深入浅出Linux 设备驱动编程

目录1.引言.....................................................................................................................12.Linux内核模块...................................................................................................23.字符设备驱动程序.............................................................................................44.设备驱动中的并发控制...................................................................................105.设备的阻塞与非阻塞操作...............................................................................166.设备驱动中的异步通知...................................................................................257.设备驱动中的中断处理...................................................................................268.定时器...............................................................................................................309.内存与I/O操作................................................................................................3210.结构化设备驱动程序.....................................................................................3911.复杂设备驱动.................................................................................................4012.总结.................................................................................................................521深入浅出Linux设备驱动编程宋宝华[e-mail]1.引言目前，Linux软件工程师大致可分为两个层次：（1）Linux应用软件工程师（ApplicationSoftwareEngineer）：主要利用C库函数和LinuxAPI进行应用软件的编写；（2）Linux固件工程师（FirmwareEngineer）：主要进行Bootloader、Linux的移植及Linux设备驱动程序的设计。一般而言，固件工程师的要求要高于应用软件工程师的层次，而其中的Linux设备驱动编程又是Linux程序设计中比较复杂的部分，究其原因，主要包括如下几个方面：（1）设备驱动属于Linux内核的部分，编写Linux设备驱动需要有一定的Linux操作系统内核基础；（2）编写Linux设备驱动需要对硬件的原理有相当的了解，大多数情况下我们是针对一个特定的嵌入式硬件平台编写驱动的；（3）Linux设备驱动中广泛涉及到多进程并发的同步、互斥等控制，容易出现bug；（4）由于属于内核的一部分，Linux设备驱动的调试也相当复杂。目前，市面上的Linux设备驱动程序参考书籍非常稀缺，少有的经典是由Linux社区的三位领导者JonathanCorbet、AlessandroRubini、GregKroah-Hartman编写的《LinuxDeviceDrivers》（目前该书已经出版到第3版，中文译本由中国电力出版社出版）。该书将Linux设备驱动编写技术进行了较系统的展现，但是该书所列举实例的背景过于复杂，使得读者需要将过多的精力投放于对例子背景的理解上，很难完全集中精力于Linux驱动程序本身。往往需要将此书翻来覆去地研读许多遍，才能有较深的体会。（《LinuxDeviceDrivers》中英文版封面）本文将仍然秉承《LinuxDeviceDrivers》一书以实例为主的风格，但是实例的背景将非常简单，以求使读者能将集中精力于Linux设备驱动本身，理解Linux内核模块、Linux设备驱动的结构、Linux设备驱动中的并发控制等内容。另外，与《LinuxDeviceDrivers》所不同的是，针对设备驱动的实例，本文还给出了用户态的程序来访问该设备，展现设备驱动的运行情况及用户态和内核态的交互。相信阅读完本文将为您领悟《LinuxDeviceDrivers》一书中的内容打下很好的基础。本文中的例程除引用的以外皆由笔者亲自调试通过，主要基于的内核版本为Linux2.4，例子要在其他内核上运行只需要做少量的修改。构建本文例程运行平台的一个较好方法是：在Windows平台上安装VMWare虚拟机，并在VMWare虚拟机上安装RedHat。