來登記驅(qū)動程序?qū)嶋H執(zhí)行***作的函數(shù)的指針。
如果登記成功，返回設備的主設備號，不成功，返回一個負值。
void cleanup_module(void)
{
unregister_chrdev(test_major, “test”);
}
在用rmmod卸載模塊時，cleanup_module函數(shù)被調(diào)用，它釋放字符設備test
在系統(tǒng)字符設備表中占有的表項。
一個極其簡單的字符設備可以說寫好了，文件名就叫test.c吧。
下面編譯
$ gcc -O2 -DMODULE -D__KERNEL__ -c test.c
得到文件test.o就是一個設備驅(qū)動程序。
如果設備驅(qū)動程序有多個文件，把每個文件按上面的命令行編譯，然后
ld -r file1.o file2.o -o modulename.
驅(qū)動程序已經(jīng)編譯好了，現(xiàn)在把它安裝到系統(tǒng)中去。
$ inod -f test.o
如果安裝成功，在/proc/devices文件中就可以看到設備test,
并可以看到它的主設備號,。
要卸載的話，運行
$ rmmod test
下一步要創(chuàng)建設備文件。
mknod /dev/test c major minor
c 是指字符設備，major是主設備號，就是在/proc/devices里看到的。
用shell命令
$ cat /proc/devices | awk “\$2==”test” {print \$1}”
就可以獲得主設備號，可以把上面的命令行加入你的shell script中去。
minor是從設備號，設置成0就可以了。
我們現(xiàn)在可以通過設備文件來訪問我們的驅(qū)動程序。寫一個小小的測試程序。
#include
#include
#include
#include
main()
{
int testdev;
int i;
char buf;
testdev = open(“/dev/test”,O_RDWR);
if ( testdev == -1 )
{
printf(“Cann’t open file “);
exit(0);
}
read(testdev,buf,10);
for (i = 0; i
printf(“%d “,buf);
close(testdev);
}
編譯運行，看看是不是打印出全1 ？
以上只是一個簡單的演示。真正實用的驅(qū)動程序要復雜的多，要處理如中斷，
DMA，I/O port等問題。這些才是真正的難點。請看下節(jié)，實際情況的處理。
如何編寫Linux***作系統(tǒng)下的設備驅(qū)動程序
Roy G
三 設備驅(qū)動程序中的一些具體問題。
1. I/O Port.
和硬件打交道離不開I/O Port，老的ISA設備經(jīng)常是占用實際的I/O端口，
在linux下，***作系統(tǒng)沒有對I/O口屏蔽，也就是說，任何驅(qū)動程序都可以
對任意的I/O口***作，這樣就很容易引起混亂。每個驅(qū)動程序應該自己避免
誤用端口。
有兩個重要的kernel函數(shù)可以保證驅(qū)動程序做到這一點。
1）check_region(int io_port, int off_set)
這個函數(shù)察看系統(tǒng)的I/O表，看是否有別的驅(qū)動程序占用某一段I/O口。
參數(shù)1：io端口的基地址，
參數(shù)2：io端口占用的范圍。
返回值：0 沒有占用， 非0，已經(jīng)被占用。
2）request_region(int io_port, int off_set,char *devname)
如果這段I/O端口沒有被占用，在我們的驅(qū)動程序中就可以使用它。在使用
之前，必須向系統(tǒng)登記，以防止被其他程序占用。登記后，在/proc/ioports
文件中可以看到你登記的io口。
參數(shù)1：io端口的基地址。
參數(shù)2：io端口占用的范圍。
參數(shù)3：使用這段io地址的設備名。
在對I/O口登記后，就可以放心地用inb(), outb()之類的函來訪問了。
在一些pci設備中，I/O端口被映射到一段內(nèi)存中去，要訪問這些端口就相當
于訪問一段內(nèi)存。經(jīng)常性的，我們要獲得一塊內(nèi)存的物理地址。在dos環(huán)境下，
（之所以不說是dos***作系統(tǒng)是因為我認為DOS根本就不是一個***作系統(tǒng)，它實
