1、第10章 Linux内核驱动原理,第10章 Linux内核驱动原理,10.1 Linux驱动程序概述 10.2 Linux驱动程序的相关知识 10.3 驱动程序的结构,10.1 Linux驱动程序概述,Linux驱动程序概念 Linux驱动程序分类,Linux驱动程序概念,在Linux中，系统调用是内核（kernel）和应用程序之间的接口，而设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间的接口。设备驱动程序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， 应用程序可以象操作普通文件一样对硬件设备进行操作。,Linux中将所有设备视为文件。,Linux驱动程序分类,在Linu
2、x操作系统的驱动程序分成三种类型： 字符设备（char device） 块设备（block device） 网络设备（net device）,Linux驱动程序分类,字符设备字符设备特殊文件进行I/O操作不经过操作系统的缓冲区，进行I/O操作时每次只传输一个字符。典型的字符设备如：鼠标、键盘、串口等。字符设备可以通过字符设备文件来访问。,Linux驱动程序分类,块设备使用随机访问的方式传输数据，并且数据总是具有固定大小的块。为了提高数据传输效率，块设备驱动程序内部采用块缓冲技术。典型的块设备如：光盘、硬盘、软盘等。块设备可以通过网络块文件来访问。,Linux驱动程序分类,网络设备是一种特殊的设
3、备，与字符设备和块设备不同，网络设备并没有文件系统的节点，也就是说网络设备没有设备文件。在Linux的网络系统中，使用UNIX的socket机制。系统与驱动程序之间通过专有的数据结构进行访问。系统内部支持数据的收发，对网络设备的使用需要通过socket，而不是文件系统的节点。,网络设备最重要的特点是没有文件系统的节点。,10.2 Linux驱动程序的相关知识,内核模块的作用 模块的编程结构和使用 内核模块编写的注意事项 Linux设备文件 Linux对设备文件的操作 设备文件相关的数据结构,内核模块的作用,Linux设备驱动属于内核的一部分，它可以使用两种方式被编译和加载：1、直接编译进Lin
4、ux内核，随同Linux启动时加载,随时可以使用驱动程序；2、编译成一个可加载和删除的模块，使用insmod加载，rmmod删除。,内核模块的作用,模块插入（rmmod）后，运行在内核空间,模块的编程结构和使用,#include #include #include #include #include /* 函数声明 */ static int module_init(void); static void module_cleanup(void); /* 注册模块函数 */ module_init(module_init); module_exit(module_cleanup);,声明模块的初
5、始化 和卸载函数,使用两个宏注册 模块的初始化和卸载函数,模块的编程结构和使用,/* 模块初始化 */ static int module_init(void) printk(KERN_CRIT “module init failsn“);return 0; /* 模块退出 */ static void module_cleanup(void) printk(KERN_CRIT “module init exifn“);return; ,Linux模块中的函数声明为static，它们不会被直接调用。使用注册的方式调用。,内核模块编写的注意事项,内存分配函数：模块运行在内核空间内，它并没有链接C
6、语言标准的函数库。因此，内存分配不能使用C语言的库函数malloc()和free()，而需要使用内核空间的对应函数。这两个函数定义在slab.h中。 #include void *kmalloc(size_t size, int flags); void kfree(const void *);,比malloc()多一个参数。,内核模块编写的注意事项,由于不能使用C语言库，在内核中打印调试信息也不能使用printf。在打印调试信息的功能上，内核应该使用内核的打印函数printk。 printk在kernel/printk.c中定义和实现： int printk(const char *fmt,
7、 .)printk(KERN_DEBUG “priority = 7n“); printk(KERN_INFO “priority = 6n“); printk(KERN_NOTICE “priority = 5n“); printk(KERN_WARNING “priority = 4n“); printk(KERN_ERR “priority = 3n“); printk(KERN_CRIT “priority = 2n“); printk(KERN_ALERT “priority = 1n“); printk(KERN_EMERG “priority = 0n“);,GCC中的两个字符串
8、可以用这种方式实现连接。,Linux设备文件,设备文件的属性主要由三部分信息组成： 第一部分是文件的类型，值可能是c/b（c代表字符设备，b代表块设备） 第二部分是设备的“主设备号” 第三部分是设备的“次设备号”,在Linux控制台上输入： # ls l /dev crw- 1 root root 5, 1 3月 28 21:32 /dev/console crw- 1 root root 14, 3 2003-01-30 /dev/dsp crw- 1 root root 29, 0 2003-01-30 /dev/fb0 brw-rw- 1 root floppy 2, 0 2003-01