注意安装的过程中应该选中“开发工具”和“内核开发”二项（如果本文的例程要在特定的嵌入式系统中运行，还应安装相应的交叉编译器，并2包含相应的Linux源代码），如下图：2.Linux内核模块Linux设备驱动属于内核的一部分，Linux内核的一个模块可以以两种方式被编译和加载：（1）直接编译进Linux内核，随同Linux启动时加载；（2）编译成一个可加载和删除的模块，使用insmod加载（modprobe和insmod命令类似，但依赖于相关的配置文件），rmmod删除。这种方式控制了内核的大小，而模块一旦被插入内核，它就和内核其他部分一样。下面我们给出一个内核模块的例子：#includelinux/module.h//所有模块都需要的头文件#includelinux/init.h//init&exit相关宏MODULE_LICENSE(GPL);staticint__inithello_init(void){printk(Hellomoduleinit\n);return0;}staticvoid__exithello_exit(void){printk(Hellomoduleexit\n);3}module_init(hello_init);module_exit(hello_exit);分析上述程序，发现一个Linux内核模块需包含模块初始化和模块卸载函数，前者在insmod的时候运行，后者在rmmod的时候运行。初始化与卸载函数必须在宏module_init和module_exit使用前定义，否则会出现编译错误。程序中的MODULE_LICENSE(GPL)用于声明模块的许可证。如果要把上述程序编译为一个运行时加载和删除的模块，则编译命令为：gcc–D__KERNEL__-DMODULE–DLINUX–I/usr/local/src/linux2.4/include-c–ohello.ohello.c由此可见，Linux内核模块的编译需要给gcc指示–D__KERNEL__-DMODULE–DLINUX参数。-I选项跟着Linux内核源代码中Include目录的路径。下列命令将可加载hello模块：insmod./hello.o下列命令完成相反过程：rmmodhello如果要将其直接编译入Linux内核，则需要将源代码文件拷贝入Linux内核源代码的相应路径里，并修改Makefile。我们有必要补充一下Linux内核编程的一些基本知识：内存在Linux内核模式下，我们不能使用用户态的malloc()和free()函数申请和释放内存。进行内核编程时，昀常用的内存申请和释放函数为在include/linux/kernel.h文件中声明的kmalloc()和kfree()，其原型为：void*kmalloc(unsignedintlen,intpriority);voidkfree(void*__ptr);kmalloc的priority参数通常设置为GFP_KERNEL，如果在中断服务程序里申请内存则要用GFP_ATOMIC参数，因为使用GFP_KERNEL参数可能会引起睡眠，不能用于非进程上下文中（在中断中是不允许睡眠的）。由于内核态和用户态使用不同的内存定义，所以二者之间不能直接访问对方的内存。而应该使用Linux中的用户和内核态内存交互函数（这些函数在include/asm/uaccess.h中被声明）：unsignedlongcopy_from_user(void*to,constvoid*from,unsignedlongn);unsignedlongcopy_to_user(void*to,void*from,unsignedlonglen);copy_from_user、copy_to_user函数返回不能被复制的字节数，因此，如果完全复制成功，返回值为0。include/asm/uaccess.h中定义的put_user和get_user用于内核空间和用户空间的单值交互（如char、int、long）。这里给出的仅仅是关于内核中内存管理的皮毛，关于Linux内存管理的更多细节知识，我们会在本文第9节《内存与I/O操作》进行更加深入地介绍。输出在内核编程中，我们不能使用用户态C库函数中的printf()函数输出信息，而只能使用printk()。但是，内核中printk()函数的设计目的并不是为了和用户交流，它实际上是内核的一种日志机制，用来记录下日志信息或者给出警告提示。4每个printk都会有个优先级，内核一共有8个优先级，它们都有对应的宏定义。如果未指定优先级，内核会选择默认的优先级DEFAULT_MESSAGE_LOGLEVEL。如果优先级数字比intconsole_loglevel变量小的话，消息就会打印到控制台上。如果syslogd和klogd守护进程在运行的话，则不管是否向控制台输出，消息都会被追加进/var/log/messages文件。klogd只处理内核消息，syslogd处理其他系统消息，比如应用程序。模块参数2.4内核下，include/linux/module.h中定义的宏MODULE_PARM(var,type)用于向模块传递命令行参数。var为接受参数值的变量名，type为采取如下格式的字符串[min[-max]]{b,h,i,l,s}。min及max用于表示当参数为数组类型时，允许输入的数组元素的个数范围；b：byte；h：short；i：int；l：long；s：string。在装载内核模块时，用户可以向模块传递一些参数：insmodmodnamevar=value如果用户未指定参数，var将使用模块内定义的缺省值。3.字符设备驱动程序Linux下的设备驱动程序被组织为一组完成不同任务的函数的集合，通过这些函数使得Windows的设备操作犹如文件一般。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，如open()、close()、read()、write()等。Linux主要将设备分为二类：字符设备和块设备。字符设备是指设备发送和接收数据以字符的形式进行；而块设备则以整个数据缓冲区的形式进