在是太簡單，太不安全了）只要用段：偏移就可以了。在window95中，95ddk
提供了一個vmm 調(diào)用 _MapLinearToPhys,用以把線性地址轉(zhuǎn)化為物理地址。但
在Linux中是怎樣做的呢？
2 內(nèi)存***作
在設備驅(qū)動程序中動態(tài)開辟內(nèi)存，不是用malloc，而是kmalloc，或者用
get_free_pages直接申請頁。釋放內(nèi)存用的是kfree，或free_pages. 請注意，
kmalloc等函數(shù)返回的是物理地址！而malloc等返回的是線性地址！關于
kmalloc返回的是物理地址這一點本人有點不太明白：既然從線性地址到物理
地址的轉(zhuǎn)換是由386cpu硬件完成的，那樣匯編指令的***作數(shù)應該是線性地址，
驅(qū)動程序同樣也不能直接使用物理地址而是線性地址。但是事實上kmalloc
返回的確實是物理地址，而且也可以直接通過它訪問實際的RAM，我想這樣可
以由兩種解釋，一種是在核心態(tài)禁止分頁，但是這好像不太現(xiàn)實；另一種是
linux的頁目錄和頁表項設計得正好使得物理地址等同于線性地址。我的想法
不知對不對，還請高手指教。
言歸正傳，要注意kmalloc更大只能開辟128k-16，16個字節(jié)是被頁描述符
結(jié)構占用了。kmalloc用法參見khg.
內(nèi)存映射的I/O口，寄存器或者是硬件設備的RAM(如顯存)一般占用F
以上的地址空間。在驅(qū)動程序中不能直接訪問，要通過kernel函數(shù)vremap獲得
重新映射以后的地址。
另外，很多硬件需要一塊比較大的連續(xù)內(nèi)存用作DMA傳送。這塊內(nèi)存需要一直
駐留在內(nèi)存，不能被交換到文件中去。但是kmalloc最多只能開辟128k的內(nèi)存。
這可以通過犧牲一些系統(tǒng)內(nèi)存的方法來解決。
具體做法是：比如說你的機器由32M的內(nèi)存，在lilo.conf的啟動參數(shù)中加上
mem=30M，這樣linux就認為你的機器只有30M的內(nèi)存，剩下的2M內(nèi)存在vremap
之后就可以為DMA所用了。
請記住，用vremap映射后的內(nèi)存，不用時應用unremap釋放，否則會浪費頁表。
3 中斷處理
同處理I/O端口一樣，要使用一個中斷，必須先向系統(tǒng)登記。
int request_irq(unsigned int irq ,
void(*handle)(int,void *,struct pt_regs *),
unsigned int long flags,
const char *device);
irq: 是要申請的中斷。
handle：中斷處理函數(shù)指針。
flags：SA_INTERRUPT 請求一個快速中斷，0 正常中斷。
device：設備名。
如果登記成功，返回0，這時在/proc/interrupts文件中可以看你請求的
中斷。
4一些常見的問題。
對硬件***作，有時時序很重要。但是如果用C語言寫一些低級的硬件***作
的話，gcc往往會對你的程序進行優(yōu)化，這樣時序就錯掉了。如果用匯編寫呢，
gcc同樣會對匯編代碼進行優(yōu)化，除非你用volatile關鍵字修飾。最保險的
辦法是禁止優(yōu)化。這當然只能對一部分你自己編寫的代碼。如果對所有的代碼
都不優(yōu)化，你會發(fā)現(xiàn)驅(qū)動程序根本無法裝載。這是因為在編譯驅(qū)動程序時要
用到gcc的一些擴展特性，而這些擴展特性必須在加了優(yōu)化選項之后才能體現(xiàn)
出來。
關于kernel的調(diào)試工具，我現(xiàn)在還沒有發(fā)現(xiàn)有合適的。有誰知道請告訴我，
不勝感激。我一直都在printk打印調(diào)試信息，倒也還湊合。
關于設備驅(qū)動程序還有很多內(nèi)容，如等待/喚醒機制，塊設備的編寫等。
關于linux設備驅(qū)動的結(jié)構的介紹到此就結(jié)束了，不知道你從中找到你需要的信息了嗎 ？如果你還想了解更多這方面的信息，記得收藏關注本站。
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文章題目：深入了解Linux設備驅(qū)動的結(jié)構與原理(linux設備驅(qū)動的結(jié)構)
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