9、-30 /dev/fd0 brw-rw- 1 root disk 3, 1 2003-01-30 /dev/hda1 crw-rw-rw- 1 root root 1, 3 2003-01-30 /dev/null crw-w- 1 root root 4, 0 2003-01-30 /dev/tty0,主设备号,次设备号,Linux对设备文件的操作,打开文件：int open( const char * pathname, int flags); 关闭文件：int close(int fd); 读：ssize_t read(int fd,void * buf ,size_t count);
10、写：ssize_t write(int fd,const void * buf,size_t count); 移动：loff_t lseek(int fildes,loff_t offset ,int whence); 端口控制：int ioctl(int fd ,unsigned int cmd,);,ioctl中的cmd 用于自定于命令。,Linux对设备文件的操作,#include #include #include #include main() int fd,size;char s=”File operationn”;char buffer80;fd=open(“/tmp/tempf
11、ile”,O_WRONLY|O_CREAT);write(fd,s,sizeof(s);close(fd);fd=open(“/tmp/tempfile”,O_RDONLY);size=read(fd,buffer,sizeof(buffer);close(fd);printf(“Display:%s”,buffer); ,打开文件。,关闭文件。,包含文件操作所需要的头文件。,设备文件相关的数据结构,struct file_operations 在Linux的include/linux目录中的fs.h文件中定义。open/release：在文件I/O的打开和关闭时定义，open函数也可以不定义
12、，此时，只要文件系统中存在设备文件节点，文件就可以被成功打开。 read/write：用于缓冲区和设备文件之间读写操作； ioctl：定义各种操作，参数cmd是自定义的参数，由驱动程序解释； mmap：将设备内容映射到内存；,内核空间和用户空间的交互,用户空间和内核空间的相互访问： int access_ok(int type,unsigned long addr,unsigned long size); unsigned long copy_to_user(void *to,const void *from, unsigned long fen); unsigned long copy_fr
13、om_user(void *to,const void *from, unsigned long fen);将文件映射到内存空间中: void *mmap(void *start,size_t length,int prot,int flags,int fd,loff_t offsize);,设备文件相关的数据结构,struct block_device_operations 在Linux的include/linux目录中的fs.h文件中定义。open/release：在文件I/O的打开和关闭时的操作。 ioctl：定义各种操作，参数cmd是自定义的参数，由驱动程序解释； check_medi
14、a_change：检查媒体（介质）的改变 revalidate：重新使得媒体有效 块设备的操作中没有字符操作的read/write成员。,10.3 驱动程序的结构,字符驱动程序框架 块设备的驱动程序框架 网络设备的驱动程序框架,字符驱动程序框架,在struct file_operations中注册的函数，应该完成相应的操作：module_init中注册的函数执行设备文件的注册；module_exit中注册的函数执行设备文件的卸载。open中增加引用计数；close中减少引用计数write/read中执行读写操作，内容的传递通过缓冲区的指针buf；ioctl中执行驱动程序自定义的命令，根据cmd
15、选择要执行的命令。,字符驱动程序框架,在Linux系统中，对中断的处理是属于系统核心部分，因此如果设备与系统之间以中断方式进行数据交换，就必须把该设备的驱动程序作为系统核心的一部分。设备驱动程序通过调用request_irq函数来申请中断，通过free_irq来释放中断。它们的定义如下： int request_irq(unsigned int irq, irqreturn_t (*handler)(int, void *, struct pt_regs *),unsigned long irq_flags, const char * devname, void *dev_id); void
16、free_irq(unsigned int irq, void *dev_id);,注册的中断号需要与内核 移植的中的中断号相对应。,块设备的驱动程序框架,实现block_device_operations数据结构块设备驱动程序的基本操作和字符设备类似。块设备的操作中没有读（read）和写（write）的函数指针。块设备驱动具有check_media_change和revalidte，前者用于判断介质是否改变，后者用于禁止改变时的操作。,网络设备的驱动程序框架,Linux下的网络设备驱动程序不需要使用文件系统的节点。网络驱动程序在Linux源代码下的/include/linux/netdevice.h中定义相关内容。核心数据结构：struct net_device 模块初始化和卸载的时候分配和释放网络设备的数据结构（ struct net_device ）。,网络驱动程序没有文件系统的节点,课程结束